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醫學物理學(第二版) 版權信息
- ISBN：9787030741080
- 條形碼：9787030741080 ; 978-7-03-074108-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
醫學物理學(第二版) 內容簡介
本書是根據教育部髙等學校物理學與天文學教學指導委員會物理基礎課程教學指導分委員會編制的《理工科類大學物理課程教學基本要求》，結合醫學院校的學生特點，融匯多年教學經驗并釆納優選教學理念編寫而成的。內容涵蓋質點動力學、流體的運動、振動和波動、分子動理論、熱力學、靜電場、直流電、電磁現象、幾何光學、波動光學、量子力學、X射線、原子核和放射性以及磁共振等內容。本書科學、系統地講述物理學的基本理論、分析方法及醫學應用，特別注重物理學在醫學中的應用，通過大量應用實例，教授可使學生受益終身的、用途廣泛的解決問題的方法，培養學生分析問題、建立模型、完成求解、用物理方法研究醫學問題的能力。
醫學物理學(第二版) 目錄
目錄
序
前言
緒論 1
第1章 剛體的運動 2
1.1 剛體及其運動 3
1.1.1 剛體的概念 3
1.1.2 剛體的平動與轉動 3
1.2 剛體的定軸轉動 4
1.2.1 描述剛體定軸轉動的物理量 4
1.2.2 剛體的定軸轉動定律 6
1.2.3 剛體定軸轉動的動能定理 10
1.3 剛體定軸轉動的角動量定理和角動量守恒定律 11
1.3.1 剛體對定軸的角動量 11
1.3.2 剛體定軸轉動的角動量定理 11
1.3.3 剛體定軸轉動的角動量守恒定律 12
1.4 剛體的旋進 13
習題一 14
第2章 流體 18
2.1 流體的運動 19
2.1.1 理想流體與實際流體 19
2.1.2 穩定流動和非穩定流動 19
2.1.3 流線和流管 20
2.1.4 連續性方程 21
2.1.5 流體對管壁的反作用 22
2.2 理想流體的伯努利方程 23
2.2.1 理想流體伯努利方程的推導 23
2.2.2 理想流體伯努利方程的應用 25
2.3 黏性流體的運動狀態 30
2.3.1 黏性流體的三種運動狀態 30
2.3.2 牛頓黏滯定律 30
2.3.3 雷諾數 32
2.4 黏性流體的運動規律 32
2.4.1 黏性流體的伯努利方程 32
2.4.2 泊肅葉定律 33
2.4.3 斯托克斯定律 35
2.5 血液的流動 36
2.5.1 紅細胞的軸向集中 36
2.5.2 血流速度和血壓的分布 36
2.5.3 血液黏度 37
習題二 38
第3章 振動和波動 41
3.1 簡諧振動 42
3.1.1 簡諧振動方程 42
3.1.2 簡諧振動的特征量 44
3.1.3 旋轉矢量圖法 45
3.1.4 簡諧振動的能量 46
3.1.5 兩個同方向、同頻率簡諧振動的合成 47
3.2 機械波 48
3.2.1 機械波的相關概念 48
3.2.2 簡諧波的波動方程 49
3.2.3 波的能量和強度 51
3.2.4 惠更斯原理 52
3.2.5 波的干涉 53
3.3 聲波、超聲波及多普勒效應 55
3.3.1 聲波 55
3.3.2 超聲波 55
3.3.3 多普勒效應 56
3.4 超聲波在醫學上的應用 58
3.4.1 物理基礎與超聲成像 58
3.4.2 多普勒信號的多種顯示方式 64
3.4.3 超聲在治療方面的應用 65
習題三 67
第4章 分子動理論 70
4.1 平衡態及狀態參量 71
4.2 溫度和溫標 71
4.2.1 攝氏溫標 72
4.2.2 華氏溫標 72
4.2.3 熱力學溫標 72
4.3 分子之間的相互作用力 73
4.4 理想氣體分子動理論 74
