第1章 物理学和力学

第一章物理学和力学 1 1发展着的物理学 1 2物理学研究的方法 1 3时间和长度的测量 1 4单位制和量纲 1 5数量级估计 1 6参考系 坐标系与时间坐标轴 1 7力学 学习物理学的开始 第一章物理学和力学 没有今日的基础科学 就没有明日的科技应用 可以想象 我们现在的基础科学将怎样地影响21世纪的科技文明 李政道 物理学属于基础科学范畴 是一门素质课 物理思想和物理方法是一个科学工作者灵感之所在 基础之所在 力学 学习物理学的开始 1 1发展着的物理学 1 1 1经典物理学与现代物理学 经典物理学 经典力学 经典热力学 经典统计物理学 经典电磁学 现代物理学基础 狭义相对论 量子力学 广义相对论 牛顿 开普勒 伽利略 他们为经典力学的建立做出贡献 玻尔兹曼 他们为经典热力学统计物理的建立做出贡献 他们为经典电磁理论的建立做出贡献 X射线 电子 放射性的发现 物理学的研究由宏观转向微观 伦琴发现X射线 J J Thomson发现电子 A H Becquerel发现放射性 爱因斯坦 他们奠定了现代物理学基础 1 1 2微观世界 1914年卢瑟福发现 射线 射线 建立了原子有核模型 电子的发现 确认了原子是可分的 为探索原子结构以及为探索更深层次的结构开辟了道路 物质是由轻子和夸克组成 轻子有电子 子 子 电子中微子 子中微子和 子中微子 每一种均有反粒子 共有12种 夸克有6种味 即上夸克 下夸克 奇异夸克 粲夸克 底夸克和顶夸克 每种味又分红 蓝和绿3种色 粒子之间有四种基本相互作用 引力相互作用 电磁相互作用 弱相互作用和强相互作用 粒子之间的基本相互作用是通过交换某种粒子来传递的 即基本相互作用都是由媒介粒子传递的 这类媒介粒子统称为规范玻色子 电磁力以光子为媒介 弱力的媒介为Z0和W 粒子 强力的媒介有8种颜色的胶子 1 1 3宇宙的早期演化 1 1 4非线性系统的复杂行为 一旦系统出现非线性 便可能呈现复杂行为 这种复杂行为有时会表现为规则的时空或功能有序 有时也会表现为貌似无序的序 复杂行为不仅能发生于物理和化学系统 也能发生于生命和社会系统 1 2物理学科的特点 一 物理学的研究方法和步骤 修改理论 理论预言 研究的步骤 二 物理学思维特点 敢于想像 善于归纳 创设模型 三 物理学与科学技术 笫一次 开始于18世纪60年代 主要标志是蒸汽机的广泛应用 它是牛顿力学和热力学发展的结果 笫二次 开始于19世纪70年代 主要标志是电力的广泛应用和无线电通讯的实现 它是电磁学发展的结果 笫三次 开始于20世纪40年代的电脑 电信革命 也叫做 数字革命 它是近代物理学发展的结果 科学解决理论问题 技术解决实际问题 发展模式 技术 物理 技术物理 技术 物理 第一次技术革命 第二次技术革命 目前国际通用的时间单位是秒 s 为提高精度 1967年国际计量大会决定采用原子的跃迁辐射作为计时标准 并规定铯 133原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的9192631770个周期的持续时间作为1s 这样的原子标准称为原子时 1 3 1时间的计量 一切周期运动都可用来量度时间 1 3时间和长度的测量 可用物体来计量长度 如古代测量长度常以人体的某部分作为单位和标准 近代的测量长度单位是在法国的米制单位发展起来的 规定通过巴黎的子午线的1 1 107 为1m 米 目前在国际单位制中长度的单位是米 m 在1983年国际计量大会规定 1m为光在真空中传播 1 299792458 s时间间隔内所经路径的长度 1 3 2长度的计量 1 4单位制和量纲 物理学中 物理公式总是和一定的 单位制 相联系 单位制 就是各物理量间相互配套的一组单位 1 4 1基本单位和导出单位 基本单位 选定几个物理量作为基本量 人为地规定其单位 称为基本单位制 导出单位 从基本量导出的量称为导出量 其单位是基本单位的组合 称为导出单位 根据同一规律写出的公式 采用的单位不同 公式中出现的因子不同 1 4 2国际单位制 SI 基本量 长度质量时间电流温度物质的量光强度 单位 mkgsAKmolcd 导出量 速度加速度力动量 单位 m sm s2Nkg m s 辅助单位 平面角立体角 单位 radsr 球面度 辅助单位可以参与导出单位 如角速率rad s SI词头 因为用很大单位测很小的量或用很小单位测很大的量都不方便 为使单位大小相济 适应不同问题的需要 在SI中规定了 SI词头 如表1 3 1 4 3量纲式 量纲 表示一个物理量由基本量的幂次组合的式子 基本量选定后 导出量的量纲可由基本量的量纲的组合而得 在国际单位制中 表示力学量A的量纲式为 如 L为长度的量纲 M为质量的量纲 T为时间的量纲 p q r为量纲指数 1 量纲 速度的量纲 加速度的量纲 力的量纲 圆心角的量纲 3 为推导某些复杂公式提供线索 1 用量纲检查等式的正误 因为只有量纲相同的量才能彼此相等 所以等式两边的量的量纲必须相同 2 用量纲分析方程中比例系数的单位 2 应用 1 5数量级估计 1 5 1有效数字 1 520有四位有效数字567 23有五位有效数字 1 35cm有三位有效数字0 0135m有三位有效数字1 0035有五位有效数字1 000cm有四位有效数字 注意 有效数字的位数与十进制单位的变换无关 即与小数点的位置无关 用以表示小数点位置的 0 不是有效数字 当 0 不表示为小数点位置时是有效数字 数据最后的 0 不能随便加上 也不能随便去掉 某一数中可靠数字称作有效数字 它的个数称作有效数字的位数 例如 1 5 2数量级的估计 例如 88920取9 104称 数量级估计 实际上又将已估计的9 104以105代之 用10的若干次方表示的数常称为 数量级 估计某数的数量级时 常取整为一位有效数字乘以10的若干幂次 1 6参考系 坐标系与时间坐标轴 任何物理过程都和时间和空间相联系 对机械运动而言 空间规定了运动物体的大小与位置 时间则规定了运动过程的长短和顺序 在经典力学范围内 空间与时间是脱离物质与运动的独立存在 空间是延伸到整个宇宙容纳物质的三维平直框架 时间犹如一座始终均匀转着的钟 1 6 1参考系和坐标系 被选作物体运动依据的物体或物体群称为参考系 与参考系固连的三维空间称为参考空间 同一物体的运动情况相对不同的参考系是不同的 为了定量表示物体相对参考系的位置 可在参考系上建立适当的坐标系 即用固定在参考空间的一组坐标轴和用来规定一组坐标的方法 1 6 2时间坐标轴 所谓考察物体的运动 也就是考察物体的位置变动与时间的关系 因而考察物体的运动还必须有时间的坐标轴 坐标原点即计时起点 计时起点不一定就是物体开始运动的时刻 时刻 对应于时间轴上一点 时刻为正或负表明在计时起点以后或以前 质点在某一位置必与一定时刻相对