fang第一章 質(zhì)點運動學1

1、University physics AP Fang方愛平方愛平理學院應用物理系理學院應用物理系辦公電話：辦公電話：82663394 辦公室：辦公室：主樓主樓E1111E-mail：大學物理網(wǎng)址：大學物理網(wǎng)址：202.117.23.17課件下載：課件下載：“教學園地教學園地” 用戶名：學號用戶名：學號 密碼：學密碼：學號號一、什么是物理學？一、什么是物理學？ 物理學物理學 研究物質(zhì)世界中研究物質(zhì)世界中最基本形態(tài)和規(guī)律的科學最基本形態(tài)和規(guī)律的科學 物理學研究范圍物理學研究范圍 物質(zhì)世界的層次和數(shù)量級物質(zhì)世界的層次和數(shù)量級Physics質(zhì)子質(zhì)子: :m1510類星體類星體: :m2610空間尺度：

2、空間尺度：物質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)相互作用物質(zhì)相互作用物質(zhì)運動規(guī)律物質(zhì)運動規(guī)律微觀粒子微觀粒子Microscopic介觀物質(zhì)介觀物質(zhì)mesoscopic宏觀物質(zhì)宏觀物質(zhì)macroscopic宇觀物質(zhì)宇觀物質(zhì)cosmological緒緒 論論University physics AP Fang基本粒子壽命基本粒子壽命S2510宇宙壽命宇宙壽命S1810時間尺度：時間尺度：E 15E 12E 09E 06E 031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小最小 的細胞的細胞原子原子原子核原子核基本粒子基本粒子DNA長度長度星系團星系團銀河系銀河系最近恒最近恒星的距離

3、星的距離太陽系太陽系太陽太陽山山哈勃半徑哈勃半徑超星系團超星系團人人蛇吞尾圖蛇吞尾圖形象地表示了物質(zhì)空間尺寸的層次形象地表示了物質(zhì)空間尺寸的層次University physics AP Fang標準宇宙模型給標準宇宙模型給出的宇宙起源與出的宇宙起源與基本粒子標準?；玖Ｗ訕藴誓Ｐ徒o出的物質(zhì)組型給出的物質(zhì)組成是一致的成是一致的 物物理理問問題題 按空間尺度劃分：按空間尺度劃分： 量子力學量子力學 經(jīng)典物理學經(jīng)典物理學 宇宙物理學宇宙物理學按運動速率大小劃分：按運動速率大小劃分： 相對論物理學相對論物理學 非相對論物理學非相對論物理學 按客體大小劃分：按客體大小劃分： 微觀系統(tǒng)微觀系統(tǒng) 宏觀系統(tǒng)

4、宏觀系統(tǒng) 按運動速度劃分：按運動速度劃分： 低速現(xiàn)象低速現(xiàn)象 高速現(xiàn)象高速現(xiàn)象 物理學的發(fā)展物理學的發(fā)展Today PhysicsUniversity physics AP Fang二、物理學中的主要基本理論是什么？二、物理學中的主要基本理論是什么？ 牛頓力學牛頓力學（Newtonian mechanics） 研究物體機械運動的基本規(guī)律及關于時空相對性的規(guī)律研究物體機械運動的基本規(guī)律及關于時空相對性的規(guī)律 電磁學電磁學（Electromagnetism） 研究電磁現(xiàn)象、物質(zhì)的電磁運動規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律研究電磁現(xiàn)象、物質(zhì)的電磁運動規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律 熱力學熱力學（Thermodynamics

