中国石油大学物理课件

1、大大 学学 物物 理理 学学( (上上) ) 教教 师：师： 刘素美刘素美 联系方式：联系方式：两个黄鹂鸣翠柳两个黄鹂鸣翠柳 一行白一行白 鹭上青天鹭上青天 窗含西岭千秋雪窗含西岭千秋雪 门泊东吴万里船门泊东吴万里船 绝句绝句 杜甫 杜甫 爱因斯坦追光爱因斯坦追光 日常生活物体日常生活物体 天体天体 光速光速 原子尺度原子尺度 增加质量增加质量 增加速度增加速度 缩减大小缩减大小 牛顿力学牛顿力学 狭义相对论狭义相对论 量子力学量子力学 广义相对论广义相对论 一、什么是物理学一、什么是物理学? l 物理学是研究物质世界最基本形态的科学。物理学是研究物质世界最基本形态的

2、科学。 l 物理学研究的范围：物理学研究的范围： 物质世界的层次和数量级。物质世界的层次和数量级。 物理学物理学 (Physics) 物物 质质 结结 构构物质相互作用物质相互作用物质运动规律物质运动规律 质子质子 1010-15 -15 m 空间尺度：空间尺度：类星体类星体 10 26 m 时间尺度：时间尺度：基本粒子寿命基本粒子寿命 10-25 s宇宙寿命宇宙寿命 1018 s 微观粒子微观粒子介观物质介观物质 宏观物质宏观物质宇观物质宇观物质 E- -15 E- -12 E- -09 E- -06 E- -03 1m E+03 E+06 E+09 E+12 E+15 E+18 E+21

3、E+24 E+27 最小最小 的细胞的细胞 原子原子 原子核原子核 基本粒子基本粒子 DNA长度长度 星系团星系团 银河系银河系 最近恒最近恒 星的距离星的距离 太阳系太阳系 太阳太阳 山山 哈勃半径哈勃半径 超星系团超星系团 人人 蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次 牛顿力学：牛顿力学： 研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律。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：热力学： 研究物质热运动的统计规律及其宏观表现。研究物质热运动的统计规律及其宏观表现。 电磁学电磁学 ： 研究电磁现象、物质的电磁运动规律及电磁辐射等规

4、律。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：相对论： 研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律。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：量子力学： 研究微观物质运动现象以及基本运动规律。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二、物理学的五大基本理论 l物理学派生出来的分支及交叉学科。物理学派生出来的分支及交叉学科。 l物理学与数学之间有着深刻的内在联系。物理学与数学之间有着深刻的内在联系。 粒粒 子子 物物 理理 学学 原原 子子 核核 物物 理理 学学 原原 子子 分分 子子 物物 理理 学学 固固 体体 物物 理理 学学 凝凝

5、 聚聚 态态 物物 理理 学学 激激 光光 物物 理理 学学 等等 离离 子子 体体 物物 理理 学学 地地 球球 物物 理理 学学 生生 物物 物物 理理 学学 天天 体体 物物 理理 学学 宇宇 宙宙 射射 线线 物物 理理 学学 三、物理学是构成自然科学的理论基础三、物理学是构成自然科学的理论基础 物理学构成了化学、生物学、材料科学、地球物理学等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。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。 l物理学是一切自然科学的基础。物理学是一切自然科学的基础。 3) 20世纪

6、以来世纪以来 相对论、量子力学相对论、量子力学 促进了原子能、计算机、激光等的广泛应用（信息化）促进了原子能、计算机、激光等的广泛应用（信息化） 2)19世纪世纪70年代年代 法拉第法拉第 麦克斯韦的电磁理论麦克斯韦的电磁理论 第二次工业革命（电气化）第二次工业革命（电气化） 物理学的发展经历了三次大的突破，导致了三次工业革命。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世纪世纪 牛顿力学、热力学牛顿力学、热力学 第一次工业革命（蒸汽机）第一次工业革命（蒸汽机） 四、物理学与技术四、物理学与技术 几乎所有的重大新几乎所有的重大新(高高)技术领域的创立，事先都在物理学中技

