物理學的研究對象和研究方法課件

1、一、物理學的研究對象和研究方法一、物理學的研究對象和研究方法物理學的研究對象物理學的研究對象物理學是探討物質(zhì)結構和運動基本規(guī)律的學科物理學是探討物質(zhì)結構和運動基本規(guī)律的學科是自然科學的基礎是自然科學的基礎研究的對象十分廣泛研究的對象十分廣泛 宇觀宇觀 宏觀宏觀 微觀微觀空間尺度空間尺度( (相差相差1010454510104646) )101026 26 m(m(約約150150億光年億光年) )( (宇宙宇宙) )101020 20 m m( (夸克夸克) )時間尺度時間尺度( (相差相差10104545) )10101818s 150s 150億年億年( (宇宙年齡宇宙年齡) )-10-1

2、0-27-27s s( (硬硬 射線周期射線周期) )速率范圍速率范圍0 0( (靜止靜止) ) - 3- 3x10 x108 8 m/sm/s( (光速光速) ) 物理學的分支及近年來發(fā)展的總趨勢物理學的分支及近年來發(fā)展的總趨勢物理學物理學經(jīng)典物理經(jīng)典物理現(xiàn)代物理現(xiàn)代物理力學力學熱學熱學電磁學電磁學光學光學相對論相對論量子論量子論非線性非線性時間時間 t關關鍵鍵概概念念的的發(fā)發(fā)展展力學力學電磁學電磁學熱學熱學相對論相對論量子論量子論1600 1700 1800 1900物理學近年來的發(fā)展：物理學近年來的發(fā)展：* 粒子物理粒子物理 高能加速器產(chǎn)生新粒子，已發(fā)現(xiàn)高能加速器產(chǎn)生新粒子，已發(fā)現(xiàn)300

3、種。種。 麥克斯韋理論、狄拉克量子電動力學、重整化方法。麥克斯韋理論、狄拉克量子電動力學、重整化方法。* 天體物理天體物理 運用物理學實驗方法和理論對宇宙各種星球運用物理學實驗方法和理論對宇宙各種星球 進行觀測和研究，從而得出相應的天文規(guī)律的學科。應進行觀測和研究，從而得出相應的天文規(guī)律的學科。應 用經(jīng)典、量子、廣義相對論、等離子體物理和粒子物理。用經(jīng)典、量子、廣義相對論、等離子體物理和粒子物理。* 太陽中微子短缺問題太陽中微子短缺問題 * 引力波存在的問題引力波存在的問題 * 物體的速度能否超過光速的問題物體的速度能否超過光速的問題 * 生物物理生物物理 有機體遺傳程序的研究有機體遺傳程序的

4、研究 * 有機體遺傳程序的研究（須運用量子力學、統(tǒng)計有機體遺傳程序的研究（須運用量子力學、統(tǒng)計 物理、物理、X射線、電子能譜射線、電子能譜 和核磁共振和核磁共振技術等）。技術等）。* 非平衡熱力學及統(tǒng)計物理非平衡熱力學及統(tǒng)計物理 物理學發(fā)展的總趨向：物理學發(fā)展的總趨向：* 學科之間的大綜合。學科之間的大綜合。* 相互滲透結合成邊緣學科。相互滲透結合成邊緣學科。生物物理、生物化學、物理化學、量子化學生物物理、生物化學、物理化學、量子化學量子電子學、量子統(tǒng)計力學、固體量子論。量子電子學、量子統(tǒng)計力學、固體量子論。二十世紀物理學中兩個重要的概念：二十世紀物理學中兩個重要的概念：場和對稱性場和對稱性

5、從經(jīng)典物理學到量子力學過渡時期的三個重大問題的提出從經(jīng)典物理學到量子力學過渡時期的三個重大問題的提出 光電效應光電效應 康普頓效應。康普頓效應。 黑體輻射問題，即所謂黑體輻射問題，即所謂“紫外災難紫外災難”。 原子的穩(wěn)定性和大小。原子的穩(wěn)定性和大小。b演繹法演繹法推理推理 演算演算b歸納法歸納法假設假設 模型模型b定性和半定量定性和半定量直覺直覺 想象力想象力 洞察力洞察力.物理學的研究方法物理學的研究方法二二 、物理學與科學技術物理學與科學技術 物理學為其他學科創(chuàng)立技術和原理物理學為其他學科創(chuàng)立技術和原理 重大新技術領域的創(chuàng)立總是經(jīng)歷重大新技術領域的創(chuàng)立總是經(jīng)歷 長期的物理醞釀長期的物理醞釀