5、） 研究物質(zhì)熱運動的統(tǒng)計規(guī)律及其宏觀表現(xiàn)研究物質(zhì)熱運動的統(tǒng)計規(guī)律及其宏觀表現(xiàn) 相對論相對論（Relativity） 研究物體的高速運動效應以及相關的動力學規(guī)律研究物體的高速運動效應以及相關的動力學規(guī)律 量子力學量子力學（Quantum mechanics） 研究微觀物質(zhì)運動現(xiàn)象以及基本運動規(guī)律研究微觀物質(zhì)運動現(xiàn)象以及基本運動規(guī)律University physics AP Fang三、物理學構(gòu)成所有自然科學的理論基礎三、物理學構(gòu)成所有自然科學的理論基礎 物理學是一切自然科學的基礎物理學是一切自然科學的基礎 物理學派生的分支：物理學派生的分支： 物理學構(gòu)成了化學、生物學、材料科學、地球物理學物理學

6、構(gòu)成了化學、生物學、材料科學、地球物理學等學科的基礎，物理學的基本概念和技術(shù)被應用到所有的等學科的基礎，物理學的基本概念和技術(shù)被應用到所有的自然科學之中自然科學之中。 物理學與數(shù)學之間的關系物理學與數(shù)學之間的關系原原子子核核物物理理學學原原子子分分子子物物理理學學固固體體物物理理學學凝凝聚聚態(tài)態(tài)物物理理學學激激光光物物理理學學等等離離子子體體物物理理學學地地球球物物理理學學生生物物物物理理學學天天體體物物理理學學電電子子物物理理學學University physics AP Fang四、物理學與技術(shù)四、物理學與技術(shù)二十世紀以來，物理學被公認為科技發(fā)展中最重要的帶頭學科二十世紀以來，物理學被公認

7、為科技發(fā)展中最重要的帶頭學科 第一種模式第一種模式 熱機的發(fā)明熱機的發(fā)明 第二種模式第二種模式 電氣化的發(fā)展電氣化的發(fā)展核能的利用核能的利用 激光器的產(chǎn)生激光器的產(chǎn)生 層析成像技術(shù)層析成像技術(shù)(CT)電子計算機電子計算機技術(shù)技術(shù) 物理物理 技術(shù)技術(shù)物理物理技術(shù)技術(shù) 物理物理 粒子散射實驗粒子散射實驗X 射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn)受激輻射理論受激輻射理論晶體管的發(fā)現(xiàn)晶體管的發(fā)現(xiàn)University physics AP FangUniversity physics AP Fang電子計算機的誕生電子計算機的誕生 1947年年 貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克來發(fā)明了貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克來發(fā)明了

8、晶體管晶體管，標志著，標志著信息時代信息時代的開始的開始 1962年年 發(fā)明了發(fā)明了集成電路集成電路 70年代后期年代后期 出現(xiàn)了出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路 1925 26年年 建立了建立了量子力學量子力學 1926年年 建立了建立了費米費米狄拉克統(tǒng)計狄拉克統(tǒng)計 1927年年 建立了建立了布洛赫波的理論布洛赫波的理論 1928年年 索末菲提出索末菲提出能帶能帶的猜想的猜想 1929年年 派爾斯提出派爾斯提出禁帶禁帶、空穴空穴的概念的概念 同年貝特提出了同年貝特提出了費米面費米面的概念的概念 1957年年 皮帕得皮帕得測量測量了了第一個費米第一個費米面面University physic

9、s AP Fang超晶格材料超晶格材料納米材料納米材料光子晶體光子晶體晶體管的發(fā)明晶體管的發(fā)明大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路電子計算機電子計算機信息技術(shù)與工程信息技術(shù)與工程 當今物理學和科學技術(shù)的關系當今物理學和科學技術(shù)的關系兩種模式并存，相互交叉，相互促進兩種模式并存，相互交叉，相互促進量子力學量子力學能帶理論能帶理論人工設計材料人工設計材料 幾乎所有的重大新幾乎所有的重大新(高高)技術(shù)領域的創(chuàng)立，事技術(shù)領域的創(chuàng)立，事先都在物理學中經(jīng)過長期的醞釀。先都在物理學中經(jīng)過長期的醞釀。University physics AP Fang五、怎樣學習物理學五、怎樣學習物理學? ? 著名物理學家費曼說：著

