大學(xué)物理緒論及運動學(xué).ppt

大學(xué)物理,福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,王蘇潭,wst1208,0.1物理學(xué)的含義,以實驗為基礎(chǔ)研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其相互作用及運動基本規(guī)律的學(xué)科,空間尺度：粒子物理學(xué)10-15m,時間尺度：微觀粒子壽命10-24s宇宙年齡1018s42個數(shù)量級,0.1.1研究領(lǐng)域,天體物理學(xué)1026m41個數(shù)量級,最小空間尺度：普朗克長度10-35m,最小時間尺度：10-43s,緒論,0.1.2起源,2600多年前的古希臘自然哲學(xué)。,歐幾里得；光學(xué)和論鏡被認(rèn)為是最早的光學(xué)專著,墨經(jīng)：記載了光學(xué)、力學(xué)、數(shù)學(xué)的發(fā)現(xiàn)，比如世界最早的小孔成像實驗、杠桿平衡研究等。,伽利略(GalileoGalilei,15641642),伽利略的方法：一般觀察實驗測試?yán)硐雽嶒灱僭O(shè)、演繹、推理實驗驗證科學(xué)真理,亞里斯多德：物理學(xué)是世界上最早的物理學(xué)專著；,阿基米德：物理的著作很多，他一生的發(fā)明有40多種,伽利略,牛頓(1642-1727),17世紀(jì)，牛頓建立經(jīng)典力學(xué)；,愛因斯坦(1879-1955),18-19世紀(jì)，卡諾、焦耳、克勞修斯、麥克斯韋、玻爾茲曼等建立熱力學(xué)；,克勞修斯、麥克斯韋、玻爾茲曼等建立氣體動理論；庫侖、奧斯特、法拉第、麥克斯韋等建立電磁學(xué)。,力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)合稱經(jīng)典物理學(xué),0.2物質(zhì)及其相互作用,0.3物理學(xué)與技術(shù)革命,牛頓力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展,電磁學(xué)的發(fā)展,相對論和量子力學(xué)的發(fā)展,蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用,電力廣泛應(yīng)用和無線電通訊的實現(xiàn),原子能,激光,半導(dǎo)體和計算機(jī)技術(shù),學(xué)習(xí)物理除了掌握基本知識外，更重要的是學(xué)習(xí)科學(xué)的思維方法。,1物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)。物理定律不但適用于物理，也適用于其他學(xué)科。,04為什么要學(xué)物理,2物理學(xué)家在創(chuàng)立和發(fā)展物理學(xué)的過程中，創(chuàng)造了整套的科學(xué)方法值得我們借鑒。通過學(xué)習(xí)，將對我們觀察力、想象力、創(chuàng)造力、抽象思維、邏輯推理能力的培養(yǎng)起到事半功倍的效果。物理是素質(zhì)教育的載體。,3通過學(xué)習(xí)物理的，我們將學(xué)到科學(xué)家對未知事物不懈探索和實事求是的精神。,05如何學(xué)好物理,如何學(xué)好物理,1）在中學(xué)物理基礎(chǔ)上加深和提高，深入介紹各種物理規(guī)律的來龍去脈、各種公式推導(dǎo)過程。培養(yǎng)科學(xué)的思維方式,2）研究各種物理量為變量、瞬時量時的物理問題,3）大量應(yīng)用微積分、矢量等高等數(shù)學(xué)手段來研究物理量,1）一定要弄清所學(xué)的物理概念，理解公式的適用條件、來龍去脈、推導(dǎo)過程，靈活運用，訓(xùn)練科學(xué)的思維過程。,2)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)、提高自學(xué)能力,大學(xué)物理與中學(xué)物理的差異,3)及時獨立完成作業(yè),雙向交流，作筆記，提高上課效率,4)重視觀察與實驗作用，分析、解釋生活中的物理現(xiàn)象。