大學(xué)物理力學(xué)：01-力學(xué)引論

1、1,生命科學(xué)的學(xué)生為什么要學(xué)大學(xué)物理,1.課程體系的要求（學(xué)分、學(xué)位）。 2.出路（保研、出國） 3.科學(xué)研究和技術(shù)工作： 提高科學(xué)素養(yǎng) 學(xué)習(xí)物理思維，提高辨識能力 借鑒物理方法 現(xiàn)代技術(shù)和儀器 深入思考、不斷創(chuàng)新,2,生命科學(xué)和物理科學(xué)風(fēng)格迥異,生命科學(xué) 物理科學(xué) 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(xué)希望,物理實驗技術(shù)、數(shù)據(jù)分析方法、計算方法,物理學(xué)家玻爾： 對立即互補,3,關(guān)于學(xué)習(xí)方法和學(xué)風(fēng)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(yīng)試觀點，重視素質(zhì)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(nèi)容,高質(zhì)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(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，主動培養(yǎng)自學(xué)能力，適應(yīng) 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(xué)的分析方法,明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，擺正自己的位置（你為什么要學(xué)這門課？中學(xué)時你很出色，現(xiàn)在不會那么出色,4,1 物理學(xué)與物質(zhì)世界,緒論,一、物質(zhì)世界,二、關(guān)于兩個前沿的基本理論,三、物理學(xué)使人們深入認識世界,2 物理學(xué)與科學(xué)思維,一、物理學(xué)的研究方法,二、物理學(xué)家的科學(xué)態(tài)度,3 物理學(xué)與科學(xué)技術(shù),4 為什么要學(xué)習(xí)物理,5,物理學(xué)是研究物質(zhì)、能量和它們的相互

3、作用的學(xué)科,一、物質(zhì)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(xué)與物質(zhì)世界 第23屆國際純粹物理與應(yīng)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(zhì)的組成 物理學(xué)上對應(yīng) 粒子物理學(xué) 目前物理學(xué)界公認組成物質(zhì)的最小單元是夸克

4、即認為quark沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu),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(xué)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(xué)上對應(yīng) 天體物理學(xué),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(guān)于兩個前沿的基本理論,粒子物理學(xué)(微觀理論) 標(biāo)準(zhǔn)模型 認定基本粒子 揭示物質(zhì)的組成 高能物理實驗(實驗手段) 發(fā)展加速器取得實驗數(shù)據(jù) 驗證微觀理論,8,天體物理學(xué)(宇觀理論) 標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型 分析宇宙的起源 大爆炸宇

5、宙學(xué),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(xué)科 標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型給出的宇宙起源與基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型給出的物質(zhì)組成是一致的,從遙遠的過去宇宙產(chǎn)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(zhì)打開，探索內(nèi)部的由來,從而體現(xiàn)了物理學(xué)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(xué)使人們深入認識世界 物質(zhì)存在的基本形式 中學(xué)時已有 粒子和場 的認識,場論給出最新認識每種粒子對應(yīng)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(xiàn)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(zhuǎn)化的原因,物質(zhì)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(shè)，模型 定性和半定量,物理上的直覺、想象力、洞察力也常常產(chǎn)生重大突破和發(fā)現(xiàn),2 物理學(xué)與科學(xué)思維,一、物理學(xué)的研究方法,物理學(xué)是一門理論和實驗高度結(jié)合的精確科學(xué),13,具體地說，物理學(xué)還有許多有特色的方法,物理學(xué)家的,二、物理學(xué)家的科學(xué)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(xué)與科學(xué)技術(shù),第三次世界物理學(xué)會大會（2000.12.15-16 Berlin, Germany）決議指出,物理學(xué)是我們認識世界的基礎(chǔ)， 是其他科學(xué)和絕大部分技術(shù)發(fā)展的直接的或不可缺少的基礎(chǔ)，物理學(xué)曾經(jīng)是、現(xiàn)在是、將來也是全球技術(shù)和經(jīng)濟發(fā)展的主要驅(qū)動力,歷史上物理與技術(shù)的關(guān)系大致有兩種模式,技術(shù)物理技術(shù)(以第一次工業(yè)革命為標(biāo)志,20世紀兩種模式并存、交叉,物理技術(shù)物理(以電氣化進程為標(biāo)志,但幾乎所有重大,新技術(shù)的創(chuàng)立,都是以物理學(xué)的發(fā)展為先導(dǎo)的,15,被譽為第二次工業(yè)革命的整個信息技術(shù)的發(fā)生、發(fā)展，其硬件部分幾乎都以物理學(xué)成果為基礎(chǔ),物理等基礎(chǔ)科學(xué)與工程技術(shù)的關(guān)系可

