大学物理力学补充课件.ppt

大学物理力学补充,华南理工大学物理学院 By 程 运 华,本部分是额外补充内容，主要有：,物理学概况 基本力与粒子物理 非惯性系以及几种常见的惯性力 变质量力学介绍 守恒定律与物理的对称性,物理学概况,什么是物理学？,物理学是研究物质，能量和他们相互作用的学科,具有动量，能量的客体,各种不同的力,相互作用对于空间的积累,E=mc2,物质,力,能量,物理学概况,研究尺度,空间：亚原子宇宙,时间：10-44s宇宙的年龄,最基本问题,物质的结构 （质量的起源，相互作用的统一） 宇宙的起源 （时空结构，宇宙的演化）,参看小百合文章,物理学概况,物理学分支,物理学,原子分子物理和光学 凝聚态物理学 场论与粒子物理学 天体物理和宇宙学及射线物理学 核物理学 流体和等离子体物理学 边缘领域和交叉应用学科,借助激光和现代光学的手段来研究的理论和方法,以固体物理为主干的研究大量粒子组成的体系的学科.,用场的观点来研究物质的组分和它们之间的基本相互作用,试图建立统一的相互作用理论.,研究引力场的属性,揭示时空的基本属性和宇宙的起源,寻求高温高密的核物质-夸克胶子等离子体,从而揭示物质的起源.,研究物质的第四态-大量由正负电荷粒子组成,动力学行为受电磁力支配的物质的学科,物理学概况,物理学的发展,经典物理学,牛顿力学(牛顿,拉格朗日,哈密顿), 热力学与统计力学(玻耳兹曼,开耳文), 经典电动力学(麦克斯韦),特点: 适用于宏观现象，除电磁学外，只适用于低速！ 两大基础: 1.经典统计理论的连续性假设: 一切物理量都是连续变化的; 2.牛顿绝对时空观:时间和空间互不相干,时间均匀流逝, 空间无限扩展,不同惯性系之间的变换满足 Galileo变换(不同参考系的时间一样),物理学概况,物理的发展,20世纪初,物理学中的“两朵乌云”： 黑体辐射实验 =辐射能量无限大！,连续性原理在作怪！,牛顿绝对时空观导致！,紫外灾难,Michelson-Morley实验 =不存在“以太” 相对任何参考系的运动 !,物理学概况,物理学的发展,两朵乌云导致两个新观念：,1. 量子概念（Planck)： 能量不是连续变化的，不是要多小就有多小，能量是一份一份的，每份都是某一最小单元的整数倍。 求总能量由积分 = 求和，避免无穷大。,物理学概况,物理学的发展,2. 相对时空观（Einstein）： 空间和时间是联系的,时间是作为时空4维矢量的第4分量出现的,不同惯性参考系中的变换满足Lorentz变换 光速不变作为基本假设,从而避免以太问题。,物理学概况,量子力学： 1.态的假设: 微观粒子的波函数Psi(x,t)表示粒子在时空坐标(x,t)处出现的几率是:|Psi(x,t)*Psi(x,t)|; 2.方程假设: 描述微观粒子的波函数是Schrodinger方程的解(线性方程决定了态的可叠加性) 3.力学量: 可观测的物理量用厄米算符表示.,狭义相对论： 1.光速不变性:光速不依赖于观察者所在的参考系,也不依赖于光源是否运动; 2.相对性原理: 所有的惯性参考系是等价的,不同惯性系中的物理规律不变,而4矢量遵循Lorentz变换,所在惯性参考系的运动对观察者来说是“透明“的,两个新观念构筑了两个理论：,物理学的概况,两个新理论所导致的新结果：,狭义相对论: 1.同时相对性; (怎样对准两个时钟?) 2.运动物体纵向Lorentz收缩; 3.运动的时间变慢; (双生子佯谬) 4.质能关系E=mc2.,量子力学 1.Heisenberg关系:长度和动量测不准(时间能量测不准)； 2.微观粒子运动的几率性和不可预知性； 3.