4.4.1 理想氣體狀態方程 74
4.4.2 理想氣體的微觀模型和統計模型 75
4.4.3 理想氣體的壓強公式和能量公式 76
4.4.4 理想氣體定律 79
4.5 氣體分子速率分布律和能量分布律 80
4.5.1 麥克斯韋速率分布律 80
4.5.2 氣體分子的三種速率 81
4.5.3 平均自由程和平均碰撞頻率 82
4.5.4 玻爾茲曼能量分布律 83
4.6 非平衡態輸運過程 85
4.6.1 熱傳導 85
4.6.2 擴散 85
4.6.3 透膜輸運 86
4.7 液體的表面現象 87
4.7.1 液體的表面張力和表面能 87
4.7.2 彎曲液面下的附加壓強 89
4.7.3 潤濕、不潤濕與毛細現象 91
4.7.4 氣體栓塞 93
4.7.5 肺表面活性物質 94
習題四 96
第5章 熱力學基礎 99
5.1 熱力學**定律 100
5.1.1 準靜態過程 100
5.1.2 功熱量內能 101
5.1.3 熱力學**定律 102
5.2 熱力學**定律在理想氣體等值過程中的應用 103
5.2.1 等體過程 103
5.2.2 等壓過程 104
5.2.3 等溫過程 105
5.2.4 絕熱過程 105
5.3 熱力學循環卡諾循環 107
5.3.1 熱力學循環及其效率 107
5.3.2 卡諾循環及其效率 109
5.4 熱力學第二定律 110
5.4.1 可逆與不可逆過程 110
5.4.2 熱力學第二定律的兩種典型表述 111
5.4.3 卡諾定理 112
5.4.4 克勞修斯等式熵 112
5.4.5 克勞修斯不等式熵增原理 114
5.4.6 熱力學第二定律的統計意義 116
5.4.7 生命系統的熵 118
習題五 119
第6章 靜電場 122
6.1 靜電場的描述 123
6.1.1 電荷庫侖定律 123
6.1.2 電場強度 124
6.2 靜電場的高斯定理 127
6.2.1 電場線電通量 127
6.2.2 高斯定理及其應用 129
6.3 靜電場力做功電勢 133
6.3.1 靜電場力做功 133
6.3.2 電勢能電勢電勢差 134
6.3.3 電勢的計算 135
6.4 電偶極子電偶層 137
6.4.1 電偶極子 137
6.4.2 電偶層 138
6.5 靜電場中的電介質 139
6.5.1 電介質的極化電極化強度 140
6.5.2 電介質中的高斯定理 141
6.6 生物電現象 143
6.6.1 生物電的發現及產生原因 143
6.6.2 能斯特方程 143
6.6.3 靜息電位 145
6.6.4 動作電位 146
6.6.5 神經傳導 147
6.6.6 心電圖和腦電圖 147
習題六 150
第7章 直流電 154
7.1 電流密度歐姆定律 155
7.1.1 電流 155
7.1.2 電流密度 155
7.1.3 金屬與電解質溶液的導電性 156
7.1.4 電泳 157
7.1.5 電滲 159
7.1.6 歐姆定律的微分形式 160
7.2 基爾霍夫定律及其應用 162
7.2.1 電路的相關概念 162
7.2.2 基爾霍夫**定律 163
7.2.3 基爾霍夫第二定律 163
7.2.4 一段含源電路的歐姆定律 164
7.3 電容器的充電放電過程 165
7.3.1 電容器的充電過程 165
7.3.2 電容器的放電過程 167
7.4 醫用傳感器 168
7.4.1 傳感器概述 168
7.4.2 傳感器應用實例 171
習題七 174
第8章 電磁現象 178
8.1 恒定磁場磁場的生物效應 179
8.1.1 磁場磁感應強度 179
8.1.2 磁場中的高斯定理 181
8.1.3 電流的磁效應 182
8.1.4 安培環路定理及其應用 186
8.1.5 磁場對運動電荷和電流的作用 188