7、术领域的创立，事先都在物理学中 经过长期的酝酿。经过长期的酝酿。 当今物理学和科学技术的关系：当今物理学和科学技术的关系： 五、物理学的方法和科学态度五、物理学的方法和科学态度 4）逻辑推理与数学演算：逻辑推理与数学演算：用数学语言描述物理概念和物理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。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，物理学的研究方法是自然科学最常用物理学是一门实验科学，物理学的研究方法是自然科学最常用 最科学的方法。物理学的方法包括：最科学的方法。物理学的方法包括： 1）观察与实验：观察与实验：从新的观测和实验事实提出命题；或用

8、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。观察与实验的方法验证理论。 3）建立理想模型：建立理想模型：用已知的原理和事实，突出主要因素，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。建立理想的唯象的物理模型。 2）假假 说：说：当实验事实与旧理论不相符时，根据事实提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。出新的假说和原理。 六、怎样学习物理学六、怎样学习物理学 爱因斯坦：爱因斯坦： “兴趣兴趣是是 最好的最好的 老师。老师。” 海森堡：海森堡： “科学扎科学扎 根于根于讨论讨论。 ” 李政道：李政道： “物理学物理学 的精髓的精髓 在于在于

9、创创 新新。” 著名物理著名物理 学家费曼学家费曼 说：科学说：科学 是一种是一种方方 法法。 “境自远尘皆入咏，物含妙理总堪寻。境自远尘皆入咏，物含妙理总堪寻。” 学什么学什么 物理概念物理概念 1 物理框架物理框架 2 物理思路物理思路 3 物理方法物理方法4 物理概念是物理学的精髓和核心。物理概念是物理学的精髓和核心。 观点观点 观念观念 规律规律 定律定律 物理图像等物理图像等 物理框架物理框架 知识的整体性知识的整体性 知识结构、来龙去脉、相互联系知识结构、来龙去脉、相互联系 物理思路物理思路 解决问题的途径解决问题的途径 如何观察、分析、思考、研究处理问题如何观察、分析、思考、研究

10、处理问题 类比法类比法 演绎法演绎法 归纳法归纳法 反证法反证法 模型化法等模型化法等 科学就是一种方法科学就是一种方法 费曼费曼 过渡三：过渡三：抱着走抱着走扶着走扶着走指着走指着走 大学教师扮演的角色大学教师扮演的角色 交通警察交通警察 要在要在“交警交警”的引导下，学会自己走路（学习）！的引导下，学会自己走路（学习）！ 过渡一：过渡一：应试考试应试考试 重视学习过程重视学习过程 积累知识积累知识 培养能力培养能力 提高素质提高素质 大学生大学生 努力培养自我获取知识的能力！努力培养自我获取知识的能力！ （选拔性（选拔性合格性）合格性） 过渡二：过渡二：特殊（特殊（对象、状态、过程对象、状

11、态、过程）一般（一般（对象、状态、过程对象、状态、过程） 中学物理讨论特殊情况的结论；大学物理讲一般规律。中学物理讨论特殊情况的结论；大学物理讲一般规律。 概念、思路、方法等均要发生变化！概念、思路、方法等均要发生变化！ 尽快完成由中学向大学的三个过渡尽快完成由中学向大学的三个过渡 成绩考核与作业要求成绩考核与作业要求 1、成绩考核、成绩考核 2、作业要求、作业要求 期中考试期中考试 ： 10% 作作 业：业： 20% 期期 末考试：末考试： 70% 总成绩：满分总成绩：满分100分分 2）要求说明已知条件并画图，注明解决问题的思路和所）要求说明已知条件并画图，注明解决问题的思路和所 采用的基

12、本物理规律。采用的基本物理规律。 1）独立完成全部作业，及时上交作业。）独立完成全部作业，及时上交作业。全学期作业次数全学期作业次数 不满三分之二，不准参加期末考试不满三分之二，不准参加期末考试。 作业纸上写上班级、姓作业纸上写上班级、姓 名、点名册序号。名、点名册序号。 3）每周第一次课前交作业，每个班均按班级学号排序。）每周第一次课前交作业，每个班均按班级学号排序。 4）答疑地点为）答疑地点为*，每周一次，时间，每周一次，时间* 七、教学计划七、教学计划 大学物理教程大学物理教程 贾瑞皋贾瑞皋 主编主编 科学出版社科学出版社 大学物理学习指导大学物理学习指导 任兰亭任兰亭 主编主编 石油大

