Lec01.绪论与质点运动学.ppt

大学物理（上） 任课老师：陈亮 联系方式： （64 学时） 答疑： 时间：单周1和3，双周2和4，19:3021:30 地点：周1和2： 东9-A210；周3和4： 西5-116 总成绩： 期末考试成绩（80%） + 平时成绩（20%） 平时成绩：作业、课堂表现、考勤等。 缺交作业1/3及以上，综合成绩按0分计。 作业：每周2上课之前交 1 2 3 物理学（Physics） 研究物质的基本结构和基本运动规律 物质的基本道理 是什么样的? 为什么是这样的？ 将来又会怎样？ 物质世界 (nature) 基本运动规律 基本相互作用 （电磁、引力 弱、强） 基本粒子 原子、分子 纳米团簇 宏观物体 星系 微观 宏观 宇观 力学 热学 电磁学 光学 量子力学 天文物理 4 古希腊人: 对自然界的观察和思考 自然哲学 牛顿时代（17世纪）：自然哲学的数学原理 经典力学理论 18、19世纪，卡诺、焦耳、克劳修斯等 宏观热力学理论 麦克斯韦、玻耳兹曼等 气体分子动力学 库仑、安培、奥斯特、法拉第、麦克斯韦等 电磁学 经典物理学 “There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement.” ， “two small, puzzling clouds remained on the horizon” 。 Kelvin 1900 5 现代物理： 爱因斯坦建立相对论； 玻尔、普朗克、德布罗意、海森伯、薛定鄂等建立量子力学 “There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement.” ， “two small, puzzling clouds remained on the horizon” 。 Kelvin 1900 6 远望六号 相对其它学科而言，物理学更着重于物质世界普遍 而基本规律的追求。 这些基本规律在具体情况下的应用 其他学科 物理学是一门基础科学 牛顿力学 工程力学、结构力学 、流体力学、振动、动力 电磁学 通信、电力等 热学 动力、制冷、制热 7 牛顿力学 热学 电磁学 振动与波动 量子力学基础 大学物理 （112学时） 波动光学 激光和半导体 狭义相对论 （上） （下） 课程目的： 学习基础知识 体会科学方法、物理思维 8 本学期授课安排 第1章： 绪论/质点运动学：3学时 第2章： 牛顿运动定律：11学时 第3章： 刚体力学：4学时 第4章： 流体运动简介：4学时 第5章： 狭义相对论： 8学时 第6章： 静电场：12 学时 第7章： 稳恒磁场：10学时 第8章： 电磁感应：10学时 习题课和复习：2学时 总学时：64学时 9 推荐参考书： 赵凯华等，新概念物理教程 力学电磁学，高等 教育出版社 费（恩）曼物理学讲义，上海科学技术出版公司 教材： 新版大学物理上下册、习题册（2011年1月出版） 请以班为单位到西115余老师集中购买。 10 如何描述机械运动 运动学 不涉及引起运动变化的原因。 力学是研究物体机械运动规律的一门学科。 机械运动是指物体位置随时间的变动。 动力学探讨运动发生变化的原因，即动力学 研究的是物体间的相互作用对机械运动的影响。 力学 (Mechanics) 动力学 (Dynamics) 运动学 (Kinematics) （位置、速度、加速度） （牛顿三定律） 应用：机械制造、土木建筑、甚至航空航天等 牛顿力学/ 经典力学 11 第一章 质点运动学 质点、参考系、位置矢量、位移 速度、加速度、相对运动 质点 （particles） 忽略物体的大小和形状，而将其抽象为一个有质量 而无大小和形状的几何点，这样的物体称为质点 为什么要引入质点这个概念： 实际问题 模型化、简单化、抽象化、理论化 解决实际问题 （多质点体系） 什么情况下可以把研究对象看成质点？ 一个物体各点的运动可以用其中任何一点来代表 12 第1节 位置矢量、位移、速度、加速度 参考系的选择原则上是任意的。但参考系不同， 对运动的描述可能是不同的。 1. 参考系 （reference frame ） 在描述一个物体的运动时，选作参考的其它 物体称为参考系, 也称参照系。 坐标系：选定参考系后，还只能对物体的机械运 动作定性描述。为了定量地说明一个质点相对于此 参考系的位置，还必须在参考系中建立固定的坐标 系。 坐标系是参考系的数学抽象。 13 2. 位置矢量(位矢)（position vector) x z z( t ) y( t ) x( t ) r( t ) P( t ) y o 方向： 大小： 在直角坐标系中 质点运动方程 轨迹方程的参数方程 消去t 得到的是轨迹方程 14 例1. 已知质点的运动方程 求：轨迹方程. 解：由运动方程可知 消去 t 得轨迹方程为 y z 4 15 3. 位移（displacement） 位置矢量的增量称为位移 y0 z x t时刻：质点在a 点 t +t时刻：质点在b 点 a . b .则经t后质点的位置变化 位移： 在直角坐标系中 16 注意： 1、位移 是 矢量 大小： 方向： 并且 2、位移与路程（distance） 一般情况, 位移 大小不等于路程. 位移是矢量, 路程是标量. P1 P2 两点间的路程是不 唯一的，位移是唯一的. 当t 0，位移大小等于 路程 =dS y0 z x a . b . 17 4. 速度 (Velocity) 平均速度 速度 y0 z x a . b . 方向: 沿质点在a点处的切线, 并指向运动的前方。 (瞬时速度) 注意： 18 方向: 在直角坐标系中 速率 spee d y0 z x a . b . 19 5. 加速度 (acceleration) 速度增量 x y z c b 0 加速度(瞬时加速度) 平均加速度 20 x y z c b 0 方向： 大小： 注意： 加速度的方向永远指向轨迹凹进的一侧. 的大小和方向 21 v a v a a v a v a v a v a v v g g v 在曲线运动中加速度的方向 总是指向轨迹的凹側。 原因：速度增量 v 必定 指向轨迹的凹側。 g v 在这两个例子中 a( 或 g ) 与 的夹角v 呈锐角时，运动变快； 呈钝角时，运动变慢； 呈直角时，快慢没变。 v a 22 在自然坐标系中 速度： 加速度： 可证 曲率半径 23 直接相关。引: 前述，运动变快或变慢，与 之间的方向 称 切向加速度 法向加速度 矢量关系： 大小关系： 24 单位切向矢量 单位法向矢量 大小是 1 运动曲线上任一点的 速度速率单位切向矢量 速度大小 的时间变化率 速度方向 的时间变化率 任一运动曲线 A 25 速度大小 的时间变化率 速度方向 的时间变化率 很好理解不太好理解 将 A、B 取 得无限靠近 ! C B 方向 与 相同 大小 1 曲线在A 处 的曲率半径 得 1 而 于是 26 任一运动曲线 A B C 曲线在A 处 的曲率半径 将 A、B 取 得无限靠近 ! 速度大小 的时间变化率 速度方向 的时间变化率 方向 与 相同 大小 1 得 1 而 于是 切向加速度： 法向加速度： 27 切向加速度： 法向加速度： 一般变速运动 取决与该