8.1.6 磁介質 192
8.1.7 磁場的生物效應 195
8.2 電磁感應電磁場理論 196
8.2.1 法拉第電磁感應定律 197
8.2.2 愣次定律 198
8.2.3 動生電動勢和感生電動勢 198
8.2.4 自感與互感 201
8.2.5 位移電流麥克斯韋方程組 204
8.2.6 電磁場對生物體的作用 206
習題八 208
第9章 幾何光學 212
9.1 幾何光學的基本定律 213
9.1.1 光的直線傳播定律 213
9.1.2 光的獨立傳播定律 213
9.1.3 光的反射定律和折射定律 214
9.2 球面折射 215
9.2.1 單球面折射物像公式 215
9.2.2 符號規則 216
9.2.3 單球面折射的高斯公式 217
9.2.4 共軸球面系統 218
9.3 透鏡 219
9.3.1 薄透鏡 219
9.3.2 薄透鏡組合 221
9.3.3 厚透鏡 222
9.3.4 柱面透鏡 223
9.3.5 透鏡的像差 224
9.4 眼睛 224
9.4.1 眼睛的光學結構 225
9.4.2 人眼的調節 226
9.4.3 眼睛的分辨本領：視力 226
9.4.4 眼睛的屈光不正及矯正 227
9.5 目視光學儀器 230
9.5.1 放大鏡 230
9.5.2 顯微鏡 231
9.5.3 顯微鏡的分辨本領 232
習題九 234
第10章 波動光學 236
10.1 光的干涉 237
10.1.1 相干光 237
10.1.2 光程和光程差 238
10.1.3 楊氏雙縫實驗 239
10.1.4 勞埃德鏡實驗 243
10.1.5 薄膜干涉 243
10.2 光的衍射 245
10.2.1 單縫衍射 246
10.2.2 圓孔衍射 250
10.2.3 光柵衍射 252
10.3 光的偏振 254
10.3.1 自然光和偏振光 254
10.3.2 馬呂斯定律 255
10.3.3 布儒斯特定律 257
10.3.4 物質的旋光 258
習題十 260
第11章 量子力學基礎 263
11.1 黑體福射 264
11.1.1 熱輻射 264
11.1.2 黑體福射實驗 265
11.1.3 用經典理論解釋黑體輻射實驗規律 267
11.1.4 普朗克能量量子化假設 268
11.2 光的波粒二象性 268
11.2.1 光電效應 268
11.2.2 康普頓效應 272
11.3 氫原子光譜和玻爾理論 275
11.3.1 氫原子光譜 275
11.3.2 經典理論解釋氫原子光譜規律 276
11.3.3 玻爾理論 277
11.4 物質波的波動性 279
11.4.1 德布羅意物質波 279
11.4.2 戴維孫-革末實驗、德布羅意的物質波驗證 280
11.4.3 德布羅意波的統計解釋 281
11.4.4 德布羅意物質波的應用 281
11.4.5 不確定關系 282
11.5 激光及其醫學應用 284
11.5.1 激光及激光器 284
11.5.2 激光的醫學應用 288
習題十一 291
第12章 X射線 294
12.1 X射線的產生 295
12.1.1 X射線的產生裝置 295
12.1.2 X射線的硬度和強度 297
12.2 X射線譜 297
12.2.1 連續X射線譜 298
12.2.2 標識X射線譜 299
12.3 X射線的性質 301
12.3.1 X射線的基本性質 301
12.3.2 X射線的衍射 302
12.4 物質對X射線的衰減規律 304
12.4.1 單色X射線的衰減規律 304
序
前言
緒論 1
第1章 剛體的運動 2
1.1 剛體及其運動 3
1.1.1 剛體的概念 3
1.1.2 剛體的平動與轉動 3
1.2 剛體的定軸轉動 4
1.2.1 描述剛體定軸轉動的物理量 4
