大学物理全套课件

绪论Introduction一 物理学 Physics 研究内容 研究物质结构 相互作用 物质基本运动 相互转换的规律 研究对象 物质 Matter 物质形态 实物和场实物 微观粒子和宏观物体场 引力场 电磁场 介子场物质属性 运动 粒子和波动图象相互作用 引力 电磁 强 弱四种相互作用实物和场的相互作用是由场来传递的 人类科技发展史上的工业革命与物理学的关系 第一次工业革命 工业的机械化 瓦特的蒸汽机 基础 牛顿力学和波尔兹曼等创立的热力学 第二次工业革命 工业的电气化 发电机 电动机 基础 法拉第与麦克斯韦等建立的电磁学 第三次工业革命 工业的自动化与核能的应用 计算机 光通讯 核弹 核能发电 基础 爱因斯坦的相对论 普朗克 爱因斯坦 波尔 薛定鄂等创立的量子力学 第四次工业革命 工业的信息化 纳米技术 基因工程 超导体应用 基础 现代物理学研究的理论与技术 二 大学物理课程内容 力学mechanics 机械运动和时空性质电磁学electromagnetics 电磁场运动规律和电磁相互作用波动学 宏观领域的波动规律 机械波 电磁波 光波热学 大量分子组成的热力学系统的统计规律和宏观规律量子论quantum 微观粒子的波粒二象性和量子运动特征 大学物理与中学物理的关系与差别 1 中学物理是学习大学物理的基础 大学物理是中学物理的继承与发展 但不是简单的重复 2 有三点主要差别 1 研究的对象不同 由简单到复杂 由特殊到一般 如 由匀速到变速 由恒力到变力 由均匀到非均匀 质点到刚体等 2 研究的方法和使用的工具不同 如 由初等数学到高等数学 由标量到矢量 由实数到复数等 3 研究的目的不同 如 由只知其然到知其所以然 由了解知识到应用知识 大学物理的重要性 1 大学物理在培养动手能力与创新精神方面的作用是任何其他学科不可替代的 2 大学物理的基本知识是21世纪高科技人才的知识结构中必不可少的 3 大学物理的基本知识是理工科大学生学好专业课与进一步深造的基本保障 学习知识有个规律 懂 会 熟 巧 要求抓好以下几个环节 1 有针对性的预习 2 认真的听讲 3 必要的复习 4 按时 独立地完成作业 关键是要动手动脑 勤于思考 多加练习 第一篇力学基础一 发展过程经典力学 牛顿力学 适用于低速宏观领域 是整个物理学的基础 广泛应用于工程技术相对论 高速领域必须考虑量子论 微观领域必须考虑二 研究方法实验结果 物理模型 推论 预言 实验 四 力学 Mechanics 研究对象 机械运动 运动学 kinematics 物体位置随时间的变化规律 只描述物体的运动 不涉及引起运动和改变运动的原因 动力学 dynamics 物体在力的作用下的运动规律 静力学 statics 研究物体在相互作用下的平衡问题 不涉及运动 研究力 力矩 五 矢量 vector 及其运算 矢量 有大小 方向 并有下述运算规则 3 标量积 不交换 思考 下列运算 合法 吗 第一章运动的描述 1 1参考系坐标系物理模型 1 2运动的描述 1 3相对运动 力学中的运动学问题 包括质点运动和刚体的定轴转动 同一运动的物体 在不同的参考系中对物体运动的描 VA VB VB VC VD 0 则B车的运动情况如何 1 运动的绝对性 运动是物质的基本属性 一 运动的绝对性 Absolutivity 和相对性 Relativity 1 1参考系坐标系物理模型 2 运动描述的相对性 对于同一种运动 由于参照 的物体选择的不同而有不同的描写 若有A B C三车 沿平直公路水平向左行驶 且 述不同 参考系 为了描述一个物体的运动 必须选择另一 二 参考系 Referencesystem 在大多数情况下 以地球为参考系 基本参考系 个物体作为参考 被选作参考的物体称为参考系 3 参考系选定后 选用不同的坐标系对运动的描 写是相同的 2 参考系与坐标系的区别 对物体运动的描写决 定于参考系而不是坐标系 1 坐标系 为了定量地确定质点的空间位置而固 