人文物理.ppt

1、11,人文物理,Arts Physics,联系：,人文物理,主讲：王清涛,2/35,第二篇从蛇头到蛇尾,微观,介观,宏观,宇观,量子力学,经典力学,天体物理,第二篇从蛇头到蛇尾,42个数量级,3/35,第二篇从蛇头到蛇尾,第1章宏观世界,1.1宏观世界的数量级,10-7m以上的客体 其下限相当于有机大分子的尺寸,我们日常生活中所接触到的都属于宏观世界。,4/35,第1章宏观世界,1.2 宏观客体的运动规律,最简单，但又是最普遍的运动形式机械运动,伽利略,定义：物体的位置随时间发生变化的运动，称为机械运动。,为了研究运动变化的规律，首先要对运动状态进行描述,5/35,第1章宏观世界,1.2.1

2、运动的描述,参考系,所谓参考系，就是为描述物体的运动而选定的另一个作为参考的物体；而坐标系是固结于参考系上的一个数学抽象。,惯性系:惯性定律在其中成立的参考系，反之称为非惯性系,7/35,一个好的物理学家，往往就是善于提出物理模型的科学家。,第1章宏观世界,1.2.1 运动的描述,物理模型,“建模”是物理学认识物质世界的基本策略，离开了模型，物理学将寸步难行，陷入一种不可知论。,质点、质点系、刚体,惯性系,8/35,第1章宏观世界,1.2.1 运动的描述,时间、时刻,位矢、位移、速度、加速度,r = r(t) 运动方程,描述物体运动的状态，首先要指出物体在哪儿运动？运动的快慢快慢怎样。为此需引

3、入相应的物理量。,9/35,第1章宏观世界,1.2.2 牛顿三定律,自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：“让牛顿去吧！” 于是一切成为光明。 亚历山大 波普,“如果说我比多数人看得远一些的话，那是因为我站在巨人们的肩上。”,10/35,第1章宏观世界,1.2.2 牛顿三定律,牛顿第一定律 物体不受外力作用将保持静止或作匀速直线运动。物体保持这种运动状态的特性，称为惯性，所以第一定律又称为惯性定律。,伽利略斜面实验,11/35,实质就是实验和理论和谐地结合起来的方法,第1章宏观世界,1.2.2 牛顿三定律,伽利略的方法：经验(以实验和观察的形式)与思维(以创造性构筑的理论和假说的形式)之

4、间的动态的相互作用。不是追随权威而是向经验和理性思维学习，正是这个观念使伽利略的工作和科学如此强有力，并且经得起时间的考验。,“对现象的观察提出假设，运用数学和逻辑的手段得出推论，通过物理的或思想的实验对推论进行检验，对假设进行修正和推广”,12/35,第1章宏观世界,1.2.2 牛顿三定律,牛顿第二定律 物体在外力作用下运动的加速度和外力成正比，并且加速度的方向和外力方向相同,又称运动基本定律.,注意： (1)物体的质量就是用来恒量物体惯性大小的物理量 (2)F 应理解为物体所受之合力,13/35,第1章宏观世界,1.2.2 牛顿三定律,牛顿第三定律 力是成对出现的，只要一个物体施力于第二个

5、物体，第二个物体就施力于第一个物体，这两个力被称为作用力与反作用力。这两个力总是大小相等，方向相反，始终在同一直线上，同时出现也同时消失。又称为作用反作用定律。,为什么我们只看到苹果下落，未见地球上升呢？,14/35,第1章宏观世界,1.2.3 万有引力定律,月亮为什么不掉下来？,物体有一定的速度，同时受到向心力作用，是维持物体作圆周运动的必要条件。,月亮以每秒1.02km绕地球轨道飞行,15/35,第1章宏观世界,1.2.3 万有引力定律,月亮为什么不掉下来？,牛顿的这种理想抛体实验，如今已经实现，这就是人造地球卫星。如果卫星离地面越高，所需要的速率就越小，例如月亮只需1千米/秒多一点。,7

