大学基础物理学.ppt

1、大学基础物理学,2,概述,大学基础物理学,课本： 大学基础物理学（上，下册）张三慧 编著 上课时间： 星期三 5-7节 星期五 3-4节 任课老师： 黄性涛 专业：粒子物理与原子核物理专业 办公室：东校区新校邵逸夫科学馆408 联系方式：88364516 或 ,3,概述,物理学：研究自然界物质的科学 物理学的发展历史 物理学的特点,4,概述,两个主要发展时期:,物理学发展历史,16001900:,18901930:,经典物理学发展时期,近代物理学开始发展时期,5,概述,经典物理学(Classical physics),三位伟大的物理学家作出了开创性的贡献,伽利略 (Galileo Galile

2、i ,1564-1642),开普勒(Johannes Kepler, 1571-1630),牛顿(Isaac Newton, 1643-1727),6,概述,开普勒(Johannes Kepler) :,德国天文学家，首次精确地、定量地描述了行星绕太阳地椭圆形轨道.,行星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳位于椭圆的一个焦点上； 对于任一行星，从太阳到行星的矢量在相等的时间内扫过相等的面积； 行星绕太阳运动周期T的平方和椭圆轨道的半长轴a的立方成正比，即T2/a3=常数,行星运动三定律(The three laws of planetary motion):,7,概述,伽利略(Galileo Galil

3、ei):,意大利天文学家和物理学家，其研究工作包括:,物体的运动：,用自己发明的望远镜进行天文学研究,月球表面是不平整的. 围绕木星(Jupiter)的四颗卫星; 太阳黑子(Sunspots) ,创立了运动学:定量描述物体的运动; 相对性原理 惯性概念,8,概述,牛顿(Isaac Newton):,英国物理学家和数学家。在伽利略和开普勒等人工作的基础上建立了运动的基本定律:,运动三定律 动力学: 解释运动的起因的理论; 万有引力定律。,1686年出版了牛顿的划时代著作自然哲学的数学原理 “Philosophiae Natualis Principia Methematica” ( Mathem

4、atical Principles of natural Philosophy, Principia),创立了经典运动学和动力学牛顿力学,关于自然哲学的第一个伟大的物理理论,9,概述,电学和磁学(Electricity and Magnetism):,从18世纪到19世纪，进行了大量的电学和磁学的实验,库仑(Charles Coulomb): 库仑定律 静止的点电荷间静电力; 奥斯特(Christian Oersted): 电流的磁效应 -电磁学 法拉第(Michael Faraday): 电磁感应定律,麦克斯韦(James Clerk Maxwell): 在1864年实现了电学和磁学的统一电

5、磁学理论,关于自然哲学的第二个伟大的物理理论,10,概述,热力学(Thermodynamics):,起源于19世纪的工业革命 需要理解与设计更好的蒸气机相关的参数.,卡诺(Sadi Carnot): 研究了蒸气机的效率问题 焦耳(James Prescott Joule): 机械能损耗和热传 克劳修斯(Rudolf Clausius): 熵(entropy) 玻耳兹曼(Ludwig Boltzmann): 动力学理论和熵的统计意义; 吉布斯(J. Willard Gibbs): 理论工作, 热力学定律(The physical laws of thermodynamics),11,概述,力学：

6、Mechanics(运动) 电磁学：Electromagnetism(电荷) 热力学：Thermodynamics(热) 统计力学：Statistical Mechanics(多体),到19世纪末，建立起了完美的经典物理学理论体系：,12,概述,近代物理学(Modern Physics),爱因斯坦(A. Einstein,1879-1955): 提出了全新的时空观和新的引力理论:,1905年, 狭义相对论(special theory of relativity) 1915年, 广义相对论(general theory of relativity),相对论(Relativity):,经典物理学

