大學(xué)物理的作用和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)

1、大學(xué)物理的作用和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)為什么要學(xué)習(xí)大學(xué)物理？3 科技發(fā)展的關(guān)鍵1 自然科學(xué)的基礎(chǔ)2 現(xiàn)代工程技術(shù)的基礎(chǔ)華人諾貝爾獎(jiǎng)：6 崔 琦(河南寶豐): 98年物理獎(jiǎng)電子的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)1 楊振寧(合肥): 1957年物理獎(jiǎng) 弱相互作用下宇稱(chēng)不守恒2 李政道(上海): 1957年物理獎(jiǎng) 弱相互作用下宇稱(chēng)不守恒3 丁肇中(山東日照): 1976年物理獎(jiǎng) 重中性介子J粒子5 朱棣文(江蘇太倉(cāng)): 1997年物理獎(jiǎng) 激光冷卻和俘獲原子4 李遠(yuǎn)哲(臺(tái)): 1986年化學(xué)獎(jiǎng)7 高行健(江蘇泰州): 2000年文學(xué)獎(jiǎng)，90年代定居法國(guó)2009 華人科學(xué)家因光傳輸研究和CCD傳感器獲獎(jiǎng)8 高錕學(xué)習(xí)大學(xué)物理的作用：

2、打好必要的物理基礎(chǔ)2 掌握初步的思維方法和研究問(wèn)題方法3 增強(qiáng)適應(yīng)能力、激發(fā)探索和創(chuàng)新精神4 提高綜合科學(xué)素質(zhì)5 為進(jìn)一步學(xué)習(xí)新理論、新知識(shí)、新科學(xué) 奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)物理學(xué)的研究對(duì)象物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最基本最普遍的形式：機(jī)械運(yùn)動(dòng) 分子熱運(yùn)動(dòng) 電磁運(yùn)動(dòng) 原子和原子核內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)物理學(xué)是探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的學(xué)科研究的對(duì)象十分廣泛 宇觀 宏觀 微觀空間尺度(相差10451046)1026 m(約150億光年)(宇宙)1020 m(夸克)時(shí)間尺度(相差1045)1018s 150億年(宇宙年齡)-10-27s(硬 射線(xiàn)周期)速率范圍0(靜止) - 3x108 m/s(光速) 物理學(xué)的分支及近年來(lái)發(fā)展的總趨勢(shì)物

3、理學(xué)經(jīng)典物理現(xiàn)代物理力學(xué)熱學(xué)電磁學(xué)光學(xué)相對(duì)論量子論非線(xiàn)性時(shí)間 t關(guān)鍵概念的發(fā)展力學(xué)電磁學(xué)熱學(xué)相對(duì)論量子論1600 1700 1800 1900物理學(xué)近年來(lái)的發(fā)展：* 粒子物理 高能加速器產(chǎn)生新粒子，已發(fā)現(xiàn)300種。 麥克斯韋理論、狄拉克量子電動(dòng)力學(xué)、重整化方法。* 天體物理 運(yùn)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和理論對(duì)宇宙各種星球 進(jìn)行觀測(cè)和研究，從而得出相應(yīng)的天文規(guī)律的學(xué)科。應(yīng) 用經(jīng)典、量子、廣義相對(duì)論、等離子體物理和粒子物理。* 太陽(yáng)中微子短缺問(wèn)題 * 引力波存在的問(wèn)題 * 物體的速度能否超過(guò)光速的問(wèn)題 * 生物物理 有機(jī)體遺傳程序的研究 * 有機(jī)體遺傳程序的研究（須運(yùn)用量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì) 物理、X射線(xiàn)、電子能

4、譜 和核磁共振技術(shù)等）。* 非平衡熱力學(xué)及統(tǒng)計(jì)物理 物理學(xué)發(fā)展的總趨向：* 學(xué)科之間的大綜合。* 相互滲透結(jié)合成邊緣學(xué)科。生物物理、生物化學(xué)、物理化學(xué)、量子化學(xué)量子電子學(xué)、量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)、固體量子論。二十世紀(jì)物理學(xué)中兩個(gè)重要的概念：場(chǎng)和對(duì)稱(chēng)性 從經(jīng)典物理學(xué)到量子力學(xué)過(guò)渡時(shí)期的三個(gè)重大問(wèn)題的提出 光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng)。 黑體輻射問(wèn)題，即所謂“紫外災(zāi)難”。 原子的穩(wěn)定性和大小。提出命題修改理論推測(cè)答案理論預(yù)言實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)應(yīng) 用演繹法推理 演算歸納法假設(shè) 模型定性和半定量直覺(jué) 想象力 洞察力物理學(xué)的研究方法觀察 實(shí)驗(yàn) 抽象 假說(shuō)物理學(xué)與科學(xué)技術(shù) 物理學(xué)為其他學(xué)科創(chuàng)立技術(shù)和原理 重大新技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)立總是經(jīng)歷