量子跃迁.,物理学概况,两个理论的进一步发展：,狭义相对论=广义相对论（略） 相对论量子力学=量子场论： 量子场论的基本概念： 任何粒子在空间都激发相应类型的场: 任何物体=引力场; 带电粒子电子,光子=电磁场; 强子=色场 而每种场对应的场能量元也是一种粒子,称场量子,激发场的粒子通过交换场量子来相互作用.,物理学概况,量子场论的全新结果：,实物和能量能相互转化,体系的粒子数不守恒! 真空不空,真空可以激发出大量的粒子!,新理论与旧理论的适用:,经典物理学：低速宏观系统（在这一范围仍然是完全正确的，仍然被广泛的应用！） 相对论：任何速度的物体 量子力学： 任何大小的物体 量子场论： 高速微观多粒子系统,物理学概况,现代物理学导致的思想变革,连续性假设被否定:是由分立的一份一份的能量 构成的,而不是由要多小就有多小的能量构成的,我们生活在一个量子世界中! 绝对时空观被否定:时间和空间紧密联系,他们都受运动的影响. 经典决定论被否定:微观世界物质的运动是由几率函数描写,不是象经典力学中那样“唯一的开始决定唯一未来“的一一对应的,而是一对 多的关系!,物理学概况,现代物理仍然固守的观念：,因果律:不可以将一件事情的发展进程颠倒过来,两个地方同时发生的事情不可能有任何联系! 四动量守恒律: 能量-动量永远永远永远守恒 惯性系的相对性: 无论借助什么物理方法都无法觉察所在惯性参考系的运动,物理学概况,数学与物理学:,数学: 先验性的科学，最高层次是“公理”,是被人们100%认同的道理,无须也无法证明,它是进行推理演绎的基础！,物理学: 实验性的科学，最高层次是“基本假设“,是从实验中总结出来的,是物理学中发展中被检验是正确的,或者 说到目前为止,还未在先进的实验手段面前“惨遭落马“的经验之谈!,物理与数学的真正的结合是从1687年,牛顿的自然哲学的数学原理出版开始的,从此蜜不可分,相互促进! 然而:,物理学概况,物理学中最伟大的几件事情,蒸汽机(力学,热学) 电气化(电磁理论) 半导体二极管(量子力学) 脉冲星的发现与3k宇宙背景辐射(射电天文学与X射线天文学) 激光器(原子分子物理学与光学) 原子能(相对论) 高温超导(凝聚态物理学),物理学概况,最伟大的10个物理学家,Galileo (Italy) 物理学的奠基人,自由落体运动,惯性定律,Galileo时空变换 Newton (U.K.) 经典力学的建立者,三大定律,微积分,光学,时空观 Maxwell (U.K.) 电磁理论的集大成者 Einstain (American born in Germany) 统计物理，量子理论,相对论 Bohr (Damark) 玻尔理论,量子力学 Schrodinger (Austrial) 量子力学(波动形式) Heisenberg (Germany) 量子力学(距阵形式),同位旋 Dirac (U.K.) 相对论量子力学,正电子与反物质 Femi (American born in Italy) 统计力学,粒子物理 Faynman (U.S.A) 路径积分,量子电动力学,基本力与粒子物理,自然界的所有的力归结为4种：,引力作用: 普遍存在于一切有质量的粒子间,是吸引的 电磁作用: 一切带电粒子之间的作用，与电磁场联系 强相互作用: 使中子和质子集合成原子核的凝聚力 弱相互作用: 引起中子衰变成质子的作用,基本力与粒子物理,自然界的最常见的力,自然界中最常见的力是引力与电磁相互作用的力,重力就是由于引力导致的 （重力与引力的关系是？）,我们感受到的引力都是地球施加的。,拉力，推力，摩擦力本质上是什么力? 为什么？,基本力与粒子物理,现代物理中的力,力是什么？力是物体之间的相互作用，这些作用归结到微小的粒子之间，例如：,引力： 有质量的原子，分子，电子之间的相互吸引力的宏观集体体现,弹力/摩擦力/范德华力： 接触/临近的原子，分子相互之间的电荷相互作用的宏观表现；,核力：质子/中子内部夸克之间的作用力的剩余外流部分集体效应。