6、.9千米/秒,16/35,第1章宏观世界,1.2.3 万有引力定律,牛顿认为地球拉着月亮和下落的苹果所受到的力的方式完全相同，这个力是地球施加给一切物体的吸引力。后来，牛顿根据这个道理推论，不仅地球与月亮之间有吸引力，地球与太阳之间也存在着吸引力，这就是以太阳为中心，各个行星(包括地球在内)能按一定轨道绕着太阳运动的根据。,我们只有一个宇宙，一个自然界。引力应不只存在于天体之间，以及地球与地球上的物体之间。牛顿推断，引力是普遍存在的，宇宙中的每一对物体之间都有这种力作用着，称为万有引力。,17/35,第1章宏观世界,1.2.3 万有引力定律,万有引力定律 自然界中任何两个物体都以一定的力互相吸

7、引，这个吸引力的大小同两个物体质量的乘积成正比，同它们之间距离的平方成反比。又称物质相互作用的普遍规律。,卡文迪许扭称实验被评为十大最优美物理实验。,18/35,引力,扭转力矩,金属丝扭转,平面镜 转动角度,金属丝 扭转角度,反射光转动,光点移动,引力力矩,放大,放大,放大,扭称原理流程图：,第1章宏观世界,19/35,卡文迪许扭称实验的意义 证明了万有引力的存在，使万有引力定律进入了真正实用的时代； 开创了微小量测量的先河，使科学放大思想得到推广； 卡文迪许被称为“第一个称量地球质量的人”！,第1章宏观世界,20/35,第1章宏观世界,1.2.3 万有引力定律,思考： (1)两个60的人相距

8、1米，估算出他们之间的万有引力？,0.00000024牛顿,(2)如何不用锻炼或节食来达到减轻体重的目的？,21/35,第1章宏观世界,22/35,牛顿提出万有引力定律，但并没有阐明引力的本质，以及引力是如何传递的？直到如今，这仍然是一个谜 。,配乐诗朗诵：质量奏鸣曲,23/35,第1章宏观世界,1.2.4 运动量的描述,思考：运动状态相同的物体，运动的强度是否一样？,笛卡尔,“运动的量是用它的速度和质量一起来量度的”，称为动量,动量定理：,几个物体组成的系统，不受外力作用，系统的总动量保持不变，称为动量守恒定律。,动量：,24/35,第1章宏观世界,1.2.4 运动量的描述,动量守恒的应用,

9、火箭是动量守恒定律最重要的应用之一。根据动量守恒定律，当一个系统向后高速射出一个小物体时，该系统就会获得与小物体相同大小但方向相反的动量，即系统就获得向前的速度。火箭发动机工作时，喷出的高速气体给予火箭本体一个反作用力，即推力，使火箭的速度产生变化。,齐奥尔科夫斯基,改变地球面貌的十大公式之一,25/35,原始人 计数规则,毕达哥拉斯 勾股定理,阿基米德 杠杆原理,纳皮尔 对数,牛顿 万有引力,麦克斯韦 电磁波方程,齐奥尔科夫斯基 火箭飞行原理,爱因斯坦 质能公式,德布罗意 物质波波长,玻尔兹曼 熵公式,第1章宏观世界,26/35,第1章宏观世界,1.2.4 运动量的描述,思考：下面两种情形，

10、它们的动量各为多少？,只用动量还不能准确描述转动物体的运动强度，为此引入一个新物理量角动量,动量为零!,27/35,第1章宏观世界,1.2.4 运动量的描述,角动量定义：,方向满足右手螺旋法则,大小：,角动量定理,角动量守恒：当质点系所受外力对某参考点（或轴）的力矩的矢量和为零时，质点系对该参考点（或轴）的角动量守恒。,28/35,第1章宏观世界,演示 角动量定恒,车轮的旋进,29/35,第1章宏观世界,1.2.4 运动量的描述,思考：质量不同，但动量相同的两物体它们对外做功的本领是否相同？,功是力的空间累积效应,运动的物体是具有做功本领，因运动的物体具有能，称为动能。,另外拉伸或压缩的弹簧，