8、形象地 用工程技術(shù)的“知識之樹”表示,例如,物理,技術(shù),物理,量子力學(xué) 費米狄拉克統(tǒng)計 固體能帶理論 （20年代,物理,技術(shù),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(shù)成功地寫入了直徑為0.6nm的信息點陣，比國外小一個數(shù)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(xué)習(xí)物理學(xué),打好學(xué)習(xí)其它學(xué)科的基礎(chǔ),提高科學(xué)素質(zhì)和能力,以適應(yīng)高新技 術(shù)和市場經(jīng)濟的發(fā)展(轉(zhuǎn)產(chǎn),轉(zhuǎn)行,學(xué)習(xí)物理對提高科學(xué)素質(zhì)有重要作用,1）培養(yǎng)辯證唯物主義的世界觀,2）學(xué)會掌握科學(xué)的方法,3）培養(yǎng)科學(xué)思維能力、發(fā)展

9、智力,4）培養(yǎng)探索與創(chuàng)新精神,現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)人員必須具備良好的科學(xué) 素質(zhì),20,科學(xué)技術(shù)人員良好的物理素質(zhì)表現(xiàn)為,在科學(xué)技術(shù)問題面前，能夠從物理本質(zhì)上 提出問題和作出判斷,要重視提高科學(xué)素質(zhì)，不要把物理課 當(dāng)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(xué)的發(fā)展，不斷探索如何把物理學(xué) 的新成果引入到科學(xué)技術(shù)中,能夠把物理學(xué)的思想、觀點、規(guī)律和方法 運用到科學(xué)技術(shù)的實際中,21,發(fā)展獨立思考和獨立創(chuàng)新的一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把知識放在首位。如果一個人掌握了他的學(xué)科的基礎(chǔ)理論，并且學(xué)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(xùn)練內(nèi)容的人來他一定

10、會更好適應(yīng)進步和變化 愛因斯坦,結(jié)束語,不斷地探索未知是 物理學(xué)家一生的,追求,22,第一章 力學(xué)引論,力學(xué)發(fā)展史,起源于對自然現(xiàn)象的觀察以及生產(chǎn)勞動經(jīng)驗的總結(jié),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(xué)的基礎(chǔ)。 伽利略：自由落體、加速度。 牛頓：1687年自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理，牛頓三定律（力學(xué)的創(chuàng)建,拉格朗日、歐拉分析力學(xué)（完備了力學(xué)體系），從此力學(xué)也獨立于物理學(xué)成為應(yīng)用科學(xué),23,1.1 力學(xué)的研究對象,力學(xué)就是研究物體機械運動的學(xué)科。 它主要包括以下兩個方面： （1）運動學(xué)：研究如何描述物體的運動。 （2）動力學(xué)：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(xué)可以作為動力學(xué)的一部分。 選定了參考系才可以討論運動（經(jīng)常容易忽略） 不同參考系下力學(xué)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(jīng)歷了一段時間， 時空觀（ 對時間和空間的認識）也是力學(xué)的一個課題,24,質(zhì)點運動學(xué)的基本概念,一、參照系和坐標(biāo)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(zhì)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(biāo)系，這樣就可定量描述物體的位置。常用坐標(biāo)系有直角坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系,坐標(biāo)是空間上均勻分割，線性度量的需要。豆腐；圓柱，球,25,二、質(zhì)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(zhì)量、沒有大小和形狀的理想的點，這樣的物體可稱為質(zhì)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(zhì)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(yīng)的時間間隔稱時間，某一瞬時稱時刻,26,1.2 力學(xué)中的數(shù)學(xué)方法,運動學(xué)： 位移、速度、加速度 矢量加（減）法、矢量微積分， 坐標(biāo)系及矢

13、量的坐標(biāo)表示， 角速度矢量的叉乘（矢量積） 相對運動坐標(biāo)變換,動力學(xué)： 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(biāo)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(xué)中的基本物理量,3.1 力學(xué)的基本單位和導(dǎo)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(dǎo)出的物理量簡稱為導(dǎo)出量,其單位稱導(dǎo)出單位,3.2 力學(xué)的單位制,力學(xué)選三個基本單位.不同的基本單位構(gòu)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(zhì)量 千克 kg 時間 秒 s 電流 安培 A 熱力學(xué)溫度 開爾文 K 物質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(zhì)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(zhì)量單位.質(zhì)量包含F(xiàn)=ma中慣性質(zhì)量m和萬有引力F=GMm/r2中引力質(zhì)量m, 在概念上它們有本質(zhì)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(zhì)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(zhì)量,已知宇宙 銀河系 地球 人 灰塵 煙草花葉病毒 質(zhì)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(zhuǎn)周期 快速運動粒子穿越原子核的時間,34,力學(xué)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(zhì)