大學物理力學：01-力學引論VIP

1、1,生命科學的學生為什么要學大學物理,1.課程體系的要求（學分、學位）。 2.出路（保研、出國） 3.科學研究和技術工作： 提高科學素養(yǎng) 學習物理思維，提高辨識能力 借鑒物理方法 現代技術和儀器 深入思考、不斷創(chuàng)新,2,生命科學和物理科學風格迥異,生命科學 物理科學 細節(jié)整體 特殊性普遍性 形象抽象 操作邏輯 多樣（美）簡單（美） What? Use?Why? Deal? 描述定量分析,生命科學希望,物理實驗技術、數據分析方法、計算方法,物理學家玻爾： 對立即互補,3,關于學習方法和學風的要求,嚴守課堂紀律（不遲到，不隨便說話,要勤于思考,悟物窮理,反對應試觀點，重視素質和能力的培養(yǎng)，特 別是

2、創(chuàng)新意識的培養(yǎng),記筆記(要記思路、要點和有特色的內容,高質量地完成作業(yè)，注意step by step,切忌一步到位,拋棄已有的慣性,重視預習和復習，主動培養(yǎng)自學能力，適應 講思路、講背景、講重點、難點) 每門課程都有自己的特點，要接受新方法（忘掉中學的分析方法,明確學習目標，擺正自己的位置（你為什么要學這門課？中學時你很出色，現在不會那么出色,4,1 物理學與物質世界,緒論,一、物質世界,二、關于兩個前沿的基本理論,三、物理學使人們深入認識世界,2 物理學與科學思維,一、物理學的研究方法,二、物理學家的科學態(tài)度,3 物理學與科學技術,4 為什么要學習物理,5,物理學是研究物質、能量和它們的相互

3、作用的學科,一、物質世界,研究的對象十分廣泛:時間、空間跨度極大。宇觀、宏觀、介觀、微觀，為人們描繪出一副五彩繽紛的圖畫,空間尺度(相差10451046) 1026 m(約150億光年)(宇宙)1020 m(夸克,時間尺度(相差1045) 1018s 150億年(宇宙年齡)-10-27s(硬 射線周期,速率范圍0(靜止) - 3x108 m/s(光速,1 物理學與物質世界 第23屆國際純粹物理與應用物理聯(lián)合會（IUPAP）大會（99.3.1621）通過的“決議五”中十分精辟地指出,6,人們從自己向小尺度追問 以探索物質的組成 物理學上對應 粒子物理學 目前物理學界公認組成物質的最小單元是夸克

4、即認為quark沒有內部結構,但近來有消息稱: quark 也可一分為二,說明認識是無止境,不同尺度和速度范圍的對象要用不同的物理學研究,基本的相互作用 : 電磁相互作用、強、弱相互作用、引力相互作用,7,人們從自己向大尺度追問以探索宇宙的奧秘 物理學上對應 天體物理學,宇宙是怎樣運動的呢？ 進行絕熱膨脹 宇宙半徑增大 宇宙密度降低 溫度降低,宇宙有限又無邊,有中心?無中心,二、關于兩個前沿的基本理論,粒子物理學(微觀理論) 標準模型 認定基本粒子 揭示物質的組成 高能物理實驗(實驗手段) 發(fā)展加速器取得實驗數據 驗證微觀理論,8,天體物理學(宇觀理論) 標準宇宙模型 分析宇宙的起源 大爆炸宇

5、宙學,目前天體物理理論和粒子物理理論已成為 密不可分的姊妹學科 標準宇宙模型給出的宇宙起源與基本粒子的標準模型給出的物質組成是一致的,從遙遠的過去宇宙產生于大爆炸，絕熱膨脹 至今。我們生活在這樣的世界中。人們從自己 開始，通過各種實驗手段(比如，加速器)把物 質打開，探索內部的由來,從而體現了物理學的和諧、完美和對稱,9,10,依靠高能粒子加速器的發(fā)展,11,三、物理學使人們深入認識世界 物質存在的基本形式 中學時已有 粒子和場 的認識,場論給出最新認識每種粒子對應一種場； 場有不同能量狀態(tài),場與粒子是統(tǒng)一體的兩種表現形式,基本相互作用 粒子是場的激發(fā)態(tài)形式，粒子間的相互作用來自場之間的相互作