1.2.2 剛體的定軸轉動定律 6
1.2.3 剛體定軸轉動的動能定理 10
1.3 剛體定軸轉動的角動量定理和角動量守恒定律 11
1.3.1 剛體對定軸的角動量 11
1.3.2 剛體定軸轉動的角動量定理 11
1.3.3 剛體定軸轉動的角動量守恒定律 12
1.4 剛體的旋進 13
習題一 14
第2章 流體 18
2.1 流體的運動 19
2.1.1 理想流體與實際流體 19
2.1.2 穩定流動和非穩定流動 19
2.1.3 流線和流管 20
2.1.4 連續性方程 21
2.1.5 流體對管壁的反作用 22
2.2 理想流體的伯努利方程 23
2.2.1 理想流體伯努利方程的推導 23
2.2.2 理想流體伯努利方程的應用 25
2.3 黏性流體的運動狀態 30
2.3.1 黏性流體的三種運動狀態 30
2.3.2 牛頓黏滯定律 30
2.3.3 雷諾數 32
2.4 黏性流體的運動規律 32
2.4.1 黏性流體的伯努利方程 32
2.4.2 泊肅葉定律 33
2.4.3 斯托克斯定律 35
2.5 血液的流動 36
2.5.1 紅細胞的軸向集中 36
2.5.2 血流速度和血壓的分布 36
2.5.3 血液黏度 37
習題二 38
第3章 振動和波動 41
3.1 簡諧振動 42
3.1.1 簡諧振動方程 42
3.1.2 簡諧振動的特征量 44
3.1.3 旋轉矢量圖法 45
3.1.4 簡諧振動的能量 46
3.1.5 兩個同方向、同頻率簡諧振動的合成 47
3.2 機械波 48
3.2.1 機械波的相關概念 48
3.2.2 簡諧波的波動方程 49
3.2.3 波的能量和強度 51
3.2.4 惠更斯原理 52
3.2.5 波的干涉 53
3.3 聲波、超聲波及多普勒效應 55
3.3.1 聲波 55
3.3.2 超聲波 55
3.3.3 多普勒效應 56
3.4 超聲波在醫學上的應用 58
3.4.1 物理基礎與超聲成像 58
3.4.2 多普勒信號的多種顯示方式 64
3.4.3 超聲在治療方面的應用 65
習題三 67
第4章 分子動理論 70
4.1 平衡態及狀態參量 71
4.2 溫度和溫標 71
4.2.1 攝氏溫標 72
4.2.2 華氏溫標 72
4.2.3 熱力學溫標 72
4.3 分子之間的相互作用力 73
4.4 理想氣體分子動理論 74
4.4.1 理想氣體狀態方程 74
4.4.2 理想氣體的微觀模型和統計模型 75
4.4.3 理想氣體的壓強公式和能量公式 76
4.4.4 理想氣體定律 79
4.5 氣體分子速率分布律和能量分布律 80
4.5.1 麥克斯韋速率分布律 80
4.5.2 氣體分子的三種速率 81
4.5.3 平均自由程和平均碰撞頻率 82
4.5.4 玻爾茲曼能量分布律 83
4.6 非平衡態輸運過程 85
4.6.1 熱傳導 85
4.6.2 擴散 85
4.6.3 透膜輸運 86
4.7 液體的表面現象 87
4.7.1 液體的表面張力和表面能 87
4.7.2 彎曲液面下的附加壓強 89
4.7.3 潤濕、不潤濕與毛細現象 91
4.7.4 氣體栓塞 93
4.7.5 肺表面活性物質 94
習題四 96
第5章 熱力學基礎 99
5.1 熱力學**定律 100
5.1.1 準靜態過程 100
5.1.2 功熱量內能 101
5.1.3 熱力學**定律 102
5.2 熱力學**定律在理想氣體等值過程中的應用 103
5.2.1 等體過程 103
5.2.2 等壓過程 104
5.2.3 等溫過程 105
5.2.4 絕熱過程 105
5.3 熱力學循環卡諾循環 107
5.3.1 熱力學循環及其效率 107
5.3.2 卡諾循環及其效率 109
5.4 熱力學第二定律 110
