物理疑难问题-2011.12.1.pptVIP

物理疑难知识剖析物理疑难知识剖析 浙江省教育厅教研室浙江省教育厅教研室 王耀村王耀村 20201111年年1212月月 杭州杭州 我的目的不是教你们如何应付考试，甚至不是让你 们掌握这些知识，以便更好地为今后你们面临的工 业或军事工作服务。我最希望的是，你们能够像真 正的物理学家一样，欣赏到这个世界的美妙。物理 学家们看待这个世界的方式，我相信，是这个现代 化时代真正文化内涵的主要部分。 理查德费恩曼（Feynman） 物理学在20世纪取得了令人惊讶的成功。 它改变了我们对空间和时间、存在和认识的 看法，也改变了我们描述自然的基本语言。 温伯格 一、什么是物理学一、什么是物理学 赵凯华:力学 物理学是探讨物质结构 和运动基本规律的学科 。 第23届国际纯粹物理与应用物理联合大会指出： 物理学 研究物质、能量和它们的相互作用的学科 。 一、什么是物理学一、什么是物理学 物理学研究的范围 空间尺度 10-15m (核子） 1026m（约150亿光年）（哈勃半径） 时间尺度 10-25s(Z0粒子寿命） 1018s（约150亿年）（宇宙年龄 ） 速度范围 0（静止） 3 108m/s（光速） 微观 宏观 宇观 物理学的基本框架 经 典 物 理 学 力学（实 物粒子） 电磁学（ 场） 热力学统 计物理 相对论 力学 量子力 学 量子统 计力学 相对论量 子力学 相对论量 子场论 激光物理、半导体物理、原子物理、核物理 生物物理、化学物理、地球物理、海洋物理 当代物理学的特点 以相对论、量子理论为基础 观察和实验的手段及设备越来越精密 学科交叉 与新技术密切相关 物理学是一门物理学是一门 理论和实验高度结合的精确的科学理论和实验高度结合的精确的科学 怎样学 “物”物质世界 “理”普遍规律 知识、方法、科学观念 勤于思考，悟物穷理。 赵凯华 物理书都充满了复杂的数学公式，可是思想 及理念，而非公式，才是每一物理理论的开端 。 如果一个人掌握了他的学科基础理论，并且 学会了独立思考与工作，他必定会找到自己的 道路。 爱因斯坦 怎样学 我没有什么别的才能， 只不过喜欢刨根问底地追究问题罢了。 怎样学 时间、空间是什么，别人在很小的时候就搞 清楚了，我智力发展迟缓，长大了还没有搞清楚 ，于是一直揣摩这个问题，结果也就比别人钻研 得更深一些。 爱因斯坦 二、如何理解牛顿第一定律 牛顿第一定律的表述 表述1：一切物体在没有受到外力的作用时，总保持 静止状态或匀速直线运动状态。 表述2：任何物体，只要没有外力改变它的状态，便 会永远保持静止或匀速直线运动的状态。 表述3：自由粒子永远保持静止或匀速直线运动的状态 。 牛顿第一定律： （1）说明物体具有惯性 （2）确定了力的概念（定性定义） 注意： 经验的概括，不能实验证明。 只成立于惯性系。 所涉及的物体都是质点。 二、如何理解牛顿第一定律 牛顿第一定律在经典力学中的地位 1.经典力学基本原理 （1）力与运动的关系：牛顿第一定律和第二定律。 （2）普遍力的规律：牛顿第三定律和力的叠加原理。 （3）具体力的规律：万有引力定律、胡克定律等。 2. 牛顿第一定律是其他原理的前提和基础 二、如何理解牛顿第一定律 问题1：牛顿第一定律是第二定律的特例（a=0）吗？ 问题2：牛顿第一定律应当表述为物体在平衡力作用下 保持静止或匀速运动的状态。 问题3：由牛顿第一定律可知，转动物体存在转动惯性 。 问题4：物体只有在运动状态变化时，才存在惯性。 二、如何理解牛顿第一定律 如图，将一玻璃瓶装水后密封，平放在水平桌面上，在 瓶的中部有一小气泡，处于静止状态。现用力突然将瓶 向前推动一下，使其在桌面上向前运动一段距离后停止 ，则气泡相对于瓶的运动情况是 A.向前 B.向后 C.先向前，再向后，最终回到原来位置 D.