普通物理学课件

1、上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出普通物理学普通物理学段德芳段德芳吉林大学物理学院理论物理研究中心http:/ 上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出1.1.什么是物理学什么是物理学? ?概括地说概括地说, ,物理学就是探讨物质结构和物质运动物理学就是探讨物质结构和物质运动基本规律的学科基本规律的学科 。2.2.物理学的研究对象？物理学的研究对象？（1 1）研究物质的两种形态）研究物质的两种形态实物实物和和场场是物是物质质的两种基本形态的两种基本形态关于实物物质结构关于实物物质结构 实物包括微观粒子和宏观物体，它的范围

2、是从基实物包括微观粒子和宏观物体，它的范围是从基本粒子的亚核世界到整个宇宙。本粒子的亚核世界到整个宇宙。 上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出关于场物质结构关于场物质结构例如：电磁场、引力场、各种介子场。例如：电磁场、引力场、各种介子场。(2)(2)研究物质最简单最基本最普遍的运动形式研究物质最简单最基本最普遍的运动形式 物质的运动具有物质的运动具有粒子粒子和和波动波动两种图象。两种图象。天体的、宏观的机械运动，分子的热运动呈粒子性；天体的、宏观的机械运动，分子的热运动呈粒子性；微观领域内，无论场和实物都呈波、粒二象性。微观领域内，无论场和实物都呈波、粒二

3、象性。(3)(3)研究物质的相互作用研究物质的相互作用 物质间有四种相互作用，物质间有四种相互作用，引力作用、电磁作用、引力作用、电磁作用、强作用、弱作用。强作用、弱作用。 传递引力相互作用传递引力相互作用 引力子引力子传递电磁相互作用传递电磁相互作用 光子光子上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出传递强相互作用传递强相互作用 胶子胶子传递弱相互作用传递弱相互作用 中间波色子中间波色子研究对象包括宇观、宏观、介观、微观、生命观研究对象包括宇观、宏观、介观、微观、生命观 当今物理学的研究领域里有两个尖端，一个是高能当今物理学的研究领域里有两个尖端，一个是高能物

4、理或称粒子物理，另一个是天体物理。前者在最小物理或称粒子物理，另一个是天体物理。前者在最小尺度上探索物质更深层次的结构，后者在最大尺度上尺度上探索物质更深层次的结构，后者在最大尺度上追寻宇宙的演化和起源。但是近十年的进展表明，这追寻宇宙的演化和起源。但是近十年的进展表明，这两个极端竟奇妙地衔接在一起，成为一对密不可分的两个极端竟奇妙地衔接在一起，成为一对密不可分的姊妹科学。姊妹科学。空间：空间：微观粒子微观粒子1010-15-15m m（夸夸克克）-宇宙尺寸宇宙尺寸10102727m m（哈哈勃勃 半径）半径）-大小跨越大小跨越4242个数量级个数量级上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页

5、上页下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出从阶段划分，可分为经典、近代、现代物理从阶段划分，可分为经典、近代、现代物理. .时间：时间：微观粒子寿命微观粒子寿命1010-24-24s s；宇宙年龄；宇宙年龄-10-101818s s经经 典典第一代第一代： 1543年以前，以亚里士多德为代表的物理学年以前，以亚里士多德为代表的物理学（如地心说，力是维持速度的原因等）（如地心说，力是维持速度的原因等）.第二代第二代： 1543年年1900年以牛顿为代表的物理学年以牛顿为代表的物理学.近近 代代第三代第三代： 1900年年1928年以

6、爱因斯坦的相对论和薛定年以爱因斯坦的相对论和薛定谔谔 、海森堡等的量子论为代表的近代物理学、海森堡等的量子论为代表的近代物理学.第四代第四代： 1928年至今的现代物理学如激光年至今的现代物理学如激光 、超导、超导 、混沌等混沌等.上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出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.物理学是科学技术和社会发展的巨大动力物理学是科学技术和社会发展的巨大动力. 1818世纪世纪6060年代开始的第一次技术革命年代开始的第一次技术革命, ,主主要标志是蒸汽机的广泛应用，它是经典牛顿力学要标志是蒸汽机的广泛应用，它是经典牛顿力

