大学物理(石大)第一章-newa.ppt

大学物理教程 上册 任课教师：陈华东(物理学院基础物理系) 联系方式：8396747; 课件邮箱：dawu_ password: dawuupc 大学物理网站： /jpkc/C75/Course/Index.ht m 交作业时间：每周第一次上课 本学期授课内容: 大学物理教程上册 第 1 9 章 绪 论 ( Introduction ) 物理学研究的物质包括一切实物物质和一切场物质。 一、物理学的研究对象和内容: 物理学：研究物质的最基本、最普遍的运动形式以及物质 的基本结构的科学；是自然科学的基础。 空间尺寸：从微观粒子到浩瀚的宇宙（微观、宏观、宇观） 时间尺度：从微观粒子的寿命到宇宙的年龄。 物理学的分支： 物理学 经典物理 近代物理 力学 热学 电磁学 光学 原子物理 相对论 量子力学 时间 t 物 理 学 分 支 的 发 展 力学 电磁学 热学 相对论 量子论 1600 1700 1800 1900 物理学发展的前沿： 二、 物理学的地位与作用： 物理学不仅是自然科学得以发展的基础，而且是高新 技术发展的主要源泉；它能推动人类社会的进步，与 人类的生产活动和日常生活密不可分。 物理学的发展经历了三次大的突破，导致了三次工业革命。 1)17、18世纪 牛顿力学、热力学 第一次工业革命（蒸汽机） 认定基本粒子，揭示物质的组成 粒子物理学 v 人们从自己向小尺度研究： v 人们从自己向大尺度研究： 以探索宇宙的奥秘 天体物理学 3) 20世纪以来 相对论、量子力学 促进了原子能、计算机、激光等的广泛应用（信息化） 大学物理是高等工科院校的一门重要的必修基础课。 通过物理的学习，要求学生打好必要的物理基础， 学习科学的 思维方法和研究问题的方法，提高科学 文化素质。 2)19世纪70年代 法拉第 麦克斯韦的电磁理论 第二次工业革命（电气化） 三、物理学的方法论与科学观 4）逻辑推理与数学演算：用数学语言描述物理概念和物理 规律，用数学演算进行物理计算和物理推导。 物理学是一门实验科学，物理学的方法是自然科学最常用 最科学的方法。物理学的方法包括： 1）观察与实验：从新的观测和实验事实提出命题；或用 观察与实验的方法验证理论。 2）建立理想模型：用已知的原理和事实，突出主要因素， 建立理想的唯象的物理模型。 3）假 说：当实验事实与旧理论不相符时，根据事实提 出新的假说和原理。 四、如何学好大学物理？ 1、大学物理的特点: 内容：中学介绍特殊规律； 大学介绍普遍规律。 作业：中学作业量大；大学强调能力培养，作业量小。 预习：课前简单浏览教材，明确教学主要内容及难点。 上课：注意听讲，注重教师讲课的思路和基本概念、基本 原理、基本方法的理解。 复习：做作业前，认真阅读教材，并结合课堂教学的内容 进行复习。要自觉地看书，不依赖老师。 作业：认真独立完成全部作业，及时上交作业。 答疑：有问题及时答疑。 数学工具：中学应用初等数学； 大学应用高等数学。 进度：中学讲解细致、进度慢；大学强调自学、进度快。 2、学习方法与要求： 五、成绩考核与作业要求： 1、成绩考核: 期中考试 ： 10% 作 业： 10% 期 末考试： 80% 1）独立完成全部作业，及时上交作业。全学期作业次数不满 三分之二，不准参加期末考试。 作业纸上写上班级、姓名、 学号。 2、作业要求： 总成绩：满分100分 2）要求说明已知条件并画图，推导有简单文字说明； 中间步骤用字母表示，最后结果方代入数字。一般 使用国际单位制。 第一篇 力学 力学(mechanics)是研究物体机械运动的规律及其应用的 科学。通常把经典力学分为运动学（kinematics)、动力学 (dynamics)和静力学(statics)。 运动学：研究物体运动的描述。 动力学：研究物体运动与物体间相互作用的联系及其规律。 静力学：研究物体在相互作用下的平衡问题。 近代科学的诞生是从天文学上突破和开始的 波兰天文学家哥白尼(Nicolaus Copernicus，1473- 1543)划时代的杰作天体运行论，常被认为是近代科学 诞生的标志。 德国天文学家开普勒( Johannes Kepler，1571-1630 )提出了开普勒三定律，天文学才真正成为一门精确的科 学，成为近代科学的开路先锋他的定律强烈地暗示了太 阳对行星有一种吸引力，这为牛顿经典力学的建立提供了 基础。 