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UniversityPhysics 郑州大学基础物理教学中心潘志峰电话Q 176102768 一 什么是物理学 WhyandHowto 物理学是研究物质世界最基本形态的科学 物理学研究的范围 物质世界的层次和数量级 物理学 Physics 微观粒子Microscopic 介观物质mesoscopic 宏观物质macroscopic 宇观物质cosmological 绪论 最小的细胞 原子 原子核 基本粒子 DNA长度 星系团 银河系 最近恒星的距离 太阳系 太阳 山 哈勃半径 超星系团 人 蛇吞尾图 形象地表示了物质空间尺寸的层次 按空间尺度划分 量子力学经典物理学宇宙物理学 按速率大小划分 非相对论物理学相对论物理学 按客体大小划分 微观系统宏观系统 按运动速度划分 低速现象高速现象 实验物理 理论物理 计算物理 今日物理学 物理学的发展 牛顿力学 Mechanics 研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律 热力学 Thermodynamics 研究物质热运动的统计规律及其宏观表现 电磁学 Electromagnetism 研究电磁现象 物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律 相对论 Relativity 研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律 量子力学 Quantummechanics 研究微观物质运动现象以及基本运动规律 二 物理学的五大基本理论 物理学是一门最基本的科学 是最古老 但发展最快的科学 它提供最多 最基本的科学研究手段 物理学是一切自然科学的基础 物理学派生出来的分支及交叉学科 物理学构成了化学 生物学 材料科学 地球物理学等学科的基础 物理学的基本概念和技术被应用到所有自然科学之中 物理学与数学之间有着深刻的内在联系 粒子物理学 原子核物理学 原子分子物理学 固体物理学 凝聚态物理学 激光物理学 等离子体物理学 地球物理学 生物物理学 天体物理学 宇宙射线物理学 三 物理学是构成自然科学的理论基础 四 物理学与技术 20世纪 物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科 热机的发明和使用 提供了第一种模式 电气化的进程 提供了第二种模式 核能的利用 激光器的产生 层析成像技术 CT 超导电子技术 粒子散射实验 X射线的发现 受激辐射理论 低温超导微观理论 电子计算机的诞生 1947年贝尔实验室的巴丁 布拉顿和肖克来发明了晶体管 标志着信息时代的开始 1962年发明了集成电路 70年代后期出现了大规模集成电路 1925 26年建立了量子力学 1926年建立了费米 狄拉克统计 1927年建立了布洛赫波的理论 1928年索末菲提出能带的猜想 1929年派尔斯提出禁带 空穴的概念同年贝特提出了费米面的概念 1957年皮帕得测量了第一个费米面 超晶格材料 纳米材料 光子晶体 晶体管的发明 大规模集成电路 电子计算机 信息技术与工程 几乎所有的重大新 高 技术领域的创立 事先都在物理学中经过长期的酝酿 当今物理学和科学技术的关系 两种模式并存 相互交叉 相互促进 没有昨日的基础科学就没有今日的技术革命 李政道 量子力学 能带理论 人工设计材料 五 物理学的方法和科学态度 提出命题 推测答案 理论预言 实验验证 修改理论 现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学 从新的观测事实或实验事实中提炼出来 或从已有原理中推演出来 建立模型 用已知原理对现象作定性解释 进行逻辑推理和数学演算 新的理论必须提出能够为实验所证伪的预言 一切物理理论最终都要以观测或实验事实为准则 当一个理论与实验事实不符时 它就面临着被修改或被推翻 六 怎样学习物理学 物理学学习理念之一爱因斯坦 兴趣是最好的老师 既要理解物理学习的基础性 又要注意它的时代性和前沿性 既要深入探知物理规律的内涵和意义 又要适当联系它在高新技术中的应用 感受物理学新颖 深刻 有用 从而提高学习物理的兴趣 物理学习理念之二海森堡 科学扎根于讨论 讨论是科学赖以生长 繁荣的土壤 讨论可以使学习深入 讨论能够激发创新的火花 物理学习理念之三李政道 物理学的精髓在于创新 物理学是在不断探索 不断发现 不断创新中发展起来的 没有创新就没有今天的物理学 著名物理学家爱因斯坦说 