,基本力与粒子物理,粒子之间并没有直接接触，为什么有相互作用？,粒子物理学认为，这种粒子之间的四种相互作用，是由不同的叫做“传播子”的粒子传送的，这种传播子就像媒介一样，传播粒子之间的相互作用。,引力：引力子 电磁力： 光子 弱力： 强力： 胶子（8种）,因此，我们共有13种传播粒子，他们负责传播相互作用,基本力与粒子物理,构成物质的粒子,物质由各种粒子组成，他们大多数有内部结构， 分为以下的层次： 分子原子原子核基本粒子夸克,分子：保持物质化学性质的最小微粒 分子的大小悬殊很大 计算机模拟大分子研究 分子层次的物理学= 分子生物学，化学,基本力与粒子物理,构成物质的粒子,原子：由原子核，核外电子构成。 能量=粒子间的电势能 +轨道相互作用能 +自旋与轨道作用能,10eV壳层结构,10-4eV精细结构,10-6 eV超精细结构,基本力与粒子物理,构成物质的粒子,原子核： 质子（卢瑟福1911）+中子（查德威1932） 质子和中子间存在一种相互吸引的“核力”,日本物理学家汤川秀树Yukawa的Pi介子理论： 为解释了核力的起源，预言Pi介子，获得Nobel prize,基本力与粒子物理,构成物质的粒子,比原子核小的粒子，最早发现的是 电子,J.J. 汤姆逊（1897）,卢瑟福提出原子核，第一次发现 质子,接着，中子、正电子很多新的粒子被发现，已经有几百种！,描述这些粒子的物理量有： 质量、电荷、自旋、寿命,仅仅质子，电子，中微子是稳定的，其他的粒子都有有限的寿命,基本力与粒子物理,构成物质的粒子,粒子的分类：,各种粒子参与不同的相互作用，分类如下,强子：能参与强作用的粒子（可以参与哪些作用？） 轻子： 不能参与强作用的粒子 （可以参与哪些作用？）,轻子目前共有12种，他们被认为没有内部结构，即： 电子， 子， 子以及相应的中微子，加上反粒子,基本力与粒子物理,在发现的几百种粒子中，大部分粒子是强子,构成物质的粒子,强子又按照其自旋不同分为,重子： 自旋为半整数的粒子 介子： 自旋为整数的粒子,强子是基本的粒子吗？,基本力与粒子物理,强子的内部结构,夸克物质理论认为：,强子是更小的粒子夸克组成的,其中，重子由3个夸克组成， 而轻子由一对正反夸克组成！,夸克有6种，每种有三种色，加上他们的反粒子，共36种,Upper Down Strange Charm Top Bottom,基本力与粒子物理,目前认为最小的粒子“基本粒子”,传播子13种,轻子12种,夸克36种,Higgs粒子,GWS理论预言存在的粒子，尚未发现。,负责传播各种相互作用的粒子,参与电磁，弱相互作用的粒子,强子组份粒子,非惯性系以及几种常见的惯性力,非惯性系牛顿方程,我们知道，牛顿定律成立的条件是：所选参考系为惯性系！,什么是惯性系？在哪里定义的？,地球基本可以看作是一个理想的惯性系，怎么验证？,那问题是： 如何研究一个加速的参考系中的力学问题？ 或者说如何精确的计算地球上（即考虑到地球的加速度） 的力学问题？,地面参考系,地心参考系,太阳参考系分别是怎样的?,非惯性系以及几种常见的惯性力,课后练习,查阅地球,太阳的公转自转以及轨道半径等数据, 试说明: 太阳, 地球,地面是比较理想的惯性参考系.,非惯性系以及几种常见的惯性力,非惯性系牛顿方程不成立,举一些例子：,非惯性系以及几种常见的惯性力,非惯性系中如何求解这些问题?,设在惯性系s中,物体受力为F, 加速度为a, 则牛顿方程为:,F=mas,设非惯性系s相对s的加速度为ass则根据加速度的相对性:,as=as+ass,所以上述牛顿方程可以写成:,F=m(as+ass),即:,F-mass=mas,非惯性系以及几种常见的惯性力,非惯性系中如何求解这些问题?,我们要明白: 