13、学出版社石油大学出版社 费曼物理学讲义费曼物理学讲义 力学世界力学世界、力学以外的世界力学以外的世界 北京大学出版社北京大学出版社 教材：教材：大学物理学大学物理学 李元成李元成 主编主编 中国石油大学出版社中国石油大学出版社 参考书：参考书： 内内 容容参考学时参考学时 绪论绪论1 第第 1 章章 质点运动学质点运动学4 第第 2 章章 牛顿运动定律牛顿运动定律4 第第 3 章章 功和能功和能4 第第 4 章章 动量和角动量和角动量动量6 第第 5 章章 刚体力学基础刚体力学基础6 第第 6 章章 狭义相对论狭义相对论6 第第 7 章章 气体动理论气体动理论4 第第 8 章章 热力学基础热力

14、学基础6 第第 9 章章 机械振动和机械波机械振动和机械波10 第第10章章 波动光学波动光学13 请允许我说明我讲这门课的主请允许我说明我讲这门课的主 要目的。我的目的不是教你们要目的。我的目的不是教你们 如何应付考试，甚至不是让你如何应付考试，甚至不是让你 们掌握这些知识，以便更好地们掌握这些知识，以便更好地 为今后你们面临的工作或军事为今后你们面临的工作或军事 工作服务。我最希望的是，你工作服务。我最希望的是，你 们能够像真正的物理学家一样，们能够像真正的物理学家一样， 欣赏到这个世界的美妙。物理欣赏到这个世界的美妙。物理 学家们看待这个世界的方式，学家们看待这个世界的方式， 我相信，是

15、这个现代化时代真我相信，是这个现代化时代真 正文化内涵的主要部分。也许正文化内涵的主要部分。也许 你们学会的不仅仅是如何欣赏你们学会的不仅仅是如何欣赏 这种文化，甚至也愿意参加到这种文化，甚至也愿意参加到 这个人类思想诞生以来最伟大这个人类思想诞生以来最伟大 的探索中来。的探索中来。 R.P.Feynman (1918-1988) 美国物理学家，美国物理学家， 诺贝尔物理奖获得者诺贝尔物理奖获得者 潮汐：沿海地区的一种自然现象，指海水在天潮汐：沿海地区的一种自然现象，指海水在天 体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周 期性运动。一般每日涨落两次

16、。期性运动。一般每日涨落两次。 农历每月的十五农历每月的十五 或十六附近，太阳或十六附近，太阳 和月亮在地球的两和月亮在地球的两 侧，太阳和月球的侧，太阳和月球的 引潮力你推我拉也引潮力你推我拉也 会引起会引起“大潮大潮”。 农历的初八和二十农历的初八和二十 三时，太阳引潮力三时，太阳引潮力 和月球引潮力互相和月球引潮力互相 抵消了一部分所以抵消了一部分所以 就发生了就发生了“小小 潮潮”。每天涨潮的。每天涨潮的 时刻也推迟时刻也推迟50分钟分钟 左右。左右。 每天涨潮落潮时间往后拖延每天涨潮落潮时间往后拖延4848分钟分钟 最通俗易懂的方式给你讲讲最通俗易懂的方式给你讲讲 什么是引力波什么是

17、引力波 http:/ h/05228620419951093473.ht ml? 速度的大小速度的大小 根据质点根据质点加速度的定义加速度的定义 rjtRitR 222 )sin()cos( - - - - - - t v a d d 例题例题1-1 已知质点的运动方程是已知质点的运动方程是 jtRitRr )sin()cos( 式中式中R R， 都是正值常量。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。求质点的速度和加速度的大小，并讨论它们的方向。 RtRtRvvv yx 22 22 )cos()sin( dt rd v 加速度的大小加速度的大小 则有则有 tRatRa y

