物理學(xué)研究自然界中最基本的現(xiàn)象和規(guī)律

1、引言引言 物理學(xué)研究自然界中最基本的現(xiàn)象和規(guī)律物理學(xué)研究自然界中最基本的現(xiàn)象和規(guī)律, , 一切物理現(xiàn)象都是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)。一切物理現(xiàn)象都是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)。 在物質(zhì)的各種運(yùn)動(dòng)形式中，最簡(jiǎn)單、最基本的在物質(zhì)的各種運(yùn)動(dòng)形式中，最簡(jiǎn)單、最基本的 一種運(yùn)動(dòng)是物體之間一種運(yùn)動(dòng)是物體之間( (或物體各部分之間或物體各部分之間) ) 相對(duì)位置的變化，稱為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。相對(duì)位置的變化，稱為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械運(yùn)動(dòng)是一切物理運(yùn)動(dòng)中最簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)；機(jī)械運(yùn)動(dòng)是一切物理運(yùn)動(dòng)中最簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)； 質(zhì)點(diǎn)的曲線運(yùn)動(dòng)是機(jī)械運(yùn)動(dòng)中最基本的形式。質(zhì)點(diǎn)的曲線運(yùn)動(dòng)是機(jī)械運(yùn)動(dòng)中最基本的形式。 力學(xué)的研究對(duì)象是機(jī)械運(yùn)動(dòng)，力學(xué)的研究對(duì)象是機(jī)械運(yùn)動(dòng)， 力學(xué)

2、是一門(mén)研究機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科，力學(xué)是一門(mén)研究機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科， 是物理學(xué)和許多工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)。是物理學(xué)和許多工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)。 首先討論質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的描述方法首先討論質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的描述方法質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)；質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)； 然后，從現(xiàn)代物理的認(rèn)識(shí)角度討論然后，從現(xiàn)代物理的認(rèn)識(shí)角度討論 表征機(jī)械運(yùn)動(dòng)的三個(gè)基本量表征機(jī)械運(yùn)動(dòng)的三個(gè)基本量 動(dòng)量、動(dòng)能和角動(dòng)量動(dòng)量、動(dòng)能和角動(dòng)量， 以及與之對(duì)應(yīng)的三個(gè)普適的守恒定律以及與之對(duì)應(yīng)的三個(gè)普適的守恒定律動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律和角動(dòng)量守恒定律動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律和角動(dòng)量守恒定律， 并在此基礎(chǔ)上研究剛體的平動(dòng)并在此基礎(chǔ)上研究剛體的平動(dòng) 和繞定軸

3、轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。和繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。 矢量矢量(附錄附錄1)一.矢量的表示法矢量的表示法aAa=|a |a ax、ay、az分別是矢量分別是矢量a 在在坐標(biāo)軸坐標(biāo)軸x、y、z上的投影上的投影(分量分量)。 i、j、k分別是沿分別是沿x、y、z軸軸正方向的正方向的單位矢量單位矢量(恒矢量恒矢量)。xaxayazyzoa圖1-1A=|A |1kjikajaiaazyx222zyxaaaaa二.矢量的加、減法矢量的加、減法aba+b三角形法三角形法aba - bab+=？多邊形法多邊形法aca+b+cbbac=?-ab =？jia43 jib62 jiba10三.標(biāo)量積標(biāo)量積

4、(點(diǎn)積、數(shù)量積、內(nèi)積點(diǎn)積、數(shù)量積、內(nèi)積)cosabbabaabbacosbakajaiaazyxkbjbibbzyxzzyyxxbabababa四四.矢量積矢量積(向量積、叉積、外積向量積、叉積、外積) 積積C的方向垂直于矢量的方向垂直于矢量a 和和b組成組成的平面，的平面，baccbasinabbackajaiaazyxkbjbibbzyxbaijkxayazaxbybzbcosabbac指向由右手螺旋法則確定指向由右手螺旋法則確定。 1.矢量矢量函數(shù)的微商與函數(shù)的微商與標(biāo)量標(biāo)量函數(shù)的微商不同：函數(shù)的微商不同： 矢量矢量函數(shù)的微商函數(shù)的微商=矢量矢量大小大小的微商的微商+矢量矢量方向方向的微