先向后，再向前，最终回到原来位置 二、如何理解牛顿第一定律 春暖河开，冰面上一块石头逐渐下陷。有人说“冬天冰 硬，冰面对石头的作用力等于石头的压力，石头不下陷 。春天冰面变软，它对石头的作用力达不到石头的压力 ，所以，石头下陷。”，这种解释对吗？ 二、如何理解牛顿第一定律 重力 摩擦力 弹力 拉力 推力 电力 磁力 动力 阻力 压力 浮力 吸力 斥力 风力 水力 分子力 牵引力 三、力与力的分类 力的本质 万有引力 电磁力 强力相互作用力 弱力相互作用力 力的宏观 性质 重力 摩擦力 弹力 电场力 力的作 用效果 拉力 推力 压力 阻力 磁场力浮力 力的来源 风力 水力 分子力 动力 重力：由于地球的吸引而使物体受到的力。 F G Fn 问题：重力与万有引力是否是一回事？ 问题：弹力是电磁相互作用吗？ 当物体发生形变时，物体中分子原子间的距离 发生改变，原子或分子间的电磁力就要反抗物 体发生形变，这就形成了通常所说的弹力。 四、如何理解摩擦力 当相互接触的物体作相对运动或有相对运动的趋 势时, 它们之间就有摩擦力。 摩擦 湿摩擦（内摩擦）：液体内部的摩擦 或液体和固体的摩擦 干摩擦（外摩擦）：固体表面之间的摩擦 干摩擦：静摩擦、滑动摩擦、滚动摩擦 当物体有滑动趋势但尚未滑动时, 作用在物体上的 摩擦力称为静摩擦力。 1. 静摩擦力 0是静摩擦系数。 静摩擦力的大小：0 f0 = 0 N 静摩擦力的大小由外力的大小决定 N F f 四、如何理解摩擦力 2. 滑动摩擦力 一个物体在另一个物体表面上滑动时,接触面上产生 的摩擦力, 称为滑动摩擦力。 f = N 是滑动摩擦系数, 它与接触物 体的质料、表面状况和相对速 度有关。 f f0 v 0 四、如何理解摩擦力 问题：滑动摩擦力跟接触面积的大小是否有关？ 实际接触面积属于原子尺度，它只占总的几何接触面积的一个 极微小部分，而摩擦力的出现是由于在原子接触的这些微小区 域内原子之间的相互作用力。原子接触面积占几何接触面积的 比例，正比于法向力除以几何接触面积。法向力增大一倍，原 子接触面积也增大一倍，摩擦力也增大一倍。但如果几何接触 面积增大一倍，而法向力不变，则原子接触面积占几何接触面 积的比例减小一半，即原子接触面积的实际面积不变，因而摩 擦力不变。 四、如何理解摩擦力 问题：使百米赛跑运动员加速的是什么力？ 四、如何理解摩擦力 流体的阻力 物体在气体或液体中相对运动时，受到的阻力作用。 阻力大小：与流体的密度、粘滞性有关，还与运动物 体的速度、形状等因素有关。 球形物体在流体中的阻力： F=6 r v （斯托克斯公式） 速度较小时，F=k v 速度较大时，F=k v2 四、如何理解摩擦力 1.凹凸说 固体表面存在凹凸，两个表面的 凹凸部分以彼此啮合的状态相接 触，当两物体相对滑动时，必须 顺着其凸部反复抬起，或者使凸 部产生形变，于是便产生摩擦。 问题：接触面越光滑摩擦力就越小吗？ 四、如何理解摩擦力 2.黏合说 德萨古利埃的分子说： 产生摩擦的真正原因在于摩擦面的分子力的作用。 固体表面越光滑，表面更接近，分子力影响越大， 摩擦力就越大。 他预言:只要把平面无止境地研磨得很光滑，摩擦 会增大的。 四、如何理解摩擦力 哈迪：充分研磨和洗净的玻璃表面实验 结论：充分研磨了的表面摩擦力大，而且，摩擦的 痕迹也扩大。 2.黏合说 哈迪:用实验证实了预言。 四、如何理解摩擦力 二接触面的凹凸部分主要是在凸部上以互压在一起状态 相接触。二物体实际接触部分只为外观面积的几百分之 一到几万分之一。即使表观压力不大（1N/cm2），在接 触的凸部产生高达数百到数万N/cm2的压力，使凸部发 生形变。表面的极薄的污染膜被破坏，发生二固体基质 本身的黏合。这种黏合是分子原子力的表现。当二 面相对运动时，黏合面被剪切而断裂，剪切力就是宏观 表现的摩擦力。 2.黏合说 四、如何理解摩擦力 表面污染对摩擦的影响。 