第一章物理学和力学

1、上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 1.1发展着的物理学发展着的物理学1.2 物理学研究的方法物理学研究的方法1.3 时间和长度的测量时间和长度的测量1.4 单位制和量纲单位制和量纲1.5 数量级估计数量级估计1.6 参考系参考系坐标系与时间坐标轴坐标系与时间坐标轴1.7 力学力学学习物理学的开始学习物理学的开始上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 没有今日的基础科学没有今日的基础科学, 就没有明日就没有明日的科技应用的科技应用,

2、 可以想象可以想象, 我们现在的基我们现在的基础科学将怎样地影响础科学将怎样地影响21世纪的科技文世纪的科技文明明.李政道李政道 物理学属于基础科学范畴物理学属于基础科学范畴,是一门素质课是一门素质课,物理思物理思想和物理方法是一个科学工作者灵感之所在想和物理方法是一个科学工作者灵感之所在,基础之基础之所在所在.力学力学学习物理学的开始学习物理学的开始.上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 1.1发展着的物理学发展着的物理学1.1.1经典物理学与现代物理学经典物理学与现代物理学经典物理学经典物理学经典力学经典力学经典热力学经典热力学,经典统计物理学经典

3、统计物理学 经典电磁学经典电磁学现代物理学基础现代物理学基础 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 上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 牛顿牛顿开普勒开普勒伽利略伽利略 他们为经典力学的建立做出贡献他们为经典力学的建立做出贡献 上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 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热力学统计物理的建立做出贡献 上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 他们为经典电磁理论的建立做出贡献他们为经典电磁理论的建立做出

4、贡献 上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 X射线、电子、放射性的发现，物理学的射线、电子、放射性的发现，物理学的研究由宏观转向微观研究由宏观转向微观 . 伦琴发现伦琴发现X射线射线 J.J.Thomson发现电子发现电子上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 爱因斯坦他们奠定了现代物理学基础他们奠定了现代物理学基础 上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 1.1.2 微观世界微观世界 1914年卢瑟福年卢瑟福发现发现 射线射线, 射射线线,建立了原子建立了原子有核模型有核

5、模型. 电子的发现，确认了原子是可分的，为探索原电子的发现，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子结构以及为探索更深层次的结构开辟了道路.上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 物质是由轻子和夸克组成物质是由轻子和夸克组成. 轻子有电子、轻子有电子、 子、子、 子、电子中微子、子、电子中微子、 子中微子中微子和子和 子中微子，每一种均有反粒子，共有子中微子，每一种均有反粒子，共有12种种. 夸克有夸克有6种味，即上夸克、下夸克、奇异夸克、粲种味，即上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克夸克、底夸克和顶夸克.每味又

6、分红、蓝和绿每味又分红、蓝和绿3种色种色. 粒子之间粒子之间有四种有四种基本相互作用：基本相互作用：引力相互作用、电引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用磁相互作用、弱相互作用和强相互作用. . 粒子之间粒子之间的的基基本相互作用是通过交换某种粒子来传递的，即基本相互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玻色子. . 电磁力以光子为媒介，弱力的媒介为电磁力以光子为媒介，弱力的媒介为Z0和和W粒子，粒子，强子的媒介有强子的媒介有8种颜色的胶子种颜色的胶子.上上 页页下下 页

7、页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 1.1.3 宇宙的早期演化宇宙的早期演化 s 1043 s 1035 s 106 s 104 s 10min32 a10216 a1010K1032K1027K1013K1010K3000K7 . 2强子强子时代时代轻子轻子时代时代辐射时代辐射时代恒星恒星星系星系形成形成直至直至现在现在上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 1.1.4 非线性系统的复杂行为非线性系统的复杂行为 一旦系统出现非线性一旦系统出现非线性,便可能呈现复杂行为便可能呈现复杂行为.这种这种复杂行为有时会表现为规则的时空或

8、功能有序复杂行为有时会表现为规则的时空或功能有序,有时也有时也会表现为貌似无序的序会表现为貌似无序的序.复杂行为不仅能发生于物理和复杂行为不仅能发生于物理和化学系统化学系统,也能发生于生命和社会系统也能发生于生命和社会系统.上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 1.2 物理学研究的方法物理学研究的方法观察观察: :实验实验: :假设假设: :理论理论:在有充分实验事实的基础上归纳出来的原理、在有充分实验事实的基础上归纳出来的原理、定律、规律等定律、规律等. .基本方法基本方法 抽象抽象: :应用应用:对现象的考察和研究对现象的考察和研究. .在人工控制

9、下，使现象重演在人工控制下，使现象重演. .抓住本质，建立物理模型抓住本质，建立物理模型. .如质点、刚体如质点、刚体. .对于现象的本质所提出的一些说明方案或基对于现象的本质所提出的一些说明方案或基本论点等本论点等. .将物理学理论用于实际将物理学理论用于实际. 上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 目前国际通用的时间单位是秒（目前国际通用的时间单位是秒（s）.为提高精度，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年国际计量大会决定采用原子的跃迁辐射作为计时标准计时标准,并规定并规定铯铯-133原子基态的两个超精细能原子基态的两个超

10、精细能级间跃迁相对应的辐射的级间跃迁相对应的辐射的9 912 631 770个周期的持个周期的持续时间作为续时间作为1s. 这样的原子标准称为原子时这样的原子标准称为原子时.1.3.1 时间的计量时间的计量 一切周期运动都可用来量度时间。一切周期运动都可用来量度时间。1.3 时间和长度的测量时间和长度的测量上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 可用物体来计量长度可用物体来计量长度.如古代测量长度常以人体的如古代测量长度常以人体的某部分作为单位和标准某部分作为单位和标准. 近代的测量长度单位是在法近代的测量长度单位是在法国的米制单位发展起来的（规定为通过