6、 如如 微電子技術的發(fā)展微電子技術的發(fā)展 物理學滿足人類所深刻認識到的最根本的物理學滿足人類所深刻認識到的最根本的 程度上了解自然界的需要程度上了解自然界的需要 ( (美國物理學評美國物理學評 述委員會述委員會) )b盧瑟福盧瑟福 a a 粒子散射實驗粒子散射實驗(1909)(1909)核能利用核能利用(40(40年代以后年代以后) )b愛因斯坦受激輻射理論愛因斯坦受激輻射理論(1917)(1917) 第一臺激光器第一臺激光器(1960)(1960) ( (物理物理) ) ( (技術技術) )b信息技術發(fā)生和發(fā)展的硬件部分信息技術發(fā)生和發(fā)展的硬件部分以物理學成果為基礎以物理學成果為基礎 ( (

7、技術技術) ) ( (物理物理) ) b量子力學量子力學 費米狄拉克統(tǒng)計費米狄拉克統(tǒng)計 固體能帶理論固體能帶理論(20(20年代年代) ) ( (物理物理) ) 晶體管誕生晶體管誕生(1947) (1947) 集成電路集成電路(1962)(1962) 大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路(70(70年代后期年代后期) ) ( (技術技術) ) 微結構物理微結構物理 ( (物理物理) )三、物理學與高素質(zhì)人才三、物理學與高素質(zhì)人才h提高科學素質(zhì)和能力以適應高新技術提高科學素質(zhì)和能力以適應高新技術h市場經(jīng)濟的發(fā)展、職業(yè)的變化市場經(jīng)濟的發(fā)展、職業(yè)的變化b現(xiàn)代工業(yè)技術工程師類型現(xiàn)代工業(yè)技術工程師類型i工程科學

8、家型工程科學家型i革新發(fā)明家型革新發(fā)明家型i現(xiàn)場工程專家型現(xiàn)場工程專家型i管理規(guī)劃專家型管理規(guī)劃專家型5物理學的思想和觀點物理學的思想和觀點 如如 建理想化模型建理想化模型5從物理本質(zhì)上提出和研究本專業(yè)問題從物理本質(zhì)上提出和研究本專業(yè)問題5創(chuàng)新能力創(chuàng)新能力t在工程技術中引入物理學的新成果在工程技術中引入物理學的新成果物理素質(zhì)的表現(xiàn)物理素質(zhì)的表現(xiàn) 四、大學物理與中學物理的區(qū)別四、大學物理與中學物理的區(qū)別1.教學內(nèi)容教學內(nèi)容 中學物理研究特殊性問題中學物理研究特殊性問題 大學物理研究一般大學物理研究一般 性問題性問題2.數(shù)學工具數(shù)學工具 中學物理以初等數(shù)學和幾何學為工具中學物理以初等數(shù)學和幾何學為

9、工具 大學物理以高等數(shù)學為工具大學物理以高等數(shù)學為工具3.學習方式學習方式 中學物理講授內(nèi)容和知識的消化全部在課內(nèi)進行中學物理講授內(nèi)容和知識的消化全部在課內(nèi)進行 大學物理課上以講授知識為主，課下自已消化理解。大學物理課上以講授知識為主，課下自已消化理解。 所以，大學課堂，教學內(nèi)容多，進行速度快，所以，大學課堂，教學內(nèi)容多，進行速度快， 作業(yè)數(shù)量少而精。作業(yè)數(shù)量少而精。生物流體力學基礎生物流體力學基礎振動和波動振動和波動氣體動理論氣體動理論熱力學基礎熱力學基礎電場及其生物效應電場及其生物效應磁場及生物磁現(xiàn)象磁場及生物磁現(xiàn)象電磁場及其與生電磁場及其與生 物體的相互作用物體的相互作用潑動光學潑動光學

10、波粒二向性波粒二向性原子的量子理論原子的量子理論v質(zhì)點力學中的基本概念和基本定律質(zhì)點力學中的基本概念和基本定律v液體的表面張力液體的表面張力 v伯努力方程及應用伯努力方程及應用v粘滯流體的流動粘滯流體的流動v流體靜力學流體靜力學v流體的流動流體的流動 1.1質(zhì)點力學中的基本概念和基本定律質(zhì)點力學中的基本概念和基本定律質(zhì)點：質(zhì)點：具有一定質(zhì)量沒有大小或形狀的理想物體。具有一定質(zhì)量沒有大小或形狀的理想物體。一、質(zhì)點運動的描述一、質(zhì)點運動的描述(1)理想模型理想模型 (為了簡化問題為了簡化問題)(2)條件條件 研究的問題中大小和形狀不起顯著作用研究的問題中大小和形狀不起顯著作用小小-質(zhì)點質(zhì)點 ?大大