力的作用是独立于参考系的选择的， 所以不论是惯性系还是非惯性系,物体受到的力总是不变的.,F-mass=mas,根据惯性系中的牛顿定律表达式:,如果我们在非惯性系s中考虑这个力学问题,F部分是不变的, 而表达式的右侧刚好是在非惯性系中测量的物体的加速度, 所以,我们在非惯性系中引入一个假想的力,即:,在非惯性系中,物体受力有两部分,即: 真实力+(-mass),非惯性系以及几种常见的惯性力,非惯性系中如何求解这些问题?,在做这样的处理之后, 在非惯性系中的力学问题也可以求解了!,F+(-mass)=mas,这就是非惯性系中的牛顿方程!,注意我们在此引入了惯性力,这不是真实的力, 与真实力之间的区别: 1. 不遵循牛顿第三定律 2. 找不到施力物体,但是同样有作用效果,非惯性系以及几种常见的惯性力,惯性力真与真实力有本质的区别吗?,看一个有趣的例子:,地球上的匀速电梯,太空中的加速飞行器,非惯性系以及几种常见的惯性力,Einstein据此提出 不仅仅惯性参考系,一切参考系都是等价的 这就是广义相对论的基本原理.,从这个意义上说, 惯性力也是力,非惯性系以及几种常见的惯性力,惯性离心力,简单的说就是 : 在旋转的非惯性系中,观察者看到的垂直于转轴向外的力,洗衣机,在地面上的人看来, 篮球受到一个向心力,是人施加的, 以使篮球做匀速圆周运动,即:,非惯性系以及几种常见的惯性力,惯性离心力,对于转盘上的人来说, 他觉得他是静止的, 可是他却感受到球 有一种要飞走的趋势,即球与他的手之间有摩擦力.,因此, 在他眼里,牛顿第2定律不在成立, 必须引入惯性力, 惯性力为:,显然,这个力沿半径向外, 被定义为 “离心力”,非惯性系以及几种常见的惯性力,惯性离心力,惯性离心力不是一种真实的力, 它不是向心力的反作用力. 注意: 向心力是真实力的合力或者某个力的一部分. 而惯性离心力仅仅是在非惯性系中假想的力.,思考: 重力与万有引力有什么区别? 他们之间有什么关系?,可以看出, 重力是万有引力与 惯性离心力的合力,重力是在地面测量的, 地面是在转动的,因此存在惯性离心力,非惯性系以及几种常见的惯性力,科里奥利力,如图: 两人坐在转盘的同一条半径上, 转盘顺时针转动, 某时刻A朝B扔出一 篮球, 结果发现球并没有沿直线飞出, 而是发生了偏转!,也就是说, 对转盘上的观察者来说, 篮球离开手之后,还受到一个力的作 用,使其飞行方向发生改变!,这个力就是科里奥利力,非惯性系以及几种常见的惯性力,科里奥利力,可见,在转动的转盘上的观察者看来, 物体可能还受到另一个假想的力, 即科里奥利力,科里傲利力的定量计算公式比较难的推导, 要用到转动参考系的知识, 书上P93有简单的分析.,这里直接引用理论力学中的结果，以角速度 转动的参考系中的物体，如果在此非惯性系中的速度为 则收到的科里奥利力是：,非惯性系以及几种常见的惯性力,科里奥利力,注意：1. 只有在非惯性系中的速度不为零，才受此力 2. 这个力同样是假想力，但是有作用效果。 3. 这个力与物体的速度垂直，所以永不做功。,非惯性系以及几种常见的惯性力,科里奥利力,气漩与反气漩,非惯性系以及几种常见的惯性力,科里奥利力,傅科摆,非惯性系以及几种常见的惯性力,引潮力,地球上的物体，除了受到 惯性离心力和科里奥利力 以外， 还有他的的惯性力吗?,惯性力 参考系本身加速而导致在参考系内部的物体受到的假想力,地球除了自转这个加速运动之外,还有什么加速运动呢?,显然, 地球受到月球的引力 和 太阳的引力 , 所以地球就相应的具有加速度相应的惯性力为多少?,非惯性系以及几种常见的惯性力,先看月球的引潮力,非惯性系以及几种常见的惯性力,引潮力,非惯性系