11、巴黎的自北极国的米制单位发展起来的（规定为通过巴黎的自北极至迟到的子午线的千万分之一为米）至迟到的子午线的千万分之一为米）,目前在国际单目前在国际单位制中长度的单位是米（位制中长度的单位是米（m）.在在1983年国际计量大年国际计量大会商定以会商定以:“1m为光在真空中为光在真空中(1/29792458)s 时间间隔时间间隔内所经路径的长度内所经路径的长度”.1.3.2 长度的计量长度的计量 上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 1.4 单位制和量纲单位制和量纲 物理学中物理学中,物理公式总是和一定的物理公式总是和一定的“单位制单位制”相联相联系系,“

12、单位制单位制”就是各物理量间相互配套的一组单位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和导出单位基本单位：基本单位：选定几个物理量作为基本量选定几个物理量作为基本量,人为地规定人为地规定 其单位，称为基本单位制其单位，称为基本单位制.导出单位：导出单位：从基本量导出的量称为导出量，其单位是基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。如式中出现的因子不同。如 s = kvt . 上上 页页下下 页页结结 束束

13、返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 1.4.2 国际单位制国际单位制(SI)基本量基本量:长度长度 质量质量 时间时间 电流电流 温度温度 物质的量物质的量 光强度光强度单单 位位: m kg s A K mol cd导出量导出量: 速度速度 加速度加速度 力力 动量动量 单单 位位: m/s m/s2 N kg m/s 辅助单位辅助单位: 平面角平面角 立体角立体角单单 位：位：rad sr（球面度）（球面度）辅助单位可以参与导出单位，如角速率辅助单位可以参与导出单位，如角速率 rad/sSI词头：词头：因为用很大单位测很小的量或用很小单位测很因为用很大单位测很小的量或用很小单

14、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，在需要，在SI中规定了中规定了“SI词头词头”. 如表如表1.3.上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 1.4.3 量纲式量纲式量纲：量纲：表示一个物理量由基本量的幂次组合的式子表示一个物理量由基本量的幂次组合的式子.基本量选定后基本量选定后,导出量的量纲可由基本量的量纲的组导出量的量纲可由基本量的量纲的组合而得合而得. 在国际单位制中在国际单位制中,表示力学量表示力学量A的量纲式为的量纲式为rqpATMLdim 如：如： -1LT dim v2

15、LTdim a2LMTdim F000TMLdim L为长度的量纲，为长度的量纲，M为质量的量纲，为质量的量纲， T为时间的量纲为时间的量纲.p、q、r 为量纲指数为量纲指数 1.量纲量纲速度的量纲速度的量纲 加速度的量纲加速度的量纲 力的量纲力的量纲 圆心角的量纲圆心角的量纲 上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 (3)为推导某些复杂公式提供线索为推导某些复杂公式提供线索.(1)用量纲检查等式的正误用量纲检查等式的正误. 因为只有量纲相同的量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才能彼此相等，所以等式两边的量的量纲必须相同.

16、(2)用量纲分析方程中比例系数的单位用量纲分析方程中比例系数的单位.2. 应用应用 上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 1.5 数量级估计数量级估计1.5.1 有效数字有效数字1.520 有四位有效数字有四位有效数字 567.23 有五位有效数字有五位有效数字1.35cm 有三位有效数字有三位有效数字 0.0135m有三位有效数字有三位有效数字1.0035 有五位有效数字有五位有效数字 1.000cm有四位有效数字有四位有效数字注意：注意：有效数字的位数与十进制单位的变换无关有效数字的位数与十进制单位的变换无关,即与即与小数点的位置无关小数点的位置无

17、关.用以表示小数点位置的用以表示小数点位置的“0”不是有不是有效数字效数字,当当“0”不表示为小数点位置时是有效数字不表示为小数点位置时是有效数字.数数据最后的据最后的“0”不能随便加上不能随便加上,也不能随便去掉也不能随便去掉. 某一数中可靠数字称作某一数中可靠数字称作有效数字有效数字，它的个数称作，它的个数称作有效数字的位数有效数字的位数.例如：例如：上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 1.5.2 数量级的估计数量级的估计 例如：例如：88920 取取9104 称称“数量级估计数量级估计”，实际上，实际上又将已估计的又将已估计的9104 以以10

18、5 代之代之.用用10的若干次方表示的若干次方表示的数常称为的数常称为“数量级数量级”. 估计某数的数量级时估计某数的数量级时,常取整为一位有效数字乘以常取整为一位有效数字乘以10的若干幂次的若干幂次.上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 1.6 参考系参考系坐标系与时间坐标轴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任何物理过程都和时间和空间相联系.对机械运动对机械运动而言而言,空间规定了运动物体的大小与位置空间规定了运动物体的大小与位置;时间则规定时间则规定了运动过程的长短和顺序了运动过程的长短和顺序.在经典力学范围内在经典力学范围内,空

19、间与时空间与时间是脱离物质与运动的独立存在间是脱离物质与运动的独立存在;空间是延伸到整个宇空间是延伸到整个宇宙容纳物质的三维平直框架宙容纳物质的三维平直框架,时间犹如一座始终均匀转时间犹如一座始终均匀转着的钟着的钟.上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 1.6.1 参考系和坐标系参考系和坐标系 被选作物体运动依据的物体或物体群称为被选作物体运动依据的物体或物体群称为参考系参考系，与参考系固连的三维空间称为与参考系固连的三维空间称为参考空间参考空间.同一物体的运同一物体的运动情况相对不同的参考系是不同的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为了定量表示物体相对参考系的位置,可在参考系可在参考系上建立适当的上建立适当的坐标系坐标系.即用固定在参考空间的一组坐标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轴和