10、名物理學家費曼說：科學是一種方法。它教導人們：一些事物是科學是一種方法。它教導人們：一些事物是怎樣被了解的，什么事情是已知的，現(xiàn)在了怎樣被了解的，什么事情是已知的，現(xiàn)在了解到了什么程度，如何對待疑問和不確定性，解到了什么程度，如何對待疑問和不確定性，證據(jù)服從什么法則；如何思考事物，做出判證據(jù)服從什么法則；如何思考事物，做出判斷，如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象斷，如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象 。著名物理學家愛因斯坦說：著名物理學家愛因斯坦說： 發(fā)展獨立思考和獨立判斷地一般能力，應當始終發(fā)展獨立思考和獨立判斷地一般能力，應當始終放在首位，而不應當把專業(yè)知識放在首位。如果放在首位，而不應當把專業(yè)知識放在首位。如果

11、一個人掌握了他的學科的基礎理論，并且學會了一個人掌握了他的學科的基礎理論，并且學會了獨立思考和工作，他必定會找到自己的道路，而獨立思考和工作，他必定會找到自己的道路，而且比起那種主要以獲得細節(jié)知識為其培訓內(nèi)容的且比起那種主要以獲得細節(jié)知識為其培訓內(nèi)容的人來，他一定會更好地適應進步和變化人來，他一定會更好地適應進步和變化 。 學習的方法：學習的方法：從整體上邏輯地、協(xié)調(diào)地學習物理學，了解從整體上邏輯地、協(xié)調(diào)地學習物理學，了解 物理學中各個分支之間的相互聯(lián)系。物理學中各個分支之間的相互聯(lián)系。University physics AP FangOiriFifiiiiamfF取一質(zhì)量元取一質(zhì)量元iti

12、tiitFfma切線方向切線方向it iit iiit iF rf rma r對固定軸的力矩對固定軸的力矩2iirm對所有質(zhì)元對所有質(zhì)元2()ititi iiiF rf rmr合內(nèi)力矩合內(nèi)力矩 = 0合外力矩合外力矩 M剛體的轉(zhuǎn)動慣量剛體的轉(zhuǎn)動慣量 JimMJ剛體繞定軸轉(zhuǎn)動定律剛體繞定軸轉(zhuǎn)動定律 學習的關鍵：學習的關鍵：勤于思考勤于思考悟物窮理悟物窮理University physics AP Fang經(jīng)典理論解釋氫原子的線狀光譜遇到困難經(jīng)典理論解釋氫原子的線狀光譜遇到困難電子繞原子核做圓周運動電子繞原子核做圓周運動輻射電磁波輻射電磁波原子系統(tǒng)的能量逐漸減小原子系統(tǒng)的能量逐漸減小不可能有穩(wěn)定的

13、原子不可能有穩(wěn)定的原子原子光譜為連續(xù)的帶狀光譜原子光譜為連續(xù)的帶狀光譜University physics AP Fang電子雙縫干涉實驗電子雙縫干涉實驗僅縫僅縫A打開打開僅縫僅縫B打開打開雙縫同時打雙縫同時打開時實際得開時實際得到的干涉圖到的干涉圖電子源電子源AB雙縫同時打雙縫同時打開時所想象開時所想象的干涉圖的干涉圖實物粒子具有粒子性實物粒子具有粒子性實物粒子具有波動性實物粒子具有波動性伴隨實物粒子的波到底是什么樣的波。伴隨實物粒子的波到底是什么樣的波。 學習的重點：學習的重點： 物理模型物理模型 數(shù)學表述數(shù)學表述 研究方法與適用條件研究方法與適用條件University physics