6、用。場之間的相互作用是粒子轉化的原因,物質的凝聚狀態(tài) 凝聚態(tài)(固、液)；氣態(tài)； 等離子體；致密態(tài)。 白矮星、中子星、黑洞,12,演繹法 推理，演算 歸納法 假設，模型 定性和半定量,物理上的直覺、想象力、洞察力也常常產生重大突破和發(fā)現,2 物理學與科學思維,一、物理學的研究方法,物理學是一門理論和實驗高度結合的精確科學,13,具體地說，物理學還有許多有特色的方法,物理學家的,二、物理學家的科學態(tài)度,1/3 激奮在于 建立理論 1/3 激奮在于 證實理論 1/3 激奮在于 突破理論,愛因斯坦是典范,對稱性分析 守恒量的利用 簡化模型的選取 概念和方法的類比 定性和半定量分析 量綱分析 能量分析（

7、各種光譜儀）,14,3 物理學與科學技術,第三次世界物理學會大會（2000.12.15-16 Berlin, Germany）決議指出,物理學是我們認識世界的基礎， 是其他科學和絕大部分技術發(fā)展的直接的或不可缺少的基礎，物理學曾經是、現在是、將來也是全球技術和經濟發(fā)展的主要驅動力,歷史上物理與技術的關系大致有兩種模式,技術物理技術(以第一次工業(yè)革命為標志,20世紀兩種模式并存、交叉,物理技術物理(以電氣化進程為標志,但幾乎所有重大,新技術的創(chuàng)立,都是以物理學的發(fā)展為先導的,15,被譽為第二次工業(yè)革命的整個信息技術的發(fā)生、發(fā)展，其硬件部分幾乎都以物理學成果為基礎,物理等基礎科學與工程技術的關系可

8、形象地 用工程技術的“知識之樹”表示,例如,物理,技術,物理,量子力學 費米狄拉克統(tǒng)計 固體能帶理論 （20年代,物理,技術,物理,16,原子操縱寫出的“100”和“中國,17,我國利用原子操縱技術成功地寫入了直徑為0.6nm的信息點陣，比國外小一個數量級,點陣信息存儲密度達1014bit/cm2,直接為1.3nm的信息點陣,18,電氣工程,電力,電子,自動控制,19,4 為什么要學習物理學,打好學習其它學科的基礎,提高科學素質和能力,以適應高新技 術和市場經濟的發(fā)展(轉產,轉行,學習物理對提高科學素質有重要作用,1）培養(yǎng)辯證唯物主義的世界觀,2）學會掌握科學的方法,3）培養(yǎng)科學思維能力、發(fā)展

9、智力,4）培養(yǎng)探索與創(chuàng)新精神,現代科學技術人員必須具備良好的科學 素質,20,科學技術人員良好的物理素質表現為,在科學技術問題面前，能夠從物理本質上 提出問題和作出判斷,要重視提高科學素質，不要把物理課 當專業(yè)課來對待,認識問題,不斷創(chuàng)新,解決問題,注意物理學的發(fā)展，不斷探索如何把物理學 的新成果引入到科學技術中,能夠把物理學的思想、觀點、規(guī)律和方法 運用到科學技術的實際中,21,發(fā)展獨立思考和獨立創(chuàng)新的一般能力，應當始終放在首位，而不應當把知識放在首位。如果一個人掌握了他的學科的基礎理論，并且學會了獨立思考與工作，他必定會找到自己的道路。而且比起那些主要以獲取細節(jié)知識為其訓練內容的人來他一定

10、會更好適應進步和變化 愛因斯坦,結束語,不斷地探索未知是 物理學家一生的,追求,22,第一章 力學引論,力學發(fā)展史,起源于對自然現象的觀察以及生產勞動經驗的總結,里程碑,阿基米德：杠桿(阿基米德的名言？。）浮力、重心。 奠定了靜力學的基礎。 伽利略：自由落體、加速度。 牛頓：1687年自然哲學的數學原理，牛頓三定律（力學的創(chuàng)建,拉格朗日、歐拉分析力學（完備了力學體系），從此力學也獨立于物理學成為應用科學,23,1.1 力學的研究對象,力學就是研究物體機械運動的學科。 它主要包括以下兩個方面： （1）運動學：研究如何描述物體的運動。 （2）動力學：研究物體為什么運動，探討物體運動和物體間相互作用