5.4.1 可逆與不可逆過程 110
5.4.2 熱力學第二定律的兩種典型表述 111
5.4.3 卡諾定理 112
5.4.4 克勞修斯等式熵 112
5.4.5 克勞修斯不等式熵增原理 114
5.4.6 熱力學第二定律的統計意義 116
5.4.7 生命系統的熵 118
習題五 119
第6章 靜電場 122
6.1 靜電場的描述 123
6.1.1 電荷庫侖定律 123
6.1.2 電場強度 124
6.2 靜電場的高斯定理 127
6.2.1 電場線電通量 127
6.2.2 高斯定理及其應用 129
6.3 靜電場力做功電勢 133
6.3.1 靜電場力做功 133
6.3.2 電勢能電勢電勢差 134
6.3.3 電勢的計算 135
6.4 電偶極子電偶層 137
6.4.1 電偶極子 137
6.4.2 電偶層 138
6.5 靜電場中的電介質 139
6.5.1 電介質的極化電極化強度 140
6.5.2 電介質中的高斯定理 141
6.6 生物電現象 143
6.6.1 生物電的發現及產生原因 143
6.6.2 能斯特方程 143
6.6.3 靜息電位 145
6.6.4 動作電位 146
6.6.5 神經傳導 147
6.6.6 心電圖和腦電圖 147
習題六 150
第7章 直流電 154
7.1 電流密度歐姆定律 155
7.1.1 電流 155
7.1.2 電流密度 155
7.1.3 金屬與電解質溶液的導電性 156
7.1.4 電泳 157
7.1.5 電滲 159
7.1.6 歐姆定律的微分形式 160
7.2 基爾霍夫定律及其應用 162
7.2.1 電路的相關概念 162
7.2.2 基爾霍夫**定律 163
7.2.3 基爾霍夫第二定律 163
7.2.4 一段含源電路的歐姆定律 164
7.3 電容器的充電放電過程 165
7.3.1 電容器的充電過程 165
7.3.2 電容器的放電過程 167
7.4 醫用傳感器 168
7.4.1 傳感器概述 168
7.4.2 傳感器應用實例 171
習題七 174
第8章 電磁現象 178
8.1 恒定磁場磁場的生物效應 179
8.1.1 磁場磁感應強度 179
8.1.2 磁場中的高斯定理 181
8.1.3 電流的磁效應 182
8.1.4 安培環路定理及其應用 186
8.1.5 磁場對運動電荷和電流的作用 188
8.1.6 磁介質 192
8.1.7 磁場的生物效應 195
8.2 電磁感應電磁場理論 196
8.2.1 法拉第電磁感應定律 197
8.2.2 愣次定律 198
8.2.3 動生電動勢和感生電動勢 198
8.2.4 自感與互感 201
8.2.5 位移電流麥克斯韋方程組 204
8.2.6 電磁場對生物體的作用 206
習題八 208
第9章 幾何光學 212
9.1 幾何光學的基本定律 213
9.1.1 光的直線傳播定律 213
9.1.2 光的獨立傳播定律 213
9.1.3 光的反射定律和折射定律 214
9.2 球面折射 215
9.2.1 單球面折射物像公式 215
9.2.2 符號規則 216
9.2.3 單球面折射的高斯公式 217
9.2.4 共軸球面系統 218
9.3 透鏡 219
9.3.1 薄透鏡 219
9.3.2 薄透鏡組合 221
9.3.3 厚透鏡 222
9.3.4 柱面透鏡 223
9.3.5 透鏡的像差 224
9.4 眼睛 224
9.4.1 眼睛的光學結構 225
9.4.2 人眼的調節 226
9.4.3 眼睛的分辨本領：視力 226
9.4.4 眼睛的屈光不正及矯正 227
9.5 目視光學儀器 230
9.5.1 放大鏡 230
9.5.2 顯微鏡 231
9.5.3 顯微鏡的分辨本領 232
習題九 234