11、-不是質(zhì)點不是質(zhì)點? 地球地球 R-106 m 日地距離日地距離1011m研究地球公轉(zhuǎn)研究地球公轉(zhuǎn)是質(zhì)點是質(zhì)點研究地球自轉(zhuǎn)研究地球自轉(zhuǎn)不是質(zhì)點不是質(zhì)點 可以作為質(zhì)點處理的物體的條件：可以作為質(zhì)點處理的物體的條件：大小和形狀對運動大小和形狀對運動沒有影響或影響可以忽略。沒有影響或影響可以忽略。研究地球公轉(zhuǎn)研究地球公轉(zhuǎn)38104 . 6105 . 1EESRR1104 . 24地球上各點的公轉(zhuǎn)速度相差很小，忽略地球自身尺地球上各點的公轉(zhuǎn)速度相差很小，忽略地球自身尺寸的影響，作為質(zhì)點處理。寸的影響，作為質(zhì)點處理。質(zhì)質(zhì) 點點研究地球自轉(zhuǎn)研究地球自轉(zhuǎn)Rv地球上各點的速地球上各點的速度相差很大，因度相差很

12、大，因此，地球自身的此，地球自身的大小和形狀不能大小和形狀不能忽略，這時不能忽略，這時不能作質(zhì)點處理。作質(zhì)點處理。運動的相對性運動的相對性參考系參考系)(trOPr位置矢量位置矢量 (位矢）位矢）x z y z( t ) y( t )x( t ) r( t )P( t )0注意注意:位矢的相對性位矢的相對性同一參考系同一參考系,坐標原點不同坐標原點不同,位矢也不同位矢也不同1、位置矢量、位置矢量 位移位移坐標系坐標系P 點點位置位置: P 點的位置可用直角坐標（點的位置可用直角坐標（x,y,z) 來確定。也可用極坐標來確定。也可用極坐標球坐標等球坐標等kzjyixrtttt)()()()(r2

13、22zyxrr 從從O指向指向P方向：方向：大小大小:(運動方程）運動方程） 位移位移-描述質(zhì)點位置變動的大描述質(zhì)點位置變動的大 小和方向的物理量小和方向的物理量 r(t+t )r(t)rx y z 0S P1 P2（位矢增量位矢增量） (位移矢量位移矢量)()(trttrr t時間內(nèi)的時間內(nèi)的位移位移kzj yixr 大小大小:P1P2間的直線距離間的直線距離方向方向: 由由P1 P2 r路程路程 21pps曲線長曲線長 - 內(nèi)質(zhì)點在軌道上經(jīng)過的路徑長度內(nèi)質(zhì)點在軌道上經(jīng)過的路徑長度t1212ttrrtr(1)平均速度平均速度(2)瞬時速度瞬時速度r(t+t )r(t)rx y z 0S P1

14、 P22 速度速度-描寫質(zhì)點位置變動快慢和方向物理量描寫質(zhì)點位置變動快慢和方向物理量大?。捍笮。簍r 方向：方向： 的方向的方向r 0 ttrt 0limdtrd tst 0limdtds trt 0lim大小（速率）：大?。ㄋ俾剩篸tds 方向：方向：r 的極限方向的極限方向即沿即沿P1點的切線并指向前進方向點的切線并指向前進方向單位：米單位：米/秒（秒（m/s）用直角坐標表示速度用直角坐標表示速度:x z ydtrdkdtdzjdtdyidtdx kjizyx jkiprvkzjyixrxyz222zyx 速度的大小表示為速度的大小表示為(3)速率速率描寫沿軌道運動的快慢描寫沿軌道運動的

15、快慢瞬時速率瞬時速率:vtrtstdsdvtt00limlim是路程對時間求導是路程對時間求導,表示該時刻速度表示該時刻速度 的大小的大小平均速率平均速率:tsv注意注意:1.vv？tsvtrvvvtdrdtdrd. 2？vtdrdrvtdrdtdrdtdrdvrvvv (t )v (t+t )xr(t+t )r(t) y z P2 P1 0v (t )v (t+t )3. 加速度加速度-描述質(zhì)點運動速度變化快慢和方向的物理量描述質(zhì)點運動速度變化快慢和方向的物理量 (1)速度增量速度增量)()(ttt 注意注意 的方向的方向(2)平均加速度平均加速度ta 大小大小方向方向t 的方向的方向xr(