11、的聯(lián)系及規(guī)律。 靜力學可以作為動力學的一部分。 選定了參考系才可以討論運動（經常容易忽略） 不同參考系下力學規(guī)律是否相同？ 運動總是在一定空間里進行的， 運動過程經歷了一段時間， 時空觀（ 對時間和空間的認識）也是力學的一個課題,24,質點運動學的基本概念,一、參照系和坐標系宇宙中的一切物體都在運動，沒有絕對靜止的物體，這叫運動的絕對性,為了描述一個物體的機械運動，必須選另一個物體作參照物，被選作參照的物體稱為參照系，參照系的選擇可視問題性質而任意選定,同一物體的運動，由于我們選取的參照系不同，對它的運動的描述就不同，這稱為運動描述的相對性,只有參照系還不能定量地描述物體的位置。需要在參照系上

12、固定一個坐標系，這樣就可定量描述物體的位置。常用坐標系有直角坐標系、柱坐標系和球坐標系,坐標是空間上均勻分割，線性度量的需要。豆腐；圓柱，球,25,二、質點和剛體,在某些問題中，物體的形狀和大小并不重要，可以忽略，可看成一個只有質量、沒有大小和形狀的理想的點，這樣的物體可稱為質點,在某些問題中，物體的形狀和大小不能忽略，但是外力作用下發(fā)生的形變可以忽略，可看成一個有質量、有大小和形狀、但不會發(fā)生形變的理想物體，這樣的物體可稱為剛體,三、時間和時刻,一個過程對應的時間間隔稱時間，某一瞬時稱時刻,26,1.2 力學中的數學方法,運動學： 位移、速度、加速度 矢量加（減）法、矢量微積分， 坐標系及矢

13、量的坐標表示， 角速度矢量的叉乘（矢量積） 相對運動坐標變換,動力學： 力、矢量加（減）法、力矩、角動量、矢量的叉乘 （矢量積）、功、矢量的點乘（標量積）、線積分,非均勻（非線性）狀態(tài)才是普遍的，線性或均勻是特殊的，但更容易認識和把握,27,1.3 力學中的基本物理量,3.1 力學的基本單位和導出單位 量綱,研究問題時會碰到許多物理量,但它們之間有一定聯(lián)系,為了方便可選一些物理量作為基本物理量,簡稱為基本量.并規(guī)定這此基本量的單位,稱之為基本單位.由此導出的物理量簡稱為導出量,其單位稱導出單位,3.2 力學的單位制,力學選三個基本單位.不同的基本單位構成不同單位制,有 米公斤秒制, 厘米克秒制

14、, 實用工程單位制等,28,SI基本單位,長度 米 m 質量 千克 kg 時間 秒 s 電流 安培 A 熱力學溫度 開爾文 K 物質的量 摩爾 mol 發(fā)光強度 坎得拉 cd,29,SI制是米公斤秒制,是標準國際實用單位制,即MKS制.此制中物理量長度的單位用米(M),物理量質量的單位用千克(Kg),物理量時間的單位用秒(S,1.米是SI的長度單位, 1m=C/299792458 (C為真空中光速,2.千克是SI制的質量單位.質量包含F=ma中慣性質量m和萬有引力F=GMm/r2中引力質量m, 在概念上它們有本質差異,但理論和實驗上都證明它們相等,3.秒是SI制的時間單位,30,典型的長度,哈勃半徑 地球半徑 人的典型高度 書頁的厚度 氫原子半徑 質子有效半徑 弱電統(tǒng)一的特征尺度 普朗克長度,31,宇觀和微觀常用尺度 注：不是SI單位,天文單位 光年 埃(,32,典型的質量,已知宇宙 銀河系 地球 人 灰塵 煙草花葉病毒 質子 電子,33,典型的時間,宇宙年齡 地球的年齡 人的平均壽命 一天 典型的分子旋轉周期 快速運動粒子穿越原子核的時間,34,力學中的物理量可用基本物理量某種組合式耒表示, 此式稱量綱式,簡稱為量綱,SI制中,長度.質