大学物理课件1.1 确定质点位置的方法

1、大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学1普通高等教育“十一五”国家级规划教材大学物理大学物理 Physics(上册上册) 第三次修订本第三次修订本 吴百诗主编吴百诗主编 西安交通大学出版社西安交通大学出版社大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学2绪论 物理学的研究对象和历史回顾物理学的研究对象和历史回顾1、物理学是关于自然界最基本形态的科学，、物理学是关于自然界最基本形态的科学，它研究物质的结构和相互作用以及物质的它研究物质的结构和相互作用以及物质的运动。运动。2、从古希腊的自然哲学算起，物理学有、从古希腊的自然哲学算起，

2、物理学有2600多年的历史。古欧洲，物理学一词是多年的历史。古欧洲，物理学一词是自然科学的总称。自然科学的总称。3、伽利略、笛卡儿、惠更斯等人都有许多贡、伽利略、笛卡儿、惠更斯等人都有许多贡献。献。4、物理学真正成为一门精密学科，、物理学真正成为一门精密学科， 是从是从1687年牛顿发表年牛顿发表“自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理”开始。开始。大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学3 开普勒行星运动三定律，牛顿万有引力定开普勒行星运动三定律，牛顿万有引力定律，海王星和冥王星的发现律，海王星和冥王星的发现 牛顿研究光学，光的色散，牛顿研究光学，光的色散，“

3、虹虹”的解释，的解释，牛顿光的微粒学说和惠更斯光的波动学说。牛顿光的微粒学说和惠更斯光的波动学说。托马斯杨的光的干涉实验证实光的波动学托马斯杨的光的干涉实验证实光的波动学说。说。 热力学的发展。第一类永动机，热力学第热力学的发展。第一类永动机，热力学第一定律，德国人赫姆霍兹，英国人焦耳。一定律，德国人赫姆霍兹，英国人焦耳。第二类永动机，热力学第二定律，德国人第二类永动机，热力学第二定律，德国人克劳修斯。热机效率提高，法国人卡诺。克劳修斯。热机效率提高，法国人卡诺。大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学4 电学的发展。电学的发展。1731年格雷研究摩擦起电，年

4、格雷研究摩擦起电，分清导体和绝缘体。分清导体和绝缘体。1746年美国的富兰克年美国的富兰克林分出正电和负电，并于林分出正电和负电，并于1753年发明避雷年发明避雷针。卡文迪许发明验电器，库仑建立库仑针。卡文迪许发明验电器，库仑建立库仑定律。从此进入定量研究。定律。从此进入定量研究。 电磁学的研究。电磁学的研究。1820年奥斯特发现通电导年奥斯特发现通电导线使磁针偏转，安培发现两个电流之间也线使磁针偏转，安培发现两个电流之间也有作用。有作用。1831年法拉弟发现年法拉弟发现“电磁感应定电磁感应定律律”。于是产生了电磁铁，电动机，。于是产生了电磁铁，电动机，1867年出现了较大的发电机。麦克斯韦年

5、出现了较大的发电机。麦克斯韦1864年年得出麦克斯韦电磁场方程组。得出麦克斯韦电磁场方程组。1888年赫兹年赫兹发现电磁波，人类进入无线电通信时代。发现电磁波，人类进入无线电通信时代。大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学5 1900年汤姆逊在一次演说中指出：年汤姆逊在一次演说中指出：“19世世纪末的物理学上空犹有两朵乌云，一是迈纪末的物理学上空犹有两朵乌云，一是迈克耳孙的否定以太实验，一是黑体辐射，克耳孙的否定以太实验，一是黑体辐射，这两朵乌云定会在未来卷起漫天风暴这两朵乌云定会在未来卷起漫天风暴”。 1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，年爱因斯坦提出了狭

6、义相对论，1915年提出了广义相对论。年提出了广义相对论。1900年，普朗克提年，普朗克提出了能量出了能量“量子化量子化”概念，爱因斯坦康普概念，爱因斯坦康普顿玻耳德布罗意等将量子化概念加以推广顿玻耳德布罗意等将量子化概念加以推广和应用，最终由薛定谔和海森堡完成数学和应用，最终由薛定谔和海森堡完成数学表述，建立量子力学。表述，建立量子力学。大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学大学物理6 牛顿力学和热力学大发展后，牛顿力学和热力学大发展后，18世纪世纪60年代出现蒸汽机，纺织工业大发展，第年代出现蒸汽机，纺织工业大发展，第一次技术革命。一次技术革命。 电磁学

7、大发展后，电磁学大发展后，19世纪世纪70年代，电力年代，电力广泛应用和无线电通信大发展，第二次广泛应用和无线电通信大发展，第二次技术革命。技术革命。 相对论和量子理论大发展后，相对论和量子理论大发展后，20世纪世纪40年代出现第三次技术革命（微电子学，年代出现第三次技术革命（微电子学，激光，原子能，信息技术，新材料等）激光，原子能，信息技术，新材料等）大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学7七律七律科学长征（仿毛泽东诗科学长征（仿毛泽东诗 七律七律长征）长征）(2009)科学不怕远征难，万千难题只等闲，科学不怕远征难，万千难题只等闲，力热光电磁五山，翻山越