16、t+t )r(t) y z P2 P1 0v (t )v (t+t )(3)瞬時加速度瞬時加速度令令 t 0dtdtat 0lim22dtrd 與a方向是否一致方向是否一致？加速度等于速度對時加速度等于速度對時間的一階導數(shù)等于位間的一階導數(shù)等于位矢對時間的二階導數(shù)矢對時間的二階導數(shù)其方向是其方向是0t時時v的極限方向的極限方向,指向曲線凹的一邊指向曲線凹的一邊. 用直角坐標表示加速度用直角坐標表示加速度:kdtdjdtdidtdazyx kajaiaazyx 222zyxaaaaa 的極限方向的極限方向,方向方向:大小大小:指向軌跡曲線凹的一面指向軌跡曲線凹的一面單位單位:mm/s2 (SI制

17、制)角量：角量： 角位置：角位置： 角位移：角位移：角速度：角速度： 角加速度：角加速度： S ， 對應對應avr 線量：線量： S R RtRtsttlim00limvRx0S4.圓周運動的描述圓周運動的描述 lim0dtdttRt220limdtddtdtt Rtatnana22ntaaa tnaa1 tan *曲線運動曲線運動RR為為瞬時瞬時曲率半徑曲率半徑ntaaa Rdtdvat22 RRvan 直線運直線運動動 R0na勻速率圓周運動勻速率圓周運動0 dtdvat改變改變速度大小速度大小改變改變速度方向速度方向切向加速度切向加速度法向加速度法向加速度質(zhì)點作勻變速曲線運動時，其角量的

18、變質(zhì)點作勻變速曲線運動時，其角量的變化規(guī)律與勻變速直線運動中線量的規(guī)律化規(guī)律與勻變速直線運動中線量的規(guī)律相似，表示如下：相似，表示如下：20021ttt002022角量的單位為角量的單位為 rad, rad/s , rad/s2。例例 1.1 半徑半徑 r =0.2 m 的飛輪，繞的飛輪，繞 o 軸轉(zhuǎn)動。軸轉(zhuǎn)動。 M 點的運動方程點的運動方程 tt42，求，求 M 點點1秒末的速度和加速度。秒末的速度和加速度。vRx0Mnataasradtdtd42 22sraddtdsmtrrv4 . 0)42(24 . 0smrat228 . 0smran22289.0smaaant2aatgn04 .6

19、3例例1.2 質(zhì)點沿質(zhì)點沿 x 軸作勻變速直線運動，加速度軸作勻變速直線運動，加速度為為 a ，t=0 時坐標為時坐標為 , 速度為速度為 ，求運，求運0 x0v動方程及速度動方程及速度 voxvdtdva adtdv vvtadtdv00atvv0dtdxvdtatvdx)(0由速度的定義由速度的定義dtatvdxxxt)(00020021attvxxdxdvvdtdxdxdvdtdvaadxvdv vvxxadxvdv00)(20202xxavv例例1.3 已知已知:質(zhì)點的運動方程質(zhì)點的運動方程2225ttx(SI)求求:(1) 質(zhì)點在第二秒末質(zhì)點在第二秒末av(2) 質(zhì)點作什么運動。質(zhì)點

20、作什么運動。（3）第二秒內(nèi)位移及平均速度）第二秒內(nèi)位移及平均速度（4）第一秒內(nèi)位移）第一秒內(nèi)位移 及第一秒內(nèi)路程及第一秒內(nèi)路程解解:（1）瞬時速率：）瞬時速率：,42tt dxdvsmv/6242) 2(加速度：加速度：2/4sma(2) 令令mxsttv5 . 5,5 . 0, 042.0)5 . 0(st5 . 00v0a勻減速勻減速t=0.5sXxt=0st=0.5sst5 . 00v0a勻加速勻加速（3）mxxx4)125()22225(22)1()2(smtxv/4124（4）0)5()12125(2)0()1(xxxmxxxxS15 . 05 . 0)5 . 0() 1)0()5

21、. 0（xt=0.5sXt=1s5.5m5mt=0.5s5m5.5mt=0s2、沖量、動量定理、沖量、動量定理amdtdmfdtmddtPdf)()(mddtfPd時間的積累效果時間的積累效果 動量的變化動量的變化1221mmdtftt21ttdtfI沖量沖量12PPI 1P2PI二、動量守恒定理二、動量守恒定理dtfId元沖量元沖量1 1、動量、動量mvp 質(zhì)點動量定理質(zhì)點動量定理iiiFFPP,質(zhì)點系質(zhì)點系0內(nèi)ifdtPdFPddtF1221mmdtFtt12PPI 1P2PI注意：注意：1、矢量關系、矢量關系2、分量形式、分量形式xxttxxmmdtFI12213、對應一個過程的始末狀態(tài)