7、学和卡诺等热力学发展的结果。和卡诺等热力学发展的结果。 物理学的基本概念和技术被应用到所有的物理学的基本概念和技术被应用到所有的自然科学。如医学中使用的核磁共振、自然科学。如医学中使用的核磁共振、CT 、B超等。超等。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出 1919世纪世纪9090年代开始的第二次技术革命年代开始的第二次技术革命, ,主要标志是电力的应用和无线电通讯的实现主要标志是电力的应用和无线电通讯的实现, ,它是经典麦克斯韦电磁学的发展结果。它是经典麦克斯韦电磁学的发展结果。 2020世纪世纪4040年代兴起一直延续到今天的年代兴起一直延续到今天的第三

8、次技术革命是近代物理学发展的结果第三次技术革命是近代物理学发展的结果 , ,其特点是出现了高新技术和产品。如激光其特点是出现了高新技术和产品。如激光 、电子计算机等的出现。电子计算机等的出现。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出。低速宏观低速宏观:经典物理学经典物理学高速宏观高速宏观:相对论物理学相对论物理学高速微观高速微观:相对论量子物理学相对论量子物理学注注:低速既远远小于光速低速既远远小于光速;高速既接近光速高速既接近光速;宏观与微观界限大约是以原子半径宏观与微观界限大约是以原子半径1010-10-10mm为界；为界；近年来由于材料科学的进步近年来由

9、于材料科学的进步,在介于宏观和微观在介于宏观和微观的尺度之间发展出研究宏观量子现象的一门新兴的尺度之间发展出研究宏观量子现象的一门新兴学科学科-介观物理学。介观物理学。低速微观低速微观:量子物理学量子物理学上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出微观微观1010-10-10宏观宏观2.132.1310102222宇观宇观(m)光速光速 介观介观速速 度度物体线度物体线度上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出？ 首先首先, ,不能仅仅掌握一些知识定律和公不能仅仅掌握一些知识定律和公式更不要把注意力只集中在解题上式更不要把注意力

10、只集中在解题上, ,而应在而应在学习过程中努力使自己逐步对物理学的内学习过程中努力使自己逐步对物理学的内容、方法、工作语言、概念和物理图象容、方法、工作语言、概念和物理图象, ,以以及其历史、现状和前沿等方面及其历史、现状和前沿等方面, ,从整体上有从整体上有个全面的了解。个全面的了解。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出 关键是关键是: :勤于思考勤于思考 悟物穷理悟物穷理 勤于思考勤于思考, ,就是对新的概念、定义、公式就是对新的概念、定义、公式中的符号和公式本身的含义用自己的语言陈述中的符号和公式本身的含义用自己的语言陈述出来。对于定理的证明、公式的

11、推导，最好在出来。对于定理的证明、公式的推导，最好在了解了基本思路之后，自己背着书本把它们演了解了基本思路之后，自己背着书本把它们演算出来。这样才能对它们成立的条件、关键的算出来。这样才能对它们成立的条件、关键的步骤、推演的技巧等有深刻的理解。步骤、推演的技巧等有深刻的理解。悟物穷理，就是要多向自己提问，明确哪悟物穷理，就是要多向自己提问，明确哪些是事实？哪些是推论？推论是如何得来的？些是事实？哪些是推论？推论是如何得来的？我为什么相信它等。我为什么相信它等。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返

12、回 退出退出本章目录本章目录1-0 教学基本要求教学基本要求1-1 质点运动的描述质点运动的描述1-2 圆周运动和一般曲线运动圆周运动和一般曲线运动1-3 相对运动相对运动 常见力和基本力常见力和基本力1-4 牛顿运动定律牛顿运动定律1-5 伽利略相对性原理伽利略相对性原理 非惯性系非惯性系 惯性力惯性力 上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出 一一 掌握掌握对质点运动的描述方法。能分析质点对质点运动的描述方法。能分析质点作直线运动和平面曲线运动的位置矢量、位移、速作直线运动和平面曲线运动的位置矢量、位移、速度、加速度，作圆周运动、曲线运动时的角速度、度、加