,5)良好的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：矢量與微積分,0.6課堂講授內(nèi)容,0.7參考書,物理學(xué)（上、下）馬文蔚主編（第5版）,普通物理學(xué)（上、中、下）程守洙、江之永主編,大學(xué)物理學(xué)（1、2、3、4、5）張三慧,1矢量(矢徑）,矢量相等定義：長度相等，平行，指向相同,常矢量：大小和方向都不變的矢量,定長矢量：大小不變的矢量,矢量(向量）及矢量基本運算,矢量的方向用方向余弦表示：cosa=x/r,cosb=y/r,cosg=z/r且cos2a+cos2b+cos2g=1,單位矢量,零矢量：=0方向任意,2矢量加減,1)矢量加法：,2)矢量減法：,矢量的標(biāo)積坐標(biāo)表示法,3矢量的標(biāo)積（點積、內(nèi)積）,標(biāo)積的結(jié)果為標(biāo)量,為在方向的投影Acosq與的模的乘積,4矢量的矢積（叉積、外積),方向：由A到B(180)右手螺旋法或右手法則,大?。浩叫兴倪呅蚊娣e,BA,則AB=0,矢積的性質(zhì)：,矢積的結(jié)果為矢量,矢量的矢積坐標(biāo)法,5、矢性函數(shù)的導(dǎo)數(shù)(導(dǎo)矢),幾個基本矢性函數(shù)導(dǎo)數(shù),3、,5、,矢性函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù),6、矢性函數(shù)的積分,第一章時空、對稱性及質(zhì)點機(jī)械運動的描述,基本要求,一掌握位置矢量、位移、速度、加速度等描述質(zhì)點運動及運動變化的物理量.理解這些物理量的矢量性、瞬時性和相對性.,二理解運動方程的物理意義及作用，掌握運用運動方程確定質(zhì)點的位置、位移、速度和加速度的方法，以及已知質(zhì)點運動的加速度和初始條件求速度、運動方程的方法.,三能計算質(zhì)點在平面內(nèi)運動時的速度和加速度，以及質(zhì)點作圓周運動時的角速度、角加速度、切向加速度和法向加速度.,四了解物質(zhì)、運動、時間、空間的概念，,1.天文單位（AU）：日地距離1AU1.51011m,2.光年（l.y.）：1l.y.1016m,物質(zhì)兩種基本形式：實物與場,一、物質(zhì)與運動,運動是物質(zhì)固有特性，它是由能量的漲落引起。,二、時間與空間,時間反映物理事件的順序性和物質(zhì)運動的連續(xù)性。單位為秒S,空間反映了物質(zhì)的廣延性?；締挝粸槊譵,11物質(zhì)運動時間空間,1m是光在真空中在（1/299792458s）內(nèi)所經(jīng)過的距離.,1s是銫的一種同位素133CS原子發(fā)出的一個特征頻率光波周期的9192631770倍.,定義：表示一個物理量如何由基本量的組合所形成的式子.,量綱作用,1）可定出同一物理量不同單位間的換算關(guān)系.,3）從量綱分析中定出方程中比例系數(shù)的量綱和單位.,2）量綱可檢驗文字結(jié)果的正誤.,量綱,力學(xué)物理量的量綱,力學(xué)的基本單位和量綱,“千克標(biāo)準(zhǔn)原器”是用鉑銥合金制造的一個金屬圓柱體.,一對稱性：,二對稱性的分類,形象對稱性,1)空間：平移、轉(zhuǎn)動、鏡像和標(biāo)度變換對稱等,3)公式定律：,2）時間操作有時間平移、時間反演對稱,抽象對稱性,正電與負(fù)電、南磁極與北磁極、電場與磁場、粒子與反粒子、物質(zhì)的波動性與粒子性等。,12對稱性,三空間對稱性,1、鏡像對稱:數(shù)學(xué)表達(dá):f(r)=f(-r),2、轉(zhuǎn)動對稱：軸對稱，圓對稱、球?qū)ΨQ性,3、平移對稱：,就是一個物體或物體系統(tǒng)在某種變換下具有的不變性。對稱性給自然界帶來了和諧與美,13質(zhì)點運動的描述,1.3.1質(zhì)點的機(jī)械運動,1運動的相對性,質(zhì)點：是力學(xué)中的一個理想模型，有質(zhì)量無大小形狀理想物體,參考系：為描述物體的運動而選擇的標(biāo)準(zhǔn)物叫做參考系.,1.3.1.2位置矢量,物體運動的形式隨參考系的不同而異的事實，稱為運動的相對性,位矢r的大小:,1.3.1.3運動方程,運動方程是反映質(zhì)點的空間位置隨時間變化的過程,坐標(biāo)系：為定量描述參考系中物體的運動而固定在參考系上的數(shù)學(xué)坐標(biāo)系.,1.3.1.4軌道方程,質(zhì)點運動過程中，位矢的末端在空的軌跡曲線稱為質(zhì)點的運動軌道,1.3.2位移矢量位置的變化,位矢改變量稱之為位移,位移的大小為,路程DS:實際運動軌跡的長度,位移矢量只與始末位置有關(guān)，與質(zhì)點所經(jīng)過的路徑無關(guān)。,D稱為增量算子,位矢大小、方向變化均會產(chǎn)生位移。,A)確切反映物體在空間位置的變化,與路徑無關(guān)，只決定于質(zhì)點的始末位置.,B）一般情況,位移大小不等于路程.