22、、對應一個過程的始末狀態(tài)動量是狀態(tài)量，而沖量與過程有關動量是狀態(tài)量，而沖量與過程有關yyttyymmdtFI12214、系統(tǒng)的、系統(tǒng)的總動量的改變總動量的改變只與外力的沖量有關，只與外力的沖量有關， 與內(nèi)力無關?？蛇x擇適當系統(tǒng)簡化問題與內(nèi)力無關?？蛇x擇適當系統(tǒng)簡化問題PddtFI d微分式微分式積分式積分式t1t2FI1 12 2ttIFyy 1 12 2ttIFxx 1 12 2ttIFzz tIF )tt(F1 12 2 2 21 1ttdtFI0Ft平均沖力平均沖力例例1.4 籃球籃球 m=1kg ，相對以，相對以 v=6m/s , =60o 撞在撞在籃板上，撞后籃板上，撞后 =60o。

23、設碰撞時間。設碰撞時間 t=0.01s 求：籃板求：籃板受到的平均作用力。受到的平均作用力。解：球受力球受力 XYv1v2tIFxx tmvmvxx12tmvcos2 =600 NtIFyy = 0)(600NiF籃板受平均作用力籃板受平均作用力)(600NiF 12PPI 1vm2vmI常矢量 NiipP11. 合外力為零，或外力與內(nèi)力相比小很多；合外力為零，或外力與內(nèi)力相比小很多； 如碰撞問題、爆炸問題等如碰撞問題、爆炸問題等2. 合外力沿某一方向為零；合外力沿某一方向為零；3. 只適用于慣性系；只適用于慣性系；4. 比牛頓定律更普遍的最基本的定律。比牛頓定律更普遍的最基本的定律。cpii

24、dtPdF 注意：注意：0 3 3 、質(zhì)點系動量守恒定律質(zhì)點系動量守恒定律恒矢量）(cvmii1、質(zhì)點的角動量、質(zhì)點的角動量vmrprL矢量矢量sinsinmvrprLm方向方向大小大小rpr(方向用右手螺旋法確定方向用右手螺旋法確定)O1. 垂直于垂直于 構成的平面。構成的平面。LPr,2. 必須指明對那一固定點必須指明對那一固定點.注意：注意：單位：單位：Js (kg m2/s)平面圓周運動平面圓周運動vr對圓心對圓心mvrL 直線運動直線運動rPP r三、三、 角動量守恒定律角動量守恒定律v oMrF 2、力矩、力矩(方向用右手螺旋法規(guī)定方向用右手螺旋法規(guī)定)FrM矢量矢量sinFrM

25、方向方向大小大小Fr1. 垂直于垂直于 構成的平面。構成的平面。MFr,2.必須指明對那一固定點必須指明對那一固定點.單位：單位：N m3.可能為零MF, 03、角動量定理、角動量定理 角動量守恒定律角動量守恒定律prL FdtPdrrBdtAddtBdABAdtd )(dtpdrpdtrddtLd0dtLdM2121LLttLddtM12LL角動量定理角動量定理 1. 必須對必須對同一點同一點LM,注意：注意：2. 合外力矩合外力矩M3.慣性系成立慣性系成立M 0L 常矢量角動量守恒定律角動量守恒定律rv1F例例1.5 已知光滑的桌面上質(zhì)量已知光滑的桌面上質(zhì)量m的球以的球以v1 的速的速度作

26、半徑為度作半徑為r1的勻速圓周運動的勻速圓周運動，問：當穿過小孔問：當穿過小孔的繩子將桌面上的繩子拉成的繩子將桌面上的繩子拉成 r2 時時v2=？解：力通過轉(zhuǎn)軸解：力通過轉(zhuǎn)軸力矩為力矩為0 角動量角動量 守恒守恒2 22 21 11 1vmrvmr L1 12 21 12 2vrrv dtLdM總外常矢量總外 LM0角動量守恒定律角動量守恒定律注注意意1. 內(nèi)力矩不改變質(zhì)點系的總角內(nèi)力矩不改變質(zhì)點系的總角動量，但可以改變各質(zhì)點的動量，但可以改變各質(zhì)點的角動量角動量。2. 必須對同一點。必須對同一點。iMM3. 但但 不一定為零不一定為零0FM 但但 可以為零可以為零0FM1 . 功功(1) 恒

27、力的功恒力的功cosFsA定義：定義：矢量式矢量式rFA作用在沿直線運動質(zhì)點上的恒力作用在沿直線運動質(zhì)點上的恒力 F ，在力作用，在力作用點位移上作的功，等于力和位移的標積。點位移上作的功，等于力和位移的標積。單位：單位：J 焦耳焦耳FaFbS四、機械能守恒定律四、機械能守恒定律 rdFabrdFdA drcosF 0 0/2 dA 0功是標量，但有正負之分功是標量，但有正負之分 baabrdFA cosFsAab 若若 =常矢量，常矢量，物體作直線運動物體作直線運動FFaFbSbadrFcos(2)變力的功變力的功例例1.6 質(zhì)點在力質(zhì)點在力 F 的作用下沿坐標軸的作用下沿坐標軸 ox 運動