13、速度，作圆周运动、曲线运动时的角速度、角加速度、切向加速度和法向加速度角加速度、切向加速度和法向加速度二掌握二掌握应用微积分求运动量或运动方程的方应用微积分求运动量或运动方程的方法法. . 熟悉矢量的表示法和基本运算法则熟悉矢量的表示法和基本运算法则. .能用微积能用微积分方法求解一维变力作用下简单的质点动力学问题分方法求解一维变力作用下简单的质点动力学问题. .上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出三理解三理解伽利略相对性原理，会运用伽利略坐伽利略相对性原理，会运用伽利略坐标变换式和速度变换式分析相对运动问题标变换式和速度变换式分析相对运动问题.了解了解惯

14、性惯性力概念，力概念，了解了解在非惯性系中分析质点动力学问题的在非惯性系中分析质点动力学问题的基本方法基本方法.四掌握四掌握牛顿三定律及其适用条件牛顿三定律及其适用条件. .掌握用隔离掌握用隔离体法分析质点的受力和解题的方法体法分析质点的受力和解题的方法. .上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出一、质点一、质点物体物体：具有大小、形状、质量和内部结构的物质形态。具有大小、形状、质量和内部结构的物质形态。质点：质点：具有一定质量没有大小或形状的理想物体。具有一定质量没有大小或形状的理想物体。 一般情况下，物体各部分的运动不相同，在一般情况下，物体各部分的运动

15、不相同，在运动的过程中大小、形状可能改变，这使得运动运动的过程中大小、形状可能改变，这使得运动问题变得复杂。问题变得复杂。 某些情况下，物体的大小、形状不起作用，某些情况下，物体的大小、形状不起作用，或者起次要作用而可以忽略其影响或者起次要作用而可以忽略其影响简化为质简化为质点模型。点模型。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出研究地球公转研究地球公转38104 . 6105 . 1EESRR1104 . 24a. a. 转动物体自身线度与其活动范围相比小得多时转动物体自身线度与其活动范围相比小得多时可视为质点可视为质点可否视为质点，依具体情况而定：可否视为

16、质点，依具体情况而定：上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出研究地球自转研究地球自转Rv地球上各点的速度相地球上各点的速度相差很大，因此，地球差很大，因此，地球自身的大小和形状不自身的大小和形状不能忽略，这时不能作能忽略，这时不能作质点处理。质点处理。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出b. b. 物体平动时可视为质点物体平动时可视为质点物体上任一点都可以代表物体的运动物体上任一点都可以代表物体的运动上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出1.1.为什么要选用参考系为什么要选用参考系车厢

17、内的人：车厢内的人： 竖直下落竖直下落地面上的人：地面上的人： 抛物运动抛物运动-运动的描述是相对的运动的描述是相对的例如：例如： 匀速运动车厢内某人竖直下抛一小球，观匀速运动车厢内某人竖直下抛一小球，观察小球的运动状态察小球的运动状态上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出 参照系：参照系：为描述物体运动而选用的标准物体或物体系为描述物体运动而选用的标准物体或物体系 2.2.什么是参照系什么是参照系坐标系：坐标系：为了为了定量描述物体的位置与运动情况，在定定量描述物体的位置与运动情况，在定 的参考系上建立的带有标尺的数学坐标，称的参考系上建立的带有标尺的数学

18、坐标，称 坐标系。坐标系。 常用的坐标系有直角坐标系常用的坐标系有直角坐标系( (x,y,z) )，极坐标极坐标系系( ( , ) )，球坐标系球坐标系( (R, , ) )，柱坐标系柱坐标系( (R, ,z ) )。 xyzoz R参考方向参考方向zo Rxy 上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出 空间空间反映了物质的广延性，与物体的体积和位反映了物质的广延性，与物体的体积和位置的变化联系在一起。置的变化联系在一起。 时间时间反映物理事件的顺序性和持续性，与物理反映物理事件的顺序性和持续性，与物理事件的变化发展过程联系在一起。事件的变化发展过程联系在一起