表面多层污染膜：氧化膜、吸附分子膜、普通脏污膜 凹凸说：表面污染膜不影响摩擦 黏合说：污染膜将阻隔分子间的作用，减小摩擦 实验证明：污染膜要减小摩擦，干净的固体表面摩擦 系数增大。 四、如何理解摩擦力 现代摩擦理论中，在因黏合而导致的摩擦现象的解释 中，表面的塑性变形有很大作用，而塑性变形又直接依 赖于凹凸的大小。 除黏合说外，在极光滑表面摩擦机理解释中，还有静 电作用。 由于分子力的电磁本性，摩擦力也是由电磁相互作用 引起的。 四、如何理解摩擦力 四、如何理解摩擦力 F1 F2 f2 f1 四、如何理解摩擦力 vc r O C f 当物体在支承面上有滑动时,受 到滑动摩擦力： f = N，方向与 滑动方向相反 vO= vC r 0 当：vO 0，O点向前滑，汽车刹车，f 向后 当：vO 0，O点向后滑，汽车打滑，f 向前 滚动物体的摩擦 四、如何理解摩擦力 滚动物体与支承面都是刚体，作纯滚动，受 到静摩擦力 vc M r O c 主动轮 vc r O c 从动轮 ff 四、如何理解摩擦力 f v0 G O c N v O c N G O c N G f 四、如何理解摩擦力 r 滚动摩擦力矩：M=N， 具有长度的量纲 N vCc r G N 四、如何理解摩擦力 N F f r 若轮匀速前进：f r=N F=f =(/r ) N = N (/r ) N滚动摩擦力 实际上，是把滚动简化为“等效的平动”来处理了 四、如何理解摩擦力 s F F s1 F s W=F s W=F (s+s1) W=F s 五、如何理解功 问题1：功的大小依赖于参照系的选取吗？ 问题2：滑动摩擦力总是作负功吗？ v f F 五、如何理解功 问题3：人走路过程中摩擦力做功吗？ 若脚与地面没有相对滑动，地面对人的摩擦 力是静摩擦力。 问题4：人走路过程中地面支持力做功吗？ 五、如何理解功 问题6：作用力的功等于反作用力的功吗？ f s f地对物： f物对地： 做功 不做功 地面为参照物 例1：物块在地面上滑动 五、如何理解功 F2对1 F2对1：做功0 F1对2：做功0 q1q2 F1对2 若m1与m2不同，则W1与W2不同。 例2：两个同号电荷 问题6：作用力的功等于反作用力的功吗？ 五、如何理解功 F人对车：做功0 F车对人：做功0 人与车始终保持接触，人与车在如何时间间隔通过路 程相等。作用力与反作用力的功等大而异号。 问题6：作用力的功等于反作用力的功吗？ 例3：人推车，地面参照物 作用力的功与反作用力的功不存在确定的关系 。 五、如何理解功 六、电能是如何传输的？ 解释：开关一接通，导线中的自由电子在电压 的作用下流向负载，形成电流。在流动的电子 达到负载时，负载就得到能量，亮了起来。 问题：电磁能是怎样沿导线传输的？ 电 源 开关 E 金属导电的微观图像经典电子论 自由电子平均热运 动速率：105m/s 自由电子漂移速 率：10-4m/s 这种宏观上的漂移运动形成了宏观电流。 恒定电路：电路中的电流分布不随时间变化。 恒定电路：电路中电荷分布或电场分布不随时 间变化。 六、电能是如何传输的？ +- 外电路断开 电 源 +- 电 源 外电路接通 E E K + 六、电能是如何传输的？ 六、电能是如何传输的？ 在电场力作用下，把电 能转化为其他形式的能 E E K + 用电器 I I I 在非电力作用下，克服 电场力做功，把其他形 式的能转化为电能 电磁波的传播过程中伴随着能量的传播，单位时 间内通过垂直于传播方向的单位面积的能量称为 能流密度。电磁波的能流密度称为坡印廷矢量。 六、电能是如何传输的？ 能量从电源向周围空间发出，在电阻很小的导线 表面沿着切线前进，流向负载。在电阻较大的负 载表面，能量将以较大的法线分量输入，在导线 表面经过折射，直指它的中心。 六、电能是如何传输的？ 电磁能不是通过电流沿导线内部从电源传给负