28、，運動，F(xiàn) = 6x,x02.070.0cos試求質(zhì)點從試求質(zhì)點從mx101 到到mx202處的過程中，力處的過程中，力 F 作的功。作的功。解：解：F 在位移元在位移元 dx 上上 的的元功元功dxxxdxFdxFdAx)02. 070. 0(6cos21350)02. 007. 0(6xxJdxxA在全路程上的功為在全路程上的功為所有單位均取所有單位均取國際單位制國際單位制bardFA barddtvdm注意：注意： 1. E k 為狀態(tài)量為狀態(tài)量 2.功是動能增量的量度功是動能增量的量度 3.在慣性系成立在慣性系成立2.動能動能 動能定理動能定理質(zhì)點系的動能定理質(zhì)點系的動能定理kakbE

29、EAA內(nèi)外內(nèi)力雖然成對出現(xiàn)，但相互內(nèi)力雖然成對出現(xiàn)，但相互作用的兩質(zhì)點位移并不相同，作用的兩質(zhì)點位移并不相同，所以所以 A內(nèi)內(nèi) 02 2vvv vdvvdv2 22 2 bavvvdvm bavvmvdvkakbabEEvmvmA222121合外力對質(zhì)點合外力對質(zhì)點所做的功所做的功=質(zhì)點質(zhì)點動能的增量動能的增量mpmvEk22122動能動能:質(zhì)點的動能定理質(zhì)點的動能定理動能定理的應用動能定理的應用應用動能定理解題時步驟如下：應用動能定理解題時步驟如下：（1）確定研究對象。）確定研究對象。（2）分析研究對象受力情況及各力的做功情況。）分析研究對象受力情況及各力的做功情況。（3）明確過程的初狀態(tài)和

30、末狀態(tài)及兩狀態(tài)的動能）明確過程的初狀態(tài)和末狀態(tài)及兩狀態(tài)的動能（4）列方程。）列方程。（5）解方程，求出結果。）解方程，求出結果。作功與路徑無關，只與始末位置有關作功與路徑無關，只與始末位置有關3.勢能勢能 機械能守恒機械能守恒 A（B）保守力沿任意閉合路徑所做的功為零。保守力沿任意閉合路徑所做的功為零。0rdF 重力、重力、彈性力、彈性力、萬有引力萬有引力. 靜電力靜電力保守力場保守力場:m1m2PPBpAEEEA保內(nèi)保守力保守力引入勢能引入勢能 pE系統(tǒng)受力系統(tǒng)受力外力外力內(nèi)力內(nèi)力保守內(nèi)力保守內(nèi)力非保守內(nèi)力非保守內(nèi)力A外外 + A非保內(nèi)非保內(nèi) + A保內(nèi)保內(nèi) = E k- EPA外 + A非

31、保內(nèi) = E k+ EP= （E k+ EP）機械能機械能功能原理功能原理當當A外 + A非保內(nèi)= 0E k+ EP=常量常量機械能守恒定律機械能守恒定律條件條件1-2 流體靜力學流體靜力學一、靜止流體內(nèi)的壓強一、靜止流體內(nèi)的壓強 1. 靜止流體內(nèi)一點的壓強靜止流體內(nèi)一點的壓強應力：應力：sfTS0lim壓強壓強：靜止流體內(nèi)部應力的大?。红o止流體內(nèi)部應力的大小sfPS0lim流體靜壓力垂直器壁流體靜壓力垂直器壁靜止流體內(nèi)一點的靜止流體內(nèi)一點的壓強壓強等于該點任意假想面元上等于該點任意假想面元上正壓力正壓力大小與面元大小與面元面積面積之比之比當當面元面積趣于零面元面積趣于零時的極限。時的極限。單

32、位單位：SI “帕” “Pa”2.靜止流體內(nèi)壓強分布靜止流體內(nèi)壓強分布(1)等高的地方壓強等高的地方壓強ABPAPBSSBCSSPBPC0SPsPBABAPP靜止流體中所有等高的地方壓強相都等靜止流體中所有等高的地方壓強相都等(2) (2) 高度相差高度相差h h的兩點間壓強差為的兩點間壓強差為相等相等gh0SPSghSPCBghPPBC0PhPghPP0二、帕斯卡原理二、帕斯卡原理1.1.原理的表速及推證原理的表速及推證hABA點點：0PB點點:ghP0fs對活塞加力對活塞加力f:A點點：PPSfP00B點:ghPPBAghPP0A點、點、B點都增加點都增加P流體各處和器壁上的壓強都增加了流