14、AP Fangl不考慮分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不考慮分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并忽略其大小忽略其大小標準狀況下氣體分子間平均距離標準狀況下氣體分子間平均距離32533230m107 . 2m104 .221002. 6n13901()3.3 10 mLn已知液氮的密度已知液氮的密度 33mkg108 . 0氮分子半徑氮分子半徑1033()2.4 10m4rnrL 理想氣體的微觀模型理想氣體的微觀模型理想氣體的狀態(tài)方程理想氣體的狀態(tài)方程RTMmpVmol實際氣體的狀態(tài)方程實際氣體的狀態(tài)方程RTbVVap)(2University physics AP Fang六、本學期的任務和要求六、本學期的任務和要求 任務任務：

15、經(jīng)典力學經(jīng)典力學狹義相對論狹義相對論電磁學電磁學 聽課：聽課：信息量較大，進度較快，范圍較寬信息量較大，進度較快，范圍較寬 要求：抓住主線，注重分析，學會總結(jié)要求：抓住主線，注重分析，學會總結(jié) 閱讀：閱讀：大學物理大學物理 吳百詩吳百詩 主編主編 科學出版社科學出版社 大學物理學大學物理學 張三慧張三慧 主編主編 清華大學出版社清華大學出版社 費曼物理學講義費曼物理學講義教教 材：材：大學物理大學物理 吳百詩吳百詩 主編主編 高等教育出版社高等教育出版社 參考書：參考書： 作業(yè)：作業(yè)： ( 兩本兩本 8. 00元，中二樓元，中二樓3216 ) 要求：獨立完成，舉一反三，一題多解，扎實練習要求：

16、獨立完成，舉一反三，一題多解，扎實練習 University physics AP Fang 答疑時間安排：答疑時間安排：2-16周周 周一至周四周一至周四 晚晚 7:30 10:00地點：中二樓地點：中二樓3224另每兩周安排單獨答疑一次：地點：主樓另每兩周安排單獨答疑一次：地點：主樓E1111，時間待定，時間待定關于學生成績評定辦法關于學生成績評定辦法平時成績占總成績平時成績占總成績10%: 根據(jù)根據(jù)作業(yè)完成情況作業(yè)完成情況和和隨堂測驗隨堂測驗評定成績（注意：按學評定成績（注意：按學校規(guī)定缺交作業(yè)校規(guī)定缺交作業(yè)1/3以上者，不能參加期末考試）。以上者，不能參加期末考試）。2. 期中考試占總

17、成績期中考試占總成績10%3. 期末考試占總成績期末考試占總成績80%: 題型及成績分布：題型及成績分布：(1)選擇題選擇題20分；分； (2) 填空題填空題30分；分； (3) 計算及證明題計算及證明題50分分第一篇第一篇 經(jīng)典力學經(jīng)典力學經(jīng)典力學經(jīng)典力學 物體機械運動現(xiàn)象與動力學規(guī)律物體機械運動現(xiàn)象與動力學規(guī)律 機械運動機械運動 物體相對于其他物體的位置隨時間物體相對于其他物體的位置隨時間發(fā)生的變化，或物體內(nèi)部的各部分的相對位置發(fā)生的變化，或物體內(nèi)部的各部分的相對位置隨時間發(fā)生的變化。隨時間發(fā)生的變化。物質(zhì)運動最基本、最簡單的運動形式物質(zhì)運動最基本、最簡單的運動形式 力學是物理學和許多工程

18、技術(shù)學科的基礎力學是物理學和許多工程技術(shù)學科的基礎University physics AP Fang 質(zhì)點運動學質(zhì)點運動學 質(zhì)點動力學質(zhì)點動力學 剛體力學剛體力學 運動規(guī)律的原因運動規(guī)律的原因質(zhì)點集合（質(zhì)點系）質(zhì)點集合（質(zhì)點系）剛體運動的基礎剛體運動的基礎第一章第一章 質(zhì)點運動學質(zhì)點運動學預備知識：預備知識：微積分，矢量代數(shù)，國際單位制（微積分，矢量代數(shù)，國際單位制（SI） 1-1 質(zhì)點運動學的基本概念質(zhì)點運動學的基本概念一、質(zhì)點一、質(zhì)點 質(zhì)點系質(zhì)點系 剛體剛體 質(zhì)點質(zhì)點：無大小與形狀的空間幾何點無大小與形狀的空間幾何點P 具有一定的質(zhì)量具有一定的質(zhì)量 m 質(zhì)點系質(zhì)點系 若干質(zhì)點的集合體若干