5、商的微商 五.矢量函數(shù)矢量函數(shù)A(t)的微商的微商dtdAtAlim t0 2. 的方向，一般不同于的方向，一般不同于A 的方向。的方向。只有當(dāng)只有當(dāng) t0時(shí)，時(shí)， A 的極限的極限方向，才是方向，才是 的方向。的方向。dtdAdtdA 特別是特別是,當(dāng)當(dāng)A的大小不變而只是方向改變時(shí)的大小不變而只是方向改變時(shí),就時(shí)刻保持與就時(shí)刻保持與A垂直。垂直。dtdA 3. 在直角坐標(biāo)系中在直角坐標(biāo)系中,考慮到考慮到 是常量是常量,有有kji,kAjAiAAzyxkdtdAjdtdAidtdAdtdAzyx由于由于Ax(t), Ay(t), Az(t)是普通的函數(shù)，所以是普通的函數(shù)，所以就是就是普通函數(shù)的

6、微商。普通函數(shù)的微商。,dtdAx,dtdAydtdAz1.0 1.0 機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本特征及其描述方法機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本特征及其描述方法一一. . 運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性和描述的相對(duì)性運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性和描述的相對(duì)性宇宙膨脹宇宙膨脹星系遠(yuǎn)離地球而去星系遠(yuǎn)離地球而去地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)太陽(yáng)系繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)太陽(yáng)系繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)銀河系整體朝著麒麟座方向奔馳銀河系整體朝著麒麟座方向奔馳運(yùn)動(dòng)作為物質(zhì)存在的形式，也和物質(zhì)本身一樣是客運(yùn)動(dòng)作為物質(zhì)存在的形式，也和物質(zhì)本身一樣是客觀存在的，這就是運(yùn)動(dòng)的觀存在的，這就是運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性和普遍性絕對(duì)性和普遍性。日出月落日出月落星移斗換星移斗換 坐井觀天坐井觀天運(yùn)動(dòng)描述的相對(duì)性

7、運(yùn)動(dòng)描述的相對(duì)性原因：地球自轉(zhuǎn)原因：地球自轉(zhuǎn)2.2.矢量性：一是運(yùn)動(dòng)的方向性矢量性：一是運(yùn)動(dòng)的方向性, ,因此描述物因此描述物體運(yùn)動(dòng)的許多物理量必須用矢量來(lái)表示；體運(yùn)動(dòng)的許多物理量必須用矢量來(lái)表示；二是運(yùn)動(dòng)可以疊加，而且符合矢量的加法二是運(yùn)動(dòng)可以疊加，而且符合矢量的加法法則，運(yùn)動(dòng)疊加原理就是矢量疊加性的具法則，運(yùn)動(dòng)疊加原理就是矢量疊加性的具體表現(xiàn)。體表現(xiàn)。 二二. .運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)性和矢量性運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)性和矢量性1.1.瞬時(shí)性：所有描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量均瞬時(shí)性：所有描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量均為時(shí)間的函數(shù)。為時(shí)間的函數(shù)。1-1 參考系參考系 質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)1. 1. 質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)物體：具有大小、形狀、質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

8、的物質(zhì)形態(tài)。物體：具有大小、形狀、質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物質(zhì)形態(tài)。 一般情況下，物體各部分的運(yùn)動(dòng)不相同，在運(yùn)動(dòng)一般情況下，物體各部分的運(yùn)動(dòng)不相同，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中大小、形狀可能改變，這使得運(yùn)動(dòng)問(wèn)題變得的過(guò)程中大小、形狀可能改變，這使得運(yùn)動(dòng)問(wèn)題變得復(fù)雜。復(fù)雜。 某些情況下，物體的大小、形狀不起作用，或某些情況下，物體的大小、形狀不起作用，或者起次要作用而可以忽略其影響者起次要作用而可以忽略其影響簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)模簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)模型。型。質(zhì)點(diǎn)：質(zhì)點(diǎn)：具有一定質(zhì)量沒(méi)有大小或形狀的理想物體。具有一定質(zhì)量沒(méi)有大小或形狀的理想物體?？梢宰鳛橘|(zhì)點(diǎn)處理的物體的條件：可以作為質(zhì)點(diǎn)處理的物體的條件：大小和形狀對(duì)運(yùn)動(dòng)大小和形狀對(duì)運(yùn)動(dòng)

9、沒(méi)有影響或影響可以忽略。沒(méi)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(diǎn)的公轉(zhuǎn)速度相差很小，忽略地球自身尺地球上各點(diǎn)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(diǎn)處理。寸的影響，作為質(zhì)點(diǎn)處理。質(zhì)質(zhì) 點(diǎn)點(diǎn)研究地球自轉(zhuǎn)研究地球自轉(zhuǎn)Rv地球上各點(diǎn)的速地球上各點(diǎn)的速度相差很大，因度相差很大，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(shí)不能忽略，這時(shí)不能作質(zhì)點(diǎn)處理。作質(zhì)點(diǎn)處理。質(zhì)質(zhì) 點(diǎn)點(diǎn)2. 2. 參考系和坐標(biāo)系參考系和坐標(biāo)系 靜止是相對(duì)的，運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的，地心學(xué)說(shuō)被日靜止是相對(duì)的，運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的，地心學(xué)說(shuō)被