第10章 波動光學 236
10.1 光的干涉 237
10.1.1 相干光 237
10.1.2 光程和光程差 238
10.1.3 楊氏雙縫實驗 239
10.1.4 勞埃德鏡實驗 243
10.1.5 薄膜干涉 243
10.2 光的衍射 245
10.2.1 單縫衍射 246
10.2.2 圓孔衍射 250
10.2.3 光柵衍射 252
10.3 光的偏振 254
10.3.1 自然光和偏振光 254
10.3.2 馬呂斯定律 255
10.3.3 布儒斯特定律 257
10.3.4 物質的旋光 258
習題十 260
第11章 量子力學基礎 263
11.1 黑體福射 264
11.1.1 熱輻射 264
11.1.2 黑體福射實驗 265
11.1.3 用經典理論解釋黑體輻射實驗規律 267
11.1.4 普朗克能量量子化假設 268
11.2 光的波粒二象性 268
11.2.1 光電效應 268
11.2.2 康普頓效應 272
11.3 氫原子光譜和玻爾理論 275
11.3.1 氫原子光譜 275
11.3.2 經典理論解釋氫原子光譜規律 276
11.3.3 玻爾理論 277
11.4 物質波的波動性 279
11.4.1 德布羅意物質波 279
11.4.2 戴維孫-革末實驗、德布羅意的物質波驗證 280
11.4.3 德布羅意波的統計解釋 281
11.4.4 德布羅意物質波的應用 281
11.4.5 不確定關系 282
11.5 激光及其醫學應用 284
11.5.1 激光及激光器 284
11.5.2 激光的醫學應用 288
習題十一 291
第12章 X射線 294
12.1 X射線的產生 295
12.1.1 X射線的產生裝置 295
12.1.2 X射線的硬度和強度 297
12.2 X射線譜 297
12.2.1 連續X射線譜 298
12.2.2 標識X射線譜 299
12.3 X射線的性質 301
12.3.1 X射線的基本性質 301
12.3.2 X射線的衍射 302
12.4 物質對X射線的衰減規律 304
12.4.1 單色X射線的衰減規律 304
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醫學物理學(第二版) 節選
緒論 物理學是研究物質的結構和相互作用及其運動規律的一門基礎學科，是當今眾多技術發展的基石。將物理學的基本原理及方法、技術應用于人類疾病預防、診斷、治療和保健等臨床醫學研究的過程中逐漸形成了醫學物理學這門交叉學科。 物理學與生命科學的交叉研究由來已久，成績斐然：17世紀德國科舍兒（Kircher）研究了動物發光現象；同一時期，荷蘭列文虎克（Leeuwenhoek）用自制顯微鏡**次觀察到活的細菌。1895年倫琴（R6ntgeri）發現X射線并應用于醫學與治療，建立了診斷放射學，獲得首屆諾貝爾物理學獎。塔夫斯大學科爾麥克（Carmack）創立了計算機輔助的斷層掃描的重建圖像理論和技術，為數字影像學的發展開辟了道路，獲得1979年諾貝爾生理學或醫學獎。克里克（Crick）和沃森（Watson）利用X射線衍射技術測定了DNA的雙螺旋結構并從分子層面闡明了DNA如何攜帶遺傳信息及復制的機制，由此揭示了生命遺傳的奧秘，獲得1962年諾貝爾生理學或醫學獎，從此遺傳學和生物學都從細胞階段進入了分子研究水平。英國劍橋大學物理學家克盧格（Khig）通過晶體的電子顯微術測定生物物質的結構，闡明了核酸蛋白的結構和遺傳機制，獲得1982年諾貝爾化學獎。在醫學領域許多重大成果及新技術原始倉撕的過程中，物理科學的研究成果及技術都發揮了重要作用。 一切生命現象都是物質與運動的產物，生命現象屬于物質的高級運動形式，這些過程正是物理學研究的對象，也是物理學*有優勢的地方，因此物理學能為醫學研究提供方法和技術并開辟許多新的研究途徑。