33、體各處和器壁上的壓強都增加了PSfP 作用在密閉容器中流體上的壓強等值地傳作用在密閉容器中流體上的壓強等值地傳到流體各處和器壁上到流體各處和器壁上 -帕斯卡原理帕斯卡原理2.夜壓機夜壓機p2PS1PS12SS 12PSPS 三、阿基米得原理三、阿基米得原理1.原理的表述及推證原理的表述及推證物體在流體中所受的物體在流體中所受的浮力浮力等于等于該物體該物體排開排開同體積流體的重量。同體積流體的重量。dsh面元面元ds受力受力sghdf d鉛直方向分力即浮力鉛直方向分力即浮力dsdsghdsdfcos鉛直dsdscos水平dshhdsdVcos水平VVdVggdf2.原理應用舉例原理應用舉例比重計

34、比重計1-3 液體的表面性質(zhì)液體的表面性質(zhì)一、液體的表面現(xiàn)象一、液體的表面現(xiàn)象由液體與其它物質(zhì)存在由液體與其它物質(zhì)存在接觸界面接觸界面而產(chǎn)生的而產(chǎn)生的 有關現(xiàn)象有關現(xiàn)象二、表面張力及表面張力系數(shù)二、表面張力及表面張力系數(shù)1.表面張力表面張力:兩種不相容液體或液體與氣體分兩種不相容液體或液體與氣體分界面上界面上存在的存在的 應力應力lfflf2.表面張力系數(shù)表面張力系數(shù)標志著通過單位長度分界線兩邊液面之間的相互作用力標志著通過單位長度分界線兩邊液面之間的相互作用力lfWllW2外力作外力作功功表面張力系數(shù)的意義表面張力系數(shù)的意義xlxfA2s表面能增量表面能增量SAESASE三、球形液滴內(nèi)外的壓

35、強差三、球形液滴內(nèi)外的壓強差內(nèi)P外F2R22拉f2RPf內(nèi)內(nèi)2RPF外外半球的平衡條件222RPRRP外內(nèi)液體內(nèi)外壓強差（附加壓強）RPPP2外內(nèi)凹凹形液面形液面RPPP2外內(nèi)凸凸形液面形液面四、毛細現(xiàn)象四、毛細現(xiàn)象一一.潤濕與不潤濕現(xiàn)象潤濕與不潤濕現(xiàn)象接觸角接觸角 ：接觸液處面與固體表面：接觸液處面與固體表面 切線之間的夾角切線之間的夾角與固體、液體的性質(zhì)有關與固體、液體的性質(zhì)有關取固體表面的切線指向液體的內(nèi)部取固體表面的切線指向液體的內(nèi)部2/液體潤濕固體液體潤濕固體2/液體不潤濕固體液體不潤濕固體0完全潤濕完全潤濕完全不潤濕完全不潤濕2.毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象毛細管毛細管:管徑很細的管子管徑很細

36、的管子毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象:cosRr ghPPBA0PPPCBRPPA20ghRPPPCB20grgRhcos22液體在毛細管中上升液體在毛細管中上升(或下降或下降)高度高度3.氣體栓氣體栓塞現(xiàn)象現(xiàn)象 當液體在毛細管中流動時，如果管中出現(xiàn)了氣泡，液當液體在毛細管中流動時，如果管中出現(xiàn)了氣泡，液體的流動就要受到阻礙，氣泡產(chǎn)生多了，就能堵住毛細管，體的流動就要受到阻礙，氣泡產(chǎn)生多了，就能堵住毛細管，使液體不能流動，這種現(xiàn)象稱為使液體不能流動，這種現(xiàn)象稱為氣體栓塞現(xiàn)象氣體栓塞現(xiàn)象1-4 流體的流動流體的流動一、理想流體的概念一、理想流體的概念完全不可壓縮的無粘滯性流體稱為理想流體完全不可壓縮的無粘滯性

37、流體稱為理想流體二、定常流動、流線和流管二、定常流動、流線和流管1.定常流動定常流動流速場流速場穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動2.流線和流管流線和流管ABAvBv三、連續(xù)性方程三、連續(xù)性方程1v2v1S2S1111SvQm2222SvQm222111SvSvSv如果流體不可壓縮如果流體不可壓縮212211SvSv常量Sv常量常量質(zhì)量流量質(zhì)量流量連續(xù)性方程連續(xù)性方程在物理實質(zhì)上它體現(xiàn)了流體在流動中在物理實質(zhì)上它體現(xiàn)了流體在流動中質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒 伯努利方程是流體動力學的基本定律，它說明了理伯努利方程是流體動力學的基本定律，它說明了理想流體在管道中作穩(wěn)定流動時，流體中某點的壓強想流體在管道中作穩(wěn)定流動時，流體中