|Dr|DS，當(dāng)物體作不改變方向的直線運動時|Dr|=DS;當(dāng)Dt0時,|dr|=dS,（C）位移是矢量,路程是標(biāo)量.,A）P1P2兩點間的路程DS是不唯一的,而位移|Dr|是唯一的.DS|Dr|,位移矢量r與位置矢量r不同點：r與原點無關(guān),B）反映了運動的矢量性和疊加性.,1.3.3速度矢量位置變化的快慢,1平均速度,2瞬時速度,位矢大小、方向變化均會產(chǎn)生速度。,速度的大小稱為速率，即質(zhì)點走過的路程ds對時間dt的變化率,m/s,運動質(zhì)點在某瞬時位于矢徑r(x,y)處，其速度大小為:,當(dāng)質(zhì)點做曲線運動時,質(zhì)點在某一點的速度方向就是沿該點曲線的切線方向.,1.4.1加速度矢量速度矢量變化的快慢,14質(zhì)點運動變化的描述,1.4.1.1平均加速度,1.4.2加速度矢量在直角坐標(biāo)系中的表述,1.4.1.2加速度（瞬時加速度）,加速度大小,單位時間內(nèi)的速度增量;單位:m/s2,速度大小、方向變化均會產(chǎn)生加速度。,加速度的方向是dv的方向。dv的方向一般不同于速度v的方向，所以a與v的方向一般不同。,直線運動中，a與v的方向在同一直線上，但有同向與反向兩種情況。曲線運動時，加速度a總是指向軌跡曲線凹的一邊。,例：已知質(zhì)點作勻加速直線運動,加速度為a，求質(zhì)點運動方程？,加速度與速度,1.4.3.1.圓周運動切向加速度和法向加速度,切向加速度的大小表示質(zhì)點速率變化的快慢,法向加速度表示質(zhì)點速度方向變化的快慢,1.4.3加速度矢量在自然坐標(biāo)系中的表述,自然坐標(biāo)系:原點在曲線上，方向分別為切向t與法向n,特點:原點是變化，方向也是變化,1.4.3.2一般曲線運動中的和,變速直線運動,勻速曲線運動,1.4.3.3圓周運動的角量描述,3.1角位置,3.2角位移,方向:由右手螺旋法則確定單位:rad/s,角運動方程,3.4角加速度,3.5勻變速圓周運動方程=0+t，=0+0t+1/2t2，2=02+2(-0),四角量與線量的關(guān)系,例3已知質(zhì)點作勻速圓周運動，其運動方程為x=Rcosty=Rsint，其中R為圓周半徑，為質(zhì)點運動的角速度。求：1）質(zhì)點運動的位矢,2）質(zhì)點運動的速度,3）質(zhì)點運動的加速度。,S=qRdr=Rdq,質(zhì)點運動學(xué)兩類基本問題,一由質(zhì)點的運動方程求得質(zhì)點的位矢、速度和加速度；,二已知質(zhì)點的加速度以及初始速度和初始位置,可求質(zhì)點速度及其運動方程.,例有一個球體在某液體中豎直下落,其初速度，它在液體中的加速度為，問：(1)經(jīng)過多少時間后可以認(rèn)為小球已停止運動；(2)此球體在停止運動前經(jīng)歷的路程有多長？,例如圖A、B兩物體由一長為l的剛性細(xì)桿相連，A、B兩物體可在光滑軌道上滑行如物體A以恒定的速率v向左滑行,當(dāng)a=60時,物體B的速率為多少？,在兩個相對作直線運動的參考系中，時間的測量是絕對的，空間的測量也是絕對的，與參考系無關(guān),時間和長度的的絕對性是經(jīng)典力學(xué)或牛頓力學(xué)的基礎(chǔ),相對運動,質(zhì)點在相對作勻速直線運動的兩個坐標(biāo)系中的位移,S系基本參考系S系運動參考系.是S系相對S系運動的速度,速度變換,位移關(guān)系,伽利略速度變換,當(dāng)接近光速時，速度變換不成立,若,加速度關(guān)系,總結(jié)：本章主要介紹了：對稱性、參考系、運動函數(shù)（運動方程）、軌道方程、位置矢量、位移矢量、速度矢量、加速度矢量、自然系、角位置、角位移、角速度、角加速度、線量與角量關(guān)系、勻加速直線運動與圓周運動對應(yīng)關(guān)系式,伽利略(GalileoGalilei,15641642),伽利略首先將物體運動分為變速運動與勻速運動，并證明自由落體是勻變速運動并明確力是使運動物體產(chǎn)生加速度的原因，為經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立奠定基礎(chǔ)。,伽利略在科學(xué)上的貢獻(xiàn)主要有以下幾方面：,伽利略在研究方法上為近代物理學(xué)的發(fā)展開辟了道路，是他首先把實驗引進(jìn)物理學(xué)并賦予重要的地位，并注意嚴(yán)格的推理和數(shù)學(xué)的運用，,1）論證和宣揚了哥白尼學(xué)說，令人信服地說明了地球的公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)以及行星的繞日運動,2）論證了慣性運動，指出維持運動