10、日心說(shuō)取代，讓人們明白，判斷物體運(yùn)動(dòng)與否，首先心說(shuō)取代，讓人們明白，判斷物體運(yùn)動(dòng)與否，首先要選擇統(tǒng)一的物體作參考。即使是太陽(yáng)，在銀河系要選擇統(tǒng)一的物體作參考。即使是太陽(yáng)，在銀河系中其它恒星系統(tǒng)觀察，仍然運(yùn)動(dòng)著的。中其它恒星系統(tǒng)觀察，仍然運(yùn)動(dòng)著的。參考系和坐標(biāo)系參考系和坐標(biāo)系銀河系銀河系指南針指南針參考系：參考系：描述物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，被選作參考的物體，稱描述物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，被選作參考的物體，稱為參考系為參考系。 要定量描述物體的位置與運(yùn)動(dòng)情況，就要運(yùn)用要定量描述物體的位置與運(yùn)動(dòng)情況，就要運(yùn)用數(shù)學(xué)手段，采用固定在參考系上的坐標(biāo)系。數(shù)學(xué)手段，采用固定在參考系上的坐標(biāo)系。 常用的坐標(biāo)系有直角坐標(biāo)系常用的坐標(biāo)系

11、有直角坐標(biāo)系( (x,y,z) )，極坐標(biāo)系，極坐標(biāo)系( ( , ) )，球坐標(biāo)系，球坐標(biāo)系( (R, , ) )，柱坐標(biāo)系，柱坐標(biāo)系( (R, ,z ) )。 xyzoz R參考方向參考方向zo Rxy 參考系和坐標(biāo)系參考系和坐標(biāo)系3. 3. 空間和時(shí)間空間和時(shí)間 空間空間反映了物質(zhì)的廣延性，與物體的體積和位反映了物質(zhì)的廣延性，與物體的體積和位置的變化聯(lián)系在一起。置的變化聯(lián)系在一起。 時(shí)間時(shí)間反映物理事件的順序性和持續(xù)性，與物理反映物理事件的順序性和持續(xù)性，與物理事件的變化發(fā)展過(guò)程聯(lián)系在一起。事件的變化發(fā)展過(guò)程聯(lián)系在一起。各個(gè)時(shí)代有代表性的時(shí)空觀：各個(gè)時(shí)代有代表性的時(shí)空觀： 墨子：墨子：空間

12、是一切不同位空間是一切不同位置的概括和抽象；時(shí)間是一切置的概括和抽象；時(shí)間是一切不同時(shí)刻的概括和抽象。不同時(shí)刻的概括和抽象?？臻g和時(shí)間空間和時(shí)間墨墨 子子 萊布尼茲：萊布尼茲：空間和時(shí)間是物質(zhì)上空間和時(shí)間是物質(zhì)上下左右的排列形式和先后久暫的持續(xù)下左右的排列形式和先后久暫的持續(xù)形式，沒(méi)有具體的物質(zhì)和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式，沒(méi)有具體的物質(zhì)和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)就沒(méi)有時(shí)空間和時(shí)間，強(qiáng)調(diào)時(shí)間空間就沒(méi)有時(shí)空間和時(shí)間，強(qiáng)調(diào)時(shí)間空間的客觀性而忽略與運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系。的客觀性而忽略與運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系。 牛頓：牛頓：空間和時(shí)間是不依賴于空間和時(shí)間是不依賴于物質(zhì)的獨(dú)立的客觀存在，強(qiáng)調(diào)與運(yùn)物質(zhì)的獨(dú)立的客觀存在，強(qiáng)調(diào)與運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系忽略客觀性。動(dòng)的聯(lián)系忽略客觀性。萊布尼茲萊布尼茲牛牛 頓頓 愛(ài)因斯坦：愛(ài)因斯坦：相對(duì)論時(shí)空觀，相對(duì)論時(shí)空觀，時(shí)間與空間客觀存在，與運(yùn)動(dòng)時(shí)間與空間客觀存在，與運(yùn)動(dòng)密不可分。密不可分。 目前的時(shí)空觀范圍：宇宙的尺度目前的時(shí)空觀范圍：宇宙的尺度