古希腊伟大的思想家亚里斯多德的观点 经典力学的诞生 伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）的贡献 牛顿（Isaac Newton 1642-1727） 牛顿三定律以及万有引力定律形成了经典力学的 基础，完成了近代科学发展的第一次大综合 牛顿力学的局限性 爱因斯坦曾说过：“伽利略的发现以及他所用的科 学推理的方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且 标志着物理学的真正开端” 自然哲学的数学原理 第一章 质点运动学 一、绝对空间和绝对时间 绝对空间：空间是客观的，与物质、物质的运动无关， 空间的测量是绝对的 绝对时间：时间的存在是绝对的，与物质、物质的运动 无关，时间的测量是绝对的 二、空间的测量 从宇宙范围的尺度 微观粒子尺度 三、时间的测量 宇宙的年龄大约是 微观粒子的最短寿命是 1.1 空间和时间 经典力学应用的是绝对时空观的概念 1.2 质点运动的描述 一、质点（mass point） 相对性；理想模型；质点运动是研究物质运动的基础 二、参考系(reference frame)和坐标系(coordinate) 参考系：为了描述物体的运动而选取的标准物体。 （运动描 述的相对性） 在运动学中，参考系的选择是任意的 ；在动力学中则不然。 坐标系：直角坐标系、自然坐标系、极坐标系等 具有物体的质量，没有形状和大小的几何点。 说明 说明 三、质点位置的描述方法 1、坐标标法 位置矢量的方向: 位置矢量的大小： 在直角坐标系中: 3、自然坐标标法 2、位置矢量法(position vector) 四、运动方程 质点的位置随时间变化的函数关系，称为质点的运动方程。 在直角坐标系中， 根据轨迹的形状，质点运动分为直线运动 和 曲线运动。 质点在空间连续经过的各点连成的曲线即质点的运动轨迹。 五、轨迹方程(trajectory) 从运动方程中消去t，则可得： 或： 例题1 一质点的运动方程是 其中和是正值值常量。 求：（1）任意时刻质点的位置矢量； （2）质点的轨迹方程； （3）从 t=0 到任意时刻t ，质点的始末位置对坐标原 点o的张角。 （4）从t=0 到任意时刻 t，质点运动的路程。 解 (1) 质点任意时刻的位置矢量为 (2) 由运动方程 消去 t，可得质点的轨迹方程 （3）由运动方程可知，t=0 时质点的位置P0点的坐标为 由图可知，任意时刻t质点位置P点的坐标为 与运动方程相比较可得到 （4）质点从t=0到任意时刻t质点运 动的路程s是弧长 在直角坐标系中： 从质点初位置到质点末位置所引的矢量 定义为位移 。 位移矢量的大小 位移矢量的方向 一、位移矢量(displacement) 1.3 位移 速度 加速度 1 1） 和 是两个不同的概念。 4 ）位移只取决于初末位置，与原点的选择无关 （位矢与原点的选择有关）。 3）位移与路程的区别： 2）位移大小 与位矢大小增量 的区别： 说明 与 dr 相等吗？ 思考题： 二、速度矢量（Velocity）: 表示质点运动快慢及方向的物理量。 1、平均速度 2、速度 方向沿切向，并指向前进方向。 在直角坐标系中： 速度大小 平均速度和平均速率；瞬时速度和瞬时速率 定义： 定义：平均加速度 = 大小： 瞬时加速度: 方向：t0 时 的极限方向。在曲线运动中， 总是指向曲线的凹侧。 三、加速度矢量（acceleration）: 表示速度变化的快慢的物理量。 在直角坐标系中： 加速度的方向 加速度的大小 其中分量为 解 根据质点速度的定义 则有 速度的大小 根据质点加速度的定义 例题1 已知质点的运动方程是 式中 、 都是正值常量。 求质点的速度和加速度的大小，并讨论它们的方向。 加速度的大小 则有 根据矢量的点积运算，分别计算 质点做匀速率圆周运动。质点的速度沿圆的切线方向 ，加速度沿半径指向圆心；速度和加速度互相垂直。 结论 1.4 变 速 运 动 一、运动学中的两类问题 1、已知质点的运动学方程求质点的速度、加速度等问 题常称为运动学第一类问题 2、由加速度和初始条件求速度方程和运动方程的问题称 为运动学的第二类问题 微分 积分 解 由加速度的定义式得 作变换 有 根据初始条件作定积分 可得 例题题2 一质质点沿 x 轴轴正向运动动，其加速度与位置的 关系为为 a=3+2x。若在 x = 0处处，其速度v0 = 5m/s，求质质点运 动动到 x3m处时处时 所具有的速度v。 解 选取竖直向上为轴的正方向，坐标原点在抛点处。 设小球上升