19、質(zhì)點的集合體 對實際物體有條件的、合理的抽象描述對實際物體有條件的、合理的抽象描述理理想想模模型型二、參照系二、參照系 位置矢量位置矢量1. 1. 參照系參照系描述物體的相對性描述物體的相對性描述物體的近似性描述物體的近似性 剛體剛體 大小、形狀的變化可以忽略不計大小、形狀的變化可以忽略不計University physics AP Fang 參照物參照物：xyz0P參照物參照物 選取的任意性，選取的任意性， 參照系：參照系：參照物參照物 + + 坐標系坐標系 + + 時鐘時鐘 極坐標系極坐標系 .2 . 位置矢量（位置矢量（Position Vector）222zyxrrzcosrycos,

20、rxcos運動的相對性運動的相對性 直角坐標系直角坐標系 自然坐標系自然坐標系rxiyjkz zP ( t )xzyo直角坐標系直角坐標系( )r t方向：方向：大?。捍笮。篣niversity physics AP Fang三、運動學方程三、運動學方程 ( Equations of motion )P(t)P(t)x xz zy yo oijk()r t( )rr t時刻時刻 1 1：時刻時刻 2 2：()rr tt ()r ttP直角坐標系直角坐標系：( )( )( )( )r tx t iy t jz t k 描述物體運動狀態(tài)描述物體運動狀態(tài) 運動疊加（合成）原理運動疊加（合成）原理 確

21、定物體運動軌跡確定物體運動軌跡 軌跡方程軌跡方程例：例：已知質(zhì)點運動已知質(zhì)點運動tRytRxsin,cos分析規(guī)律？分析規(guī)律？解：解：( )( )( )r tx t iy t jR)t (y)t (xr22質(zhì)點做平面質(zhì)點做平面圓周運動圓周運動物理物理意義意義( ),( ),( )xx tyy tzz tUniversity physics AP Fang1-2 位移位移 速度速度 加速度加速度一、位移一、位移（Displacement vector）r()( )r ttr tr P PP Px yzOPP 反映了物體運動中位置反映了物體運動中位置 （距離與方位）的變化。（距離與方位）的變化。

22、討論討論：( )r t()r ttrr1. 直角坐標系中直角坐標系中rxiy jzk 2. 位移與參照物位置的變化無關位移與參照物位置的變化無關3.r與與r的區(qū)別的區(qū)別rrOrO)()(tttrrr)()(tttrrrUniversity physics AP Fang 4. 自然坐標系自然坐標系OPQ s( )r t()r tt)tt ( s) t ( s前提：質(zhì)點相對參考系的運動前提：質(zhì)點相對參考系的運動軌跡已知軌跡已知r)(tss : ( ),: ()P s t Q s tt()( )ss tts t 路程路程5. 位移是位移是矢量矢量（有大小，有方向）（有大小，有方向）,路程是路程是標量標量rS 0t 當時，有drdS6. 位移僅與始、終兩點有關，而與位移僅與始、終兩點有關，而與運動的細節(jié)運動的細節(jié)無關無關一質(zhì)點以半徑一質(zhì)點以半徑R 作勻速圓周運動，以圓心為原點，半個作勻速圓周運動，以圓心為原點，半個周期內(nèi)質(zhì)點位移的大小周期內(nèi)質(zhì)點位移的大小 ，位矢大小的增，位矢大小的增量為量為 。例：例：2rR0RRrUnivers