5、 長(zhǎng)期的物理醞釀 如 微電子技術(shù)的發(fā)展 物理學(xué)滿(mǎn)足人類(lèi)所深刻認(rèn)識(shí)到的最根本的 程度上了解自然界的需要 (美國(guó)物理學(xué)評(píng) 述委員會(huì))盧瑟福 a 粒子散射實(shí)驗(yàn)(1909)核能利用(40年代以后)愛(ài)因斯坦受激輻射理論(1917) 第一臺(tái)激光器(1960) (物理) (技術(shù))信息技術(shù)發(fā)生和發(fā)展的硬件部分以物理學(xué)成果為基礎(chǔ) (技術(shù)) (物理) 量子力學(xué) 費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì) 固體能帶理論(20年代) (物理) 晶體管誕生(1947) 集成電路(1962) 大規(guī)模集成電路(70年代后期) (技術(shù)) 微結(jié)構(gòu)物理 (物理)物理學(xué)與高素質(zhì)人才提高科學(xué)素質(zhì)和能力以適應(yīng)高新技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、職業(yè)的變化現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)工程師類(lèi)

6、型工程科學(xué)家型革新發(fā)明家型現(xiàn)場(chǎng)工程專(zhuān)家型管理規(guī)劃專(zhuān)家型要求良好的科學(xué)素質(zhì)!物理學(xué)的思想和觀點(diǎn) 如 建理想化模型從物理本質(zhì)上提出和研究本專(zhuān)業(yè)問(wèn)題創(chuàng)新能力在工程技術(shù)中引入物理學(xué)的新成果物理素質(zhì)的表現(xiàn) 重視提高科學(xué)素質(zhì)深厚的科學(xué)素養(yǎng)是發(fā)明創(chuàng)造的基礎(chǔ)大學(xué)物理與中學(xué)物理的區(qū)別教學(xué)內(nèi)容 中學(xué)物理研究特殊性問(wèn)題 大學(xué)物理研究一般 性問(wèn)題數(shù)學(xué)工具 中學(xué)物理以初等數(shù)學(xué)和幾何學(xué)為工具 大學(xué)物理以高等數(shù)學(xué)為工具學(xué)習(xí)方式 中學(xué)物理講授內(nèi)容和知識(shí)的消化全部在課內(nèi)進(jìn)行 大學(xué)物理課上以講授知識(shí)為主，課下自已消化理解。 所以，大學(xué)課堂，教學(xué)內(nèi)容多，進(jìn)行速度快，作業(yè)數(shù)量少而精。力學(xué)電磁學(xué)波動(dòng)與光學(xué)量子物理熱學(xué)大學(xué)物理的主要內(nèi)容

7、：這一學(xué)期下一學(xué)期狹義相對(duì)論第一章力學(xué)mechanics一.力學(xué)研究對(duì)象：機(jī)械運(yùn)動(dòng)（motion）二.力學(xué)研究的內(nèi)容：1 .運(yùn)動(dòng)學(xué)：研究如何描述物體的運(yùn)動(dòng)以及 各運(yùn)動(dòng)量之間的關(guān)系 2 .動(dòng)力學(xué)：研究產(chǎn)生或改變運(yùn)動(dòng)的原因，即 物體間相互作用對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響KinematicsDynamics力學(xué)mechanics第1章 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)Kinematics 本章內(nèi)容：1. 1 確定質(zhì)點(diǎn)位置的方法1. 2 質(zhì)點(diǎn)的位移、速度和加速度1. 3 用直角坐標(biāo)表示位移、速度和加速度1. 4 用自然坐標(biāo)表示平面曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中的速度和加速度1. 5 圓周運(yùn)動(dòng)的角量表示 角量與線(xiàn)量的關(guān)系1. 6 不同坐標(biāo)系中的速度和加速度變換

8、定理簡(jiǎn)介一、質(zhì)點(diǎn)（ particle ）物體的形狀忽略，物體看作有質(zhì)量的點(diǎn)。 1.1.1 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本概念任何物體都可以無(wú)條件的看作質(zhì)點(diǎn)嗎？A.公轉(zhuǎn)B.自轉(zhuǎn)假如研究對(duì)象是地球質(zhì)點(diǎn)實(shí)際研究對(duì)象的簡(jiǎn)化 理想模型b. 物體無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)可視為質(zhì)點(diǎn)a. 物體自身線(xiàn)度活動(dòng)范圍假如研究對(duì)象是下滑木塊二、參照系 frame of reference1.為什么要選用參照系例如車(chē)廂內(nèi)某人豎直下拋一小球，觀察小球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)孰是孰非？車(chē)廂內(nèi)的人：地面上的人：垂直下落拋物運(yùn)動(dòng)-運(yùn)動(dòng)的描述是相對(duì)的2.什么是參照系 參照系：為描述物體運(yùn)動(dòng)而選作參考的物體或 物體系。xyzOP參照物(1) 運(yùn)動(dòng)學(xué)中參考系可任選。(2)