38、某點的壓強p p、流速流速v v和高度和高度h h三個量之間的關系為三個量之間的關系為式中式中 是流體的密度，是流體的密度，g g是重力加速度。試用功能原是重力加速度。試用功能原理導出伯努利方程。理導出伯努利方程。常常量量 hgvgp22 我們研究管道中一段流體的我們研究管道中一段流體的運動。設在某一時刻，這段運動。設在某一時刻，這段流體在流體在a a1 1a a2 2位置，經(jīng)過極短位置，經(jīng)過極短時間時間 t t后，這段流體達到后，這段流體達到b b1 1b b2 2位置位置v1v2p2 S2p2 S2h1h2a1b1a2b21-5 伯努力方程及應用伯努力方程及應用一、方程的推導現(xiàn)在計算在流動

39、過程中，外力對這段流體所作的功。假現(xiàn)在計算在流動過程中，外力對這段流體所作的功。假設流體沒有粘性，管壁對它沒有摩擦力，那么，管壁對設流體沒有粘性，管壁對它沒有摩擦力，那么，管壁對這段流體的作用力垂直于它的流動方向，因而不作功。這段流體的作用力垂直于它的流動方向，因而不作功。所以流動過程中，除了重力之外，只有在它前后的流體所以流動過程中，除了重力之外，只有在它前后的流體對它作功。在它后面的流體推它前進，這個作用力作正對它作功。在它后面的流體推它前進，這個作用力作正功；在它前面的流體阻礙它前進，這個作用力作負功。功；在它前面的流體阻礙它前進，這個作用力作負功。 因為時間因為時間 t t極短，所以極

40、短，所以a a1 1b b1 1和和a a2 2b b2 2是兩段極短的位移，是兩段極短的位移，在每段極短的位移中，壓強在每段極短的位移中，壓強p p、截面積、截面積S S和流速和流速v v都可看作都可看作不變。設不變。設p p1 1、S S1 1、v v1 1和和p p2 2、S S2 2、v v2 2分別是分別是a a1 1b b1 1與與a a2 2b b2 2處流體處流體的壓強、截面積和流速，則后面流體的作用力是的壓強、截面積和流速，則后面流體的作用力是p p1 1S1S1，位，位移是移是v v1 1 t t，所作的正功是所作的正功是p p1 1S S1 1v v1 1 t t ，而前

41、面流體作用力，而前面流體作用力作的負功是作的負功是- -p p2 2S S2 2v v2 2 t t ，由此，外力的總功是，由此，外力的總功是 其次，計算這段流體在流動中能量的變化對于穩(wěn)定流動其次，計算這段流體在流動中能量的變化對于穩(wěn)定流動來說，在來說，在b b1 1a a2 2間的流體的動能和勢能是不改變的。由此，間的流體的動能和勢能是不改變的。由此，就能量的變化來說，可以看成是原先在就能量的變化來說，可以看成是原先在a a1 1b b1 1處的流體，處的流體，在時間在時間 t t內(nèi)移到了內(nèi)移到了a a2 2b b2 2處，由此而引起的能量增量是處，由此而引起的能量增量是因為流體被認為不可壓

42、縮。所以因為流體被認為不可壓縮。所以a a1 1b b1 1和和a a2 2b b2 2兩小段流體兩小段流體的體積的體積S S1 1v v1 1 t t和和S S2 2v v2 2 t t必然相等，用必然相等，用 V V表示，則上式表示，則上式可寫成可寫成 VPPA 21)21()21()21()21(12122122212212ghvghvVmghmvmghmvEE tVSPVSPA 222111外力的總功是外力的總功是 )21()21()(12122212ghvghvVVpp222121122121ghvpghvp從功能原理得從功能原理得整理后得整理后得它表明在同一管道中任何一點處，流體每單位體積的它表明在同一管道中任何一點處，流體每單位體積的動能和勢能以及該處壓強之和是個常量。在工程上，動能和勢能以及該處壓強之和是個常量。在工程上，上式常寫成上式常寫成常常量量 hgvgp22 常量ghvp221伯努利方程伯努利方程、gp hgv、22三項都相當于長度，分別叫做壓力頭、速度頭、水頭。三項都相當于長度，分別叫做壓力頭、速度頭、水頭。所以伯努利方程表明在同一管道的任一處，壓力頭、所以伯努利方程表明在同一管道的