19、。各个时代有代表性的时空观：各个时代有代表性的时空观： 墨子：墨子：空间是一切不同位置的概括和抽象；时空间是一切不同位置的概括和抽象；时间是一切不同时刻的概括和抽象。间是一切不同时刻的概括和抽象。 莱布尼兹：莱布尼兹：空间和时间是物质上下左右的排列空间和时间是物质上下左右的排列形式和先后久暂的持续形式，没有具体的物质和物形式和先后久暂的持续形式，没有具体的物质和物质的运动就没有时空间和时间，强调时间空间的客质的运动就没有时空间和时间，强调时间空间的客观性而忽略与运动的联系。观性而忽略与运动的联系。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出 牛顿：牛顿：空间和时间

20、是不依赖于物质的独立的客空间和时间是不依赖于物质的独立的客观存在，强调与运动的联系忽略客观性。观存在，强调与运动的联系忽略客观性。 爱因斯坦：爱因斯坦：相对论时空观，时间与空间客观相对论时空观，时间与空间客观存在，与运动密不可分。存在，与运动密不可分。 目前的时空观范围：宇宙的尺度目前的时空观范围：宇宙的尺度1026m(20亿光亿光年年) )到微观粒子尺度到微观粒子尺度10-15m，从宇宙的年龄从宇宙的年龄1018s(20亿年，宇宙年龄亿年，宇宙年龄) )到微观粒子的最短寿命到微观粒子的最短寿命10-24s。 物理理论指出物理理论指出, ,空间和时间都有下限：分别为空间和时间都有下限：分别为普

21、朗克长度普朗克长度10-35m和普朗克时间和普朗克时间10-43s 。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出( )( )( )( )xx trr tyy tzz t0),(zyxf 将运动方程中的时间消去，将运动方程中的时间消去，得到质点运动的轨道方程。得到质点运动的轨道方程。0),(zyxfzoxyP(x,y,z)ikj运动方程：运动方程：轨道方程轨道方程：运动方程与轨道方程的关系：运动方程与轨道方程的关系： 在一定的坐标系中，质点的位置随时间按一在一定的坐标系中，质点的位置随时间按一定规律变化，位置用坐标表示为时间的函数，叫定规律变化，位置用坐标表示为时

22、间的函数，叫做做运动方程。运动方程。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出OPrxyz 直角坐标描述直角坐标描述xyzoOPr 定义：定义：从参考点从参考点O O指向空间指向空间P P点的有向线段叫做点的有向线段叫做P P点的位置矢量点的位置矢量 ，简称位矢或矢径。表示为简称位矢或矢径。表示为： Pr位矢位矢描述质点在空间的位置描述质点在空间的位置jki, ,x y z表达式表达式: :ijkrxyz222zyxrr大大 小：小：方向：方向：cos/cos/cos/x ry rz r上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出位

23、移位移描述质点位置变动的大小和方向描述质点位置变动的大小和方向rABOrArB质点沿曲线运动质点沿曲线运动ArAt,时刻：BrBtt,:时刻rrrABAB末位矢末位矢初位矢初位矢位矢位矢增量增量位移位移矢量矢量位移：位移：从初位置指向末位置从初位置指向末位置的有向线段。的有向线段。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出直角坐标表示直角坐标表示：kzjyixrAAAAkzjyixrBBBB()()()BABABArx x iy y jzz k Oyxz即即kzjyixrrABOrArB( , , )AAAx y z( , )BBBx y zxiy jzk上页上

24、页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出?rrABABABrrrrrrrrroArBrr讨论：讨论：上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出sr何时取等号？何时取等号？位移：位移：是矢量，表示质点位置变化的净效果，与质是矢量，表示质点位置变化的净效果，与质 点运动轨迹无关，只与始末点有关。点运动轨迹无关，只与始末点有关。路程：路程：是标量，是质点通过的实际路径的长，与质是标量，是质点通过的实际路径的长，与质 点运动轨迹有关。点运动轨迹有关。直线直进运动直线直进运动曲线运动曲线运动0t比较位移和路程比较位移和路程ArBsABr ABs