8、岭走泥丸。力热光电磁五山，翻山越岭走泥丸。物理上空两乌云，黑体辐射和以太，物理上空两乌云，黑体辐射和以太，喜有量子相对论，驱散过后笑开颜。喜有量子相对论，驱散过后笑开颜。 或者如下或者如下 科学不怕远征难，万千难题只等闲，科学不怕远征难，万千难题只等闲，五岭逶迤腾细浪，原子分子小小丸。五岭逶迤腾细浪，原子分子小小丸。物理上空两乌云，紫外灾难和以太，物理上空两乌云，紫外灾难和以太，喜有量子相对论，驱散过后笑开颜。喜有量子相对论，驱散过后笑开颜。 大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学81927年第五次索尔维会议年第五次索尔维会议大学物理大学物理 第三次修订本第

9、三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学9大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学10 运动学以几何观点来研究和描述物体的机运动学以几何观点来研究和描述物体的机械运动，不考虑物体的质量及其所受的力。械运动，不考虑物体的质量及其所受的力。一、质点一、质点 如果在所研究的问题中，物体上各点运动如果在所研究的问题中，物体上各点运动状态的差异只占很次要的地位，我们就可以忽状态的差异只占很次要的地位，我们就可以忽略物体的大小和内部结构，把它看成一个有质略物体的大小和内部结构，把它看成一个有质量的几何点，叫做量的几何点，叫做质点质点。 一个物体能否被看做质点，主要取决于

10、所一个物体能否被看做质点，主要取决于所研究问题的性质。研究问题的性质。大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学11二、确定质点位置的方法二、确定质点位置的方法 为描述物体的运动而选择的标准物叫做为描述物体的运动而选择的标准物叫做参照系。参照系。描述物体运动具有相对性。描述物体运动具有相对性。物体的运动具有绝对性。物体的运动具有绝对性。 在参照系上固定一个坐标系，才能定量在参照系上固定一个坐标系，才能定量地描述物体的位置。常用的坐标系有地描述物体的位置。常用的坐标系有直角坐直角坐标系标系、极坐标系极坐标系和和自然坐标系自然坐标系等。等。大学物理大学物理 第三次修

11、订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学121. 坐标法坐标法 若质点在空间运若质点在空间运动，其位置可用直角动，其位置可用直角坐标（坐标（x, y, z）确定。）确定。 若质点在平面上若质点在平面上运动，其位置可用直运动，其位置可用直角坐标（角坐标（x, y）确定。）确定。 若质点沿直线运动，可在该直线上建立若质点沿直线运动，可在该直线上建立一个坐标轴，例如一个坐标轴，例如 x 轴，质点的位置只需一轴，质点的位置只需一个坐标个坐标 x 就可以确定。就可以确定。xzyo参考系参考系P (x, y, z)大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学13xzy

12、o参考系参考系P (x, y, z)r 质点的直角坐标质点的直角坐标(x, y, z)是位矢沿坐标是位矢沿坐标轴轴 x, y, z 的投影。的投影。kzj yi xrr的大小的大小r与三个坐标轴的夹角与三个坐标轴的夹角 222zyxr cos cos cos rzryrx2. 位矢法位矢法ijk大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学143. 自然坐标自然坐标法法 （用于运动轨迹（用于运动轨迹已知的已知的质点）质点）说明说明: 自然坐标自然坐标 s 是代数量。是代数量。 在已知运动轨迹在已知运动轨迹上任选固定点上任选固定点O, 从从O点起沿运动轨迹量得点起沿运

13、动轨迹量得曲线长度曲线长度s正值正值, 这个这个方向称为自然坐标的方向称为自然坐标的正向。正向。质点在轨迹上的位置可以用质点在轨迹上的位置可以用 s 唯一确定。唯一确定。)(tfs OsP正方向正方向大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学15三、运动学方程三、运动学方程 直角坐标直角坐标(x, y, z) 自然坐标自然坐标 s 位矢位矢 r123( )( )( )xf tyf tzf t 当质点相对参考系运动时，用来确定质点当质点相对参考系运动时，用来确定质点位置的直角坐标位置的直角坐标(x, y, z)、位矢、位矢 、自然坐标、自然坐标 s等都将随时间等都

14、将随时间 t 变化，都是变化，都是 t 的单值连续函数。的单值连续函数。r( )sf t( )rr t大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学16例例1 一质点作匀速圆周运动，半径为一质点作匀速圆周运动，半径为 r ，角速，角速度为度为 。求用直角坐标、位矢、自然坐标表示。求用直角坐标、位矢、自然坐标表示的质点运动学方程。的质点运动学方程。解解 O 点为起始点，设点为起始点，设t 时刻时刻质点位于质点位于P（x , y）。 直角坐标表示的运动学直角坐标表示的运动学方程为方程为xyPt xyOrs),(yxO cos xrt sin yrt大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学17位矢表示为位矢表示为 以以 O 为自然坐标原点，为自然坐标原点，运动学方程运动学方程为为xyPt xyOrs),(yxO cossinrxiyjrtirtjsrt大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第1章章 质点运动学质点运动学18例例2 如图所示如图所示, ,以速度以速度 用绳跨一定滑轮拉湖面用绳跨一定滑轮拉湖面上的船上的船, ,已知绳初长已知绳初长 l 0, ,岸高岸高 h。求求 船的运动方程。船的运动方程。hv0l)(tl( )x txO大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第