只有掌握了物理學基本原理，才能全面了解人體及其運動過程。早在1943年薛定諤（SchrGdinger）在愛爾蘭都桕林“生命是什么”的著名演說中就預言了將物理學應用于生命科學將會開辟生命科學研究的新紀元，指出了生命問題*終需要通過物理科學說明，且很可能從生物學研究發現新的物理定律。他提出了基因的“躍遷式”突變，認為基因又穩定又能突變，只能用量子論中能級的離散性和量子躍遷的突發性來說明，基因的變化是生物大分子同分異構體之間的量子躍遷，其間的能量閾值保證了基因在室溫下的穩定性。另外，X射線誘發的突變遺傳的機制同量子論的基礎也是密切相關的。 目前人類正面臨著癌癥以及各種心血管疾病的嚴重威脅，早期診斷、準確診斷、精確治療就必須借助先進的現代醫學影像診斷和治療設備，如X射線成像、磁共振成像、放射性追蹤、激光手術、速讀溫度計、心導管術、超聲波掃描圖、起搏器、光纖引導下的顯微手術、超聲波牙鉆和放射性治療等。這些技術領域中，各種儀器裝置工作原理的正確解釋都必須借助于物理學知識。通過學習物理可以更好地掌握普遍使用的技能，諸如邏輯推理與分析、解決問題、做簡化假設、建立數學模型、釆用有效近似以及給出精確定義等。可以肯定，物理學將在更高層次上推動醫學的發展，物理學自身也會在與生命科學的結合中得到不斷的進步。 近年來，智能手機的普及使“低頭族”應運而生，研究發現：玩手機時，就有可能讓頸椎承受多達三倍頭部重力的壓力，不當的姿勢與一系列的健康問題相關聯，如背痛、體重增加、胃痛、偏頭痛和呼吸系統疾病等。當人體直立時，頸椎所受的壓力會隨低頭的角度發生變化。將人低頭時的頭頸部簡化為如圖所示的模型，假設頭部的重心在頭部的P點，頸椎（忽略質量，可視為輕桿）可繞0點轉動，人的頭部在頸椎的支持力和沿方向肌肉拉力的作用下處于靜止狀態。 1.1剛體及其運動 1.1.1剛體的概念 在任何力的作用下，體積和形狀都不發生改變的物體叫做剛體（rigidbody）。—般來說，任何物體在外力作用下，其形狀和大小都要發生變化，但如果在外力的作用下，產生的形變甚微或者物體形變對研究問題影響不大，可不考慮物體的形變，這樣的物體也可以近似看成剛體，所得結果與實際情況相當符合。 1.1.2剛體的平動與轉動 剛體的運動可以分為平動與轉動兩種。它們是剛體的兩種*簡單的，也是*基本的運動形式。剛體任何復雜的運動都可分解為這兩種運動。 1.剛體的平動 當剛體運動時，如果剛體內任何一條直線，在運動中始終保持相同的方位不變，那么這種運動稱為平動（translation），如圖1-1（a）所示。電梯的上下運動、活塞的運動、人體直線行走時上身和頭部的運動、開關抽屜的運動等都是平動。 剛體平動的一個明顯特點是，在平動過程中剛體上每個質點的運動完全相同。因此，研究剛體的平動時，只需要研究剛體內某一個質點的運動就行了，它可代表整個剛體的運動，一般用質心來代表。需要注意的是，物體做平動的時候不一定是直線運動，曲線運動也可能是平動，比如計算機屏幕上鼠標的運動。 2.剛體的轉動 當剛體中所有點都繞同一直線做圓周運動時，這種運動叫轉動（rotation），如圖l-l（b）所示。剛體轉動時所繞直線稱為轉軸（rotationaxis）。定滑輪的運動、旋轉木馬的運動、鐘擺的運動、火車車輪的運動、走路時邁動雙腿和揮舞著手臂的運動等都是轉動。 如果轉軸的位置和方向固定不動，這種軸稱為固定軸，此時剛體的運動叫做剛體的定軸轉動（fixed-axis rotation）。 2）定軸轉動的特點 定軸轉動中剛體上的任一質點（或稱質元）Am都繞同一個固定軸做圓周運動，通常把轉軸設為z軸，圓周所在平面M稱為質點的轉動平面，轉動平面與轉軸垂直。質點做圓周運動的圓心O叫做質點的轉心，質點對于轉心的位矢r（由圓心O指向質點的有向線段）叫做質點的矢徑。