18、x sin ;cos 22 - - - - 2222222 )sin()cos( RtRtRaaa yx - - - - 根据根据矢量的点积运算矢量的点积运算，分别计算，分别计算 0 -)sin()cos()cos()sin(jtRitRjtRitRrv 0 22 -)sin()cos()cos()sin(jtRitRjtRitRav 质点做匀速率圆周运动。质点的速度沿圆的切线方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。向，加速度沿半径指向圆心；速度和加速度互相垂直。 结论结论 例题例题1-1-2一质点作平面运动，已知加速度为一质点作平面运动

19、，已知加速度为 ，其中，其中A A、B B、 均为正常数，且均为正常数，且A AB B, , A A0, 0, B B00。初始条件为。初始条件为 时，时， 。 求该质点的运动轨迹。求该质点的运动轨迹。 , tcosAax 2- - tsinBay 2 - - 0t, 0 0 x v,Bv y 0 ,Ax 0 0 0 y 解解: :由由 2 2 2 2 2 2 d d d d d d d d d d d d t z t v a t y t v a t x t v a z z y y x x , 可得可得 - - - - tt xxx tAttAtavv 0 2 0 0 sindcos0d -

20、- tt yyy tcosBttsinBBtavv 0 2 0 0 dd - - tt x tcosAttsinAAtvxx 00 0 dd tt y tsinBttcosBtvyy 00 0 d0d 从从 的表示式中消去的表示式中消去 ，即可得质点的运动轨迹方，即可得质点的运动轨迹方 程为程为: : yx,t 1 2 2 2 2 B y A x 质点的运动轨迹为质点的运动轨迹为椭圆椭圆。 例例1-3 1-3 一质点沿一质点沿 轴正向运动，其加速度与位置的关系为轴正向运动，其加速度与位置的关系为 。若在。若在 处，其速度处，其速度 ， 求质点运动到求质点运动到 处时所具有的速度。处时所具有的速

21、度。 xa23 0 x 1 0 sm5 - - v m3 x x 解：解： 已知已知 ，由加速度的定义式得：，由加速度的定义式得： xa23 xa t v 23 d d x x vv t x x v t v 23 d d d d d d d d x)x(vvd23d 根据初始条件作定积分根据初始条件作定积分 3 0 5 d23dx)x(vv v 1 sm81. 7 - v速度的方向沿速度的方向沿 轴正向。轴正向。 x v 解解 选取选取竖直向上为轴的正方向竖直向上为轴的正方向，坐标原点在抛点处。，坐标原点在抛点处。 kvf- - 设小球上升运动的瞬时速率为设小球上升运动的瞬时速率为v，阻力系数

22、为，阻力系数为k，则则 空气空气阻力阻力为为 此时小球的此时小球的加速度加速度为为 v m k ga- - - 即即)( d d k mg v m k t v - - 作作变换变换 整理则得整理则得yv kmgv kmg k m dd) / / 1(- - - - 例题例题1-4 以初速度以初速度v0由地面竖直向上抛出一个质量为由地面竖直向上抛出一个质量为 m 的的 小球，若上抛小球受到与其瞬时速率成正比的空气阻力，求小球小球，若上抛小球受到与其瞬时速率成正比的空气阻力，求小球 能升达的最大高度是多大？能升达的最大高度是多大？ t y y v d d d d t v d d y vv d d

23、O y gm f 根据初始条件，根据初始条件，y = 0 时时v = v0 ，作作定积分定积分 - - - - yv v yv kmgv kmg k m 0 dd) / / 1( 0 可得可得 kmgv kmgv k gm vv k m y / / ln)( 0 2 2 0 - - - 当小球达到当小球达到最大高度最大高度 H 时，时，v = 0，可得，可得 )1ln( 0 2 2 0 mg kv k gm v k m H - - 例例1-51-5 已知一质点由静止出发，它的加速度在已知一质点由静止出发，它的加速度在 轴和轴和 轴上的分轴上的分 量分别为量分别为 和和 。求。求 时质点的速度和位置。时质点的速度和位置。 x y tax10 2 15tay s5 t 解解