七 教材与参考书 大学物理学 张三慧主编清华大学出版社 大学物理学习指导 张孝林主编科学出版社 费曼物理学讲义 教材 物理学 马文蔚主编高等教育出版社 参考书 R P Feynman 1918 1988 美国物理学家 诺贝尔物理奖获得者 本学期教学内容 力学 电学 课前预习 培养自学能力 看第一遍书 听课 弄懂有疑问的部分 记笔记 看书 进一步弄懂课堂讲授内容 看第二遍书 辅导答疑 解决问题 加深对教材的理解 总复习 通读全书 将所学内容串为一体 看第三遍书 做作业 养成踏踏实实 一丝不苟良好习惯 1 掌握正确的学习方法 2 注意与中学物理的区别标量 矢量 恒量为主 变量为主 定性分析 定量计算3 打好数学基础要想学好物理 必须有良好的数学知识作为基础 尤其要注意以下几个方面 坐标系的建立和使用 导数和积分的意义 标量积 矢量积 4 纪律要求不得无故旷课 不迟到 早退 5 总评成绩 期终考试 结合平时表现 第1章质点运动学 主要内容 1 质点位置的确定方法 2 质点的位移 速度和加速度 3 圆周运动的角量描述角量与线量的关系 4 不同参考系中的速度和加速度变换定理简介 1 1质点位置的确定方法 一 质点运动学的基本概念 质点 有质量而无形状和大小的几何点 突出了质量和位置 质点系 若干质点的集合 x y z O 参照物 参考系 参照物 坐标系 1 运动学中参考系可任选 参照物 用来描述物体运动而选作参考的物体或物体系 P 2 参照物选定后 坐标系可任选 3 常用坐标系 直角坐标系 x y z 球坐标系 r 柱坐标系 z 自然坐标系 s 二 确定质点位置的常用方法 1 直角坐标法P x y z 2 位矢法 表示 位矢的大小为 位矢的方向用方向余弦表示 则有 参考物 质点某时刻位置P x y z 由位矢 3 自然坐标法 已知质点相对参考系的运动轨迹时 常用自然法 4 运动学方程 函数 直角坐标下 自然坐标下 已知运动学方程 可求质点运动轨迹 速度和加速度 意义 一质点作匀速圆周运动 半径为r 角速度为 以圆心O为原点 建立直角坐标系Oxy O 点为起始时刻 设t时刻质点位于P x y 用直角坐标表示的质点运动学方程为 位矢表示为 自然坐标表示为 例 解 求 用直角坐标 位矢 自然坐标表示的质点运动学方程 求 解 h x 坐标表示为 例 如图所示 以速度v用绳跨一定滑轮拉湖面上的船 已知绳初长l0 岸高h 取坐标系如图 依题意有 质点运动学的基本问题之一 是确定质点运动学方程 为正确写出质点运动学方程 先要选定参考系 坐标系 明确起始条件等 找出质点坐标随时间变化的函数关系 O 船的运动方程 说明 1 2质点的位移 速度和加速度 一 位移 位移矢量反映了物体运动中位置 距离与方位 的变化 讨论 1 位移是矢量 有大小 有方向 位移不同于路程 2 位移与参照系位置的变化无关 3 与 r的区别 O P P O O 分清 二 速度 描述物体运动状态的物理量 1 平均速度 O 2 瞬时速度 A B B 讨论 1 速度的矢量性 瞬时性和相对性 2 注意速度与速率的区别 三 加速度 1 平均加速度 2 瞬时加速度 讨论 1 加速度反映速度的变化 大小和方向 情况 A B O 2 加速度的方向总是指向轨迹曲线凹的一面 结论 1 3用直角坐标表示位移 速度和加速度 一 位移 x y z O 时刻t 质点位于P 位矢为 时刻t t 质点位于Q 位矢为 时间 t内质点的位移为 建如图所示坐标 则 二 速度 1 平均速度 2 瞬时速度 速度的大小为 速度的方向用方向余弦表示为 三 加速度 大小为 方向用方向余弦表示为 四 运动学的二类问题 1 第一类问题 已知运动学方程 求 1 t 1s到t 2s质点的位移 3 轨迹方程 2 t 2s时 已知一质点运动方程 求 例 解 1 2 3 当t 2s时 由运动方程得 轨迹方程为 解 已知 求 和运动方程 代入初始条件 代入初始条件 2 第二类问题 已知加速度和初始条件 求 例 t 0时 由已知有 1 4用自然坐标表示平面曲线运动中的速度和加速度 一 速度 速度矢量在切线上的投影 二 加速度 第一项 方向为 意义 第二项 反映速度大小变化的快慢 大小为 叫切向加速度 叫法向加速度 当 时 因而 法向加速度 大小为 方向为 反映速度方向变化的快慢 意义 加速度 曲率半径 一汽车在半径R 200m的圆弧形公路上行驶 其运动学方程为s 20t 0 2t2 SI 根据速度和加速度在自然坐标系中的表示形式 有 例 汽车在t 1s时的速度和加速度大小 求 解 讨论 在一般情况下 其中 为曲率半径 引入曲率圆后 整条曲线就可看成是由许多不同曲率半径的圆弧所构成 的方向指向