25、 上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出trv平均速度：平均速度：在直角坐标系中在直角坐标系中粗略描述：粗略描述：,( )tA r t时刻：:,()ttB r tt时刻位移位移：r速度速度描述质点运动的快慢和方向描述质点运动的快慢和方向rxyzvijkttttrB)(ttrA0)(trxyzxyzvvvttt即，上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出精确描述精确描述：瞬时速度：瞬时速度：当当t 趋于趋于0时，时， B点趋于点趋于 A 点，平均速度点，平均速度的极限表示质点在的极限表示质点在 t 时刻通过时刻通过 A 点的点

26、的瞬时速度瞬时速度，简称，简称速度速度。表示为：。表示为：trddttttt0)()(limrrvtt0limrddrvtBr)(ttrA0)(tr1B2B3B4B5B6B上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出直角坐标系中矢量形式：直角坐标系中矢量形式：zyxkvjvivddddddddktzjtyitxtrv直角坐标系中分量形式：直角坐标系中分量形式：txvxddtyvyddtzvzdd方向:当当 时位移时位移 的极限方向，的极限方向，该位置的该位置的切线方向，指向质点前进的一侧。切线方向，指向质点前进的一侧。0tr大小: vv222zyxvvv上页上页

27、下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出平均速率平均速率tsv瞬时速率瞬时速率tstsvtddlim0?ddddtrtr?vv ?vv （1）（2）（3）速度与速率的关系速度与速率的关系速率是标量速率是标量讨论：讨论：上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出?vv （1）vtstrvsr, 平均速度的大小不等于平均速率平均速度的大小不等于平均速率?vv （2）vtstrvsrrstttdddd dd , limlim000即，时速度的大小等于速率。速度的大小等于速率。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出

28、退出trtstrvrrrrdddddd dd , ?ddddtrtr（3）BrOrrAr上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出加速度加速度是描述质点速度的大小和方向随时间变化是描述质点速度的大小和方向随时间变化快慢的物理量。快慢的物理量。x y z P2 P1 o)(ttr)(tv)(ttv)(tr)(ttv)(tvvv加速度加速度描述质点速度大小、方向变化快慢描述质点速度大小、方向变化快慢上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出x y z P2 P1 o)(ttr)(tv)(ttv)(tr1.1.平均加速度平均加速度在在t

29、 t时间内，速度增量为时间内，速度增量为 ，)()(tvttvv，方向与速度增量的方向相同方向与速度增量的方向相同。定义定义: :平均加速度平均加速度tva)(ttv)(tvv上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出2.2.瞬时加速度瞬时加速度当当t趋于趋于0时，时，P1点趋于点趋于P2点，平均加速度的极限表点，平均加速度的极限表示质点在示质点在t 时刻通过时刻通过P1点的瞬时加速度点的瞬时加速度,简称简称加速度加速度.tddvtvaxxdd 分量表示分量表示: :22ddtr22ddtx tvayydd22ddtytvazzdd22ddtz加速度定义加速度定

30、义0limvatt=rr在直角坐标系中在直角坐标系中上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出曲线运动，总是指向曲线的凹侧。曲线运动，总是指向曲线的凹侧。, v a 222zyxaaaa大小大小方向方向: : t 0时，速度增量的极限方向时，速度增量的极限方向。矢量表示矢量表示kajaiaazyx直线运动直线运动，av同向同向加速加速反向反向减速减速方向方向909090o o速率减小速率减小上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出加速度与速度的夹角大于加速度与速度的夹角大于90 ，速率减小速率减小。加速度与速度的夹角小于加速度与速度的夹角小于90 ，速率增大速率增大。vggv加速度与速度的夹角为加速度与速度的夹角为0 或或180 ，质点做直线运动质点做直线运动。加速度与速度的夹角等于加速度与速度的夹角等于90 ，质点做圆周运动。质点做圆周运动。avvava上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页下页下页 返回返回 退出退出消去消去 t 得轨迹方程：得轨迹方程：422xy例例 已知：质点的运动方程已知：质点的运动方程 jti tr)2(22求：求：