如圖1-2所示。定軸轉動顯著的特點是：轉動過程中剛體上所有質點的角位移、角速度和角加速度都相同。在1.2節我們要對剛體的定軸轉動做詳細的討論。 1.2剛體的定軸轉動 1.2.1描述剛體定軸轉動的物理量 前面提到，當剛體做定軸轉動時，剛體上所有質元都繞定軸各自在自己的轉動平面內做不同半徑的圓周運動。這些質元的線量（速度、加速度等）各不相同，但它們的角位移、角速度、角加速度等角量都相同。所以，與圓周運動相似，可以用角量來描述剛體的定軸轉動。 1.角位移 描述剛體位置變化的物理量。如圖1-3所示，f時刻，質點在P點，角坐標為<9，f+ck時刻，質點到達產，角坐標為，角坐標的增量為 （1-1） 稱為剛體的角位移（angulardisplacement），國際單位是rad。 2.角速度 角速度是描寫剛體轉動快慢和方向的物理量，用仍來表示。其大小的數學表達式為 （1-2） 角速度（angular velocity）是矢量，其方向由右手螺旋定則確定：把右手的拇指伸直，其余四指彎曲，使彎曲的方向與剛體轉動方向一致，這時拇指所指的方向就是角速度0的方向。如圖1-4所示。其方向也可用正負來表示，當方向與z軸正方向一致時，為正值；當方向與z軸正方向相反時，為負值。 3.角加速度 剛體做定軸轉動時，如果角速度發生了變化，剛體就具有了角加速度（angularacceleration）。 設在時刻，角速度為在時刻，角速度為，則在時間間隔內，此剛體角速度增量么。那么角加速度為 （1-3） 角加速度的方向也可用正負來表示，方向規定同角速度。a為正值，剛體做加速轉動；反之，a為負值，剛體做減速轉動。其單位為弧度/秒2，符號為md/s2。 在剛體定軸轉動中，角速度、角加速度的方向只有沿轉軸的兩個方向，所以計算中常作標量處理（即方向用正負表示）。 4.角量與線量的關系 如圖1-5所示，設參考質元的轉動半徑為r，在Af時間內，剛體轉過角度，質元在這段日內的線位移為有向線段&路程為弦對應的弧長55，當A/很小時， （1-4） 將上式兩側同時除以A/并取極限可得線速度z；和角速度CO的關系為 （1-5） 線速度方向為質元處圓周的切線方向。 當質元做變速圓周運動時，其加速度a可分解為切向加速度at和法向加速度an，它們的大小分別為 （1-6） （1-7） 5.勻變速轉動 定軸轉動的*簡單情況是勻變速轉動，所謂勻變速轉動就是指角加速度為恒定值，也就是任意相等時間內，剛體轉動的角速度的增量都相等。此時，剛體各質元均做勻變速圓周運動。 勻變速圓周運動的運動方程與勻變速直線運動的運動方程形式相似，同學們可以自己推導。 勻變速轉動公式 （1-8） （1-9） （1-10） 1.2.2剛體的定軸轉動定律 1.力矩 在外力作用下，對于有固定軸的剛體（比如門窗等）來說，是否轉動，轉動狀態變化的快慢，不僅與力的大小有關，而且還與力的作用點的位置和力的方向有關。比如，用同樣方向和大小的力推門，當作用點靠近門軸時，不容易把門推開，當作用點遠離門軸時，就容易推開門。力的大小、方向和作用點這三個因素組成了力矩這一物理量，它是改變剛體轉動狀態的原因。 如圖1-6所示，設剛體繞通過O點且垂直于該平面的軸仏旋轉，剛體上尸點在過O點的轉動平面內，作用在尸點上的力F亦在該平面內。從O點到力F的作用線的垂直距離稱為力對轉軸的力臂；力的大小F與力臂d的乘積，稱為力F對轉軸的力矩（moment of force），用M表示，即 （1-11） 力矩是矢量，不僅有大小而且有方向。由矢量的矢積定義可知，力矩M可由徑矢r和力F的矢積來表示，即 （1-12） M的方向由右手定則來確定：把右手拇指伸直，其余四指彎曲，彎曲的方向是由徑矢r通過
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