11、或者被举高的物体，也都有作功的本领，它们也具有能，称为势能 。势能和动能一起称为机械能。,30/35,第1章宏观世界,1.3 经典力学的应用,力学是物理学最古老和最基础的学科，它的研究范围从一般物体的机械运动直到天体运动。宇宙探测、航天、航空，都属于力学问题，基本粒子的碰撞、衰变和相互作用的径迹也属于力学问题。作为经典力学的牛顿力学虽然被称为是一个相对准确的理论，但它的适用范围之广, 令今天的物理学家都感到吃惊。,潮汐的形成 火箭、卫星 哈雷慧星回归的确确预测 ,第一颗人造地球卫星,哈雷慧星,还有哪些？,31/35,第1章宏观世界,1.4 牛顿世界观的形成,牛顿世界观的基础是牛顿力学。力学一词

12、，在英文中与机械(mechanics)是相同的，所以这种世界观又称为机械观 。,物质运动的目的论,宇宙钟表论,“所有事件，即使是那些由于其无足轻重、看起来似乎不遵循伟大的自然法则的事件，都确实是这些法则的结果，就像日出日落是自然法则的结果那样不容置疑。所以，我们必须把宇宙的现状看成是以前状态的结果，又把它看成是它未来状态的原因。如果有一个智慧生物，他在一个给定的时刻知道自然界中一切作用力和宇宙中每个物体的位置，又有一副足够大的大脑能够完成一切必需的计算，没有什么东西是不确定的，未来就像过去一样是一本打开的书。” 拉普拉斯,32/35,第1章宏观世界,1.4 牛顿世界观的形成,1. 物质粒子性,

13、2. 运动决定性,3. 时空绝对性,4. 作用泛力性,从17世纪到20世纪，这些观念影响了欧洲和其他地方所有受过教育的人。牛顿物理学是如此成功，以致相伴的哲学即牛顿世界观几乎毫无异议地被人们接受。人们吸收了这些观念，却很少能意识到已吸收了这些观念。,主要特点：,宇宙钟表论,33/35,第1章宏观世界,1.4 牛顿世界观的形成,由于牛顿力学的迅速发展及其对经典物理学其他领域的成功渗透，直到19世纪未，绝大部分的物理学家对这种机械观都顶礼膜拜，只有极少数的物理学家敢站出来说不，这其中就有奥地利的马赫。,马赫,他首先批评了牛顿对于质量的定义(1868)，又在力学史评中批评了牛顿的绝对时空及绝对运动概

14、念，认为物体的惯性应由宇宙中所有物质决定；此外马赫从自已的经验论哲学思想出发，强调了可观察量的重要性，所有这些都深深影响了20世纪近代物理学的进展。,34/35,第1章宏观世界,1.4 牛顿世界观的形成,机械观面临的真正挑战来自20世纪新的实验事实，而后由爱因斯坦给我们带来一种全新的世界观。不过我们应该认识到，机械观是物理学发展过程中的必然产物，它的提出决不是幼稚可笑的，它使物理理论彻底摆脱了神学的干扰，带动了整个经典物理学的成长；即使在现代，牛顿力学也没有丧失其活力，在大量现代化的工程技术中仍然正常地发挥着它的作用。科学是有继承性的，当我们谈论机械观的偏激和片面时，对那些为机械观奋斗的前辈，仍然是怀着崇敬、感激的心情。,35/35,第1章宏观世界,1.4 牛顿物理学上空的几朵乌云,19世纪未和20世纪初时发现，至少在三种情况下牛顿物理学给出的预言不正确：,光速不变,多粒子体系的运动,微观领域,由宏观世界总结出来的