定在参考系上的一个计算系统 三 坐标系 Coordinatesystem 四 物理模型 Physicsmodel 1 质点 Particle 可以不计其形状与大小的物体 可以将物体简化为质点的两种情况 物体不变形 不作转动 平动 此时物体上各点的速度及加速度都相同 物体上 任一点可以代表所有点的运动 包括质点系 此时物体的变形及转动显得并不重要 物体本身线度和它活动范围相比小得很多 R地球 6 4 102km 2 刚体 Rigidbody 在任何情况下都不发生变形的物体 质点和刚体是力学中所遇到的最初的物理模型 出较准确的物理模型 以突出所提出问题中最基本的 总之 选择合适的参考系 以方便确定物体的运动性 质 建立恰当的坐标系 以定量描述物体的运动 提 运动规律 1 2运动的描述 一 描述质点运动的四个物理量 确定物体的空间位置 Positionvector 运动方程 运动方程 质点位置坐标随时间的变化函数关系 运动方程例子 匀速率圆周运动 斜抛运动 轨迹 质点在运动时所描绘出的空间径迹 从运动方程中消去时间t可得轨迹方程 例 匀速率圆周运动 消去t 得到 x2 y2 R2 A B 2 位移 Displacement 反映物体空间位置的变化 问题 路程和位移有什么不同 单位 t 2s 试求 质点在2秒末到4秒末的位移 例 一质点在xoy平面内按x t2的规律沿曲线 y t6 320运动 其中x y以cm为单位 t以s为 解 t 4s x 16 0 y 12 8 x 4 0 y 0 2 3 速度 Velocity 反映物体位置变化的快慢 平均速度只能粗略反 平均速度 A B 映一段时间内物体位 置变化的快慢情况 瞬时速度 瞬时速度精确反映 A B B趋近于A A点瞬时速度的方向 物体在某一瞬间位 置变化的快慢情况 为曲线上过A点切线 的方向 速率 speed 平均速率 Averagespeed 瞬时速率 Instantaneousspeed 瞬时速率简称为速率 时 速度的大小 速率是标量 瞬时 速率等于 瞬 4 加速度 Acceleration 反映速度变化的快慢情况 平均加速度 粗略 瞬时加速度 精确 1 轨迹方程 2 瞬时速度的大小 式中r以m计 t以s计 试求 3 瞬时加速度 解 1 运动方程分量式为 从运动方程分量式中消去t得轨迹方程 2 瞬时速度 3 瞬时加速度 2 上述时间内的平均速度 1 t 1s到t 2s的位移 3 t 1s及t 2s时刻的瞬时速度 4 上述时间内的平均加速度 5 t 1s时刻的瞬时加速度 求 任一位置船之速度 等式两边微分得 解二 二 曲线运动的描述 1 平面曲线运动 讨论 物体在匀速率圆周运动中速度大小不变 只 近日点 远日点 对于任意曲线运动 Curvatureradius 角位置角位移 2 圆周运动 角速度 angularvelocity rad s 1 平均角速度 瞬时角速度 角加速度 平均角加速度 瞬时角加速度 rad s 2 线量和角量的关系 例 一质点作圆周运动 其路程与时间的关系为 求质点在t时刻的速度 t为何值时 质点的切向加速度和法向加速度 的大小相等 解 s v0t bt2 2 v0和b都是正的常数 由前面得到 解得 刚体 特殊的质点系 平动 各点运动完全相同 三 刚体定轴转动的描述 1 刚体 在任何情况下都不发生变形的物体 2 刚体运动的基本形式 平动 刚体中任意两点的连线在运动中始终保持彼 此平行 3 定轴转动的描述 特点 各点都做圆周运动相 因此 刚体上任一点的角速 转动 刚体围绕某一固定直线作圆周运动 同时间内转过相同的 角度 有相同的角速 度和角加速度 度和角加速度就称为刚体 的角速度和角加速度 角速度矢量 右手螺旋法则 说明 角速度矢量叠加时服从平行四边形法则 角加速度也是矢量 在定轴情况下 和 只有两个方向 可用正 负来区别 第一类问题 求导问题 第二类问题 积分问题 四 运动学中的两类问题 在求解第二类问题过程中还必须已知在t 0时刻 质点的速度及位置坐标