7、发展时期的”结束“，近代物理发展时期的”开始“,13,概述,19世纪末，实验上发现了一系列经典物理学无法解释的新现象:,1895年，德国物理学家伦琴(Wilhelm Conrad Rntgen,1845-1923)发现了x射线。,近代物理学(Modern Physics),14,概述,1896年, 法国物理学家贝可勒尔(A.H.Becquerel) 发现了放射性(radioactivity).,1895年, 英国物理学家J.J.汤姆孙(J.J Thomoson,1856-1940)发现了电子；,近代物理学(Modern Physics),15,概述,这些发现使物理学的研究扩展到微观世界(mic

8、roscopic world).,20世纪20年代（1920）由下列伟大的物理学家发展起来的: 薛定谔(Erwin Schrodinger) 泡利(Wolfgang Pauli) 海森伯(Werner Heisenberg) 狄拉克(P. A. M. Dirac) 玻尔(Niels Bohr) 费米(Enrico Fermi),量子力学(Quantum mechanics)：描述微观物体的运动和相互作用,16,概述,狭义相对论(Special relativity) 广义相对论(general relativity) 量子力学(quantum mechanics),近代物理学的基础:,近代物理

9、学:,粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、等离子体物理、无线电物理、.,交叉学科：天体物理、地球物理、化学物理、生物物理、.,17,概述,经典物理学和近代物理学的研究领域：,18,概述,物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学,观测(Observation),理论(Theory),预言(Predictions),通过实验观测自然界的现象,利用逻辑推理和数学演算得到与实验观测现象相关的模式和原理,物理学的特点,19,概述,Agrees,Disagrees,新理论,观测(Observation),理论(Theory),预言(Predictions),20,概述,物理学与数学的关系：,2

10、1,概述,勤于思考，悟物穷理,矢量 Vector,数学预备知识 Math Prerequisites,23,概述,矢量(vectors)是学习力学的必备数学知识.,利用斯失量表述物理定律的优点:,简洁; 与坐标系无关.,在本节中将学习:,矢量的基本性质; 矢量的运算; 矢量函数的微分和积分.,矢量(Vector),矢量及其表示 矢量加法和减法 矢量乘法 矢量的直角坐标分量 矢量函数的微积分,矢量 Vector,25,概述,1.1 定义,标量(Scalar):,只有大小的量. 可用一实数表示. 例: 温度、时间、速率、,矢量(Vector):,有大小和方向, 且相加时遵循平行四边形法则. 例:

11、力、速度、位移、加速度、,1. 矢量及其表示,26,概述,1.2 矢量的表示,三种常用的矢量表示方法:,用粗体字: A 用下划线: A 箭头表示: A,A = A = A,矢尾,矢端,线段长度表示大小 箭头表示方向,27,概述,1.3 矢量的几个重要性质,矢量相等:,两个矢量A和B相等(记为A = B), 如果,它们的大小相等, 即 |A| = |B| 它们具有相同的方向.,零矢量:,大小为零，具有任意的方向，记为0,28,概述,标量-矢量相乘:,标量m与矢量A的乘积冷为矢量，记为mA或Am,mA的大小 : | mA| = |m|A|; mA的方向 :,如果 m 0, 与A相同; 如果 m 0

12、, 与A相反; 如果 m = 0, 零矢量;,对 m = -1, mA = (-1)A =-A是一个与A大小相同但方向相反的矢量.,29,概述,标量-矢量乘法的性质:,结合律(Associative law),交换律(Commutative law),30,概述,单位矢量(Unit vector):,大小为1,用于指定方向,表示:,A = |A|,A,矢量及其表示 矢量加法和减法 矢量乘法 矢量的直角坐标分量 矢量函数的微积分,矢量 Vector,32,概述,B,A,C,2.1 矢量加法,定义:,A + B = C,C : A和B的合矢量 A, B: C的分量,矢量分解: 将一矢量用其分量代替的过程,方法:,平行四边形法则(Parallelogram rule):,33,概述,三角形法则(Triangle rule):,B,A,C,34,概述,C的大小和方向,余弦定理:,正弦定理:,or,35,概述,多个矢量相加:,多边形法则,36,概述,矢量加法的性质:,设A、B和C是三个矢量,交换律(Commutative law): A + B = B + A 结合律(A