9、參考物選定后，坐標(biāo)系可任選。(3) 常用坐標(biāo)系（ coordinate）直角坐標(biāo)系（ x , y , z ） 球坐標(biāo)系（ r, ）柱坐標(biāo)系（ , , z ） 自然坐標(biāo)系 ( s ) 討論質(zhì)點(diǎn)某時(shí)刻位置P1.1.2 確定質(zhì)點(diǎn)位置的方法1. 直角坐標(biāo)法2. 位置矢量法由位置矢量 表示。位置矢量的大小：P(x, y, z)位置矢量的方向：參考物3. 自然坐標(biāo)法 已知質(zhì)點(diǎn)相對(duì)參考系的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，常用自然法。1.1.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程參考物位置矢量直角坐標(biāo)自然坐標(biāo)已知運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可求質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和加速度。1.1.2 確定質(zhì)點(diǎn)位置的方法一質(zhì)點(diǎn)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，半徑為r ，角速度為 。以圓心O 為原點(diǎn)。建立

10、直角坐標(biāo)系Oxy ，O 點(diǎn)為起始時(shí)刻，設(shè)t 時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)位于P（x , y），用直角坐標(biāo)表示的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為位矢表示為自然坐標(biāo)表示為例解求用直角坐標(biāo)、位矢、自然坐標(biāo)表示的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。如圖所示，以速度v 用繩跨一定滑輪拉湖面上的船，已知繩初長(zhǎng) l 0，岸高 h。求解：hx坐標(biāo)表示為取坐標(biāo)系如圖依題意有O船的運(yùn)動(dòng)方程質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本問(wèn)題之一就是確定質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。 愉快的旅行 西安-上海1.2 質(zhì)點(diǎn)的位移、速度和加速度1.2.1 位移（ Displacement）位移矢量反映了物體運(yùn)動(dòng)中位置 ( 距離與方位 ) 的變化。 討論：(1) 位移是矢量（有大小，有方向）位移不同于路程(2) 位移與坐標(biāo)

11、系原點(diǎn)的位置無(wú)關(guān)(3)與r 的區(qū)別xyzOPQOO分清Displacement , Velocity, Acceleration1.2.2 速度( 描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量 )1. 平均速度o2. 瞬時(shí)速度ABB 討論(1) 速度有矢量性、瞬時(shí)性和相對(duì)性。(2) 注意速度與速率的區(qū)別Average VelocityInstantaneous VelocityVelocity瞬時(shí)速率（Speed）1.2.3 加速度（反映速度變化快慢的物理量）你感覺(jué)到過(guò)加速度嗎？1.2.3 加速度1. 平均加速度2. 瞬時(shí)加速度 討論(1) 加速度反映速度的變化（大小和方向）情況。ABO(2) 加速度的方向總是指

12、向軌跡曲線(xiàn)凹的一面。 Average AccelerationAcceleration Instantaneous AccelerationNotice that acceleration and velocity often point in different directions! 用直角坐標(biāo)表示位移、速度和加速度1.3.1 位移x yzO時(shí)刻t ，質(zhì)點(diǎn)位于P ，位矢為時(shí)刻t + t ，質(zhì)點(diǎn)位于Q ，位矢為時(shí)間 t 內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的位移為建如圖所示坐標(biāo)，則1.3.2 速度1. 平均速度2. 瞬時(shí)速度速度的大小為速度的方向用方向余弦表示為其中Velocity1.3.3 加速度大小為方向用方向余弦表

13、示為其中AccelerationFind the appropriate acceleration graphsparabola 運(yùn)動(dòng)學(xué)的兩類(lèi)問(wèn)題1. 第一類(lèi)問(wèn)題已知運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，求(1) t =1s 到 t =2s 質(zhì)點(diǎn)的位移(2) t =2s 時(shí)已知一質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程求例解(1)(2)當(dāng) t =2s 時(shí)如圖,長(zhǎng)為l的細(xì)棒,在豎直平面內(nèi)沿墻角下滑,上端A下滑速度為勻速v。當(dāng)下端B離墻角距離為x (xl)時(shí),B端水平速度和加速度多大?解：建立如圖所示的坐標(biāo)系 設(shè)A端離地高度為y方程兩邊對(duì)t求導(dǎo)加速度:解：已知求和運(yùn)動(dòng)方程。代入初始條件代入初始條件2. 第二類(lèi)問(wèn)題已知加速度和初始條件，求例,t =0

14、時(shí)1.4 用自然坐標(biāo)表示平面曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中的速度和加速度1.4.1 速度(速度在切線(xiàn)方向上)參考物1.4.2 加速度大小:方向:令(切向加速度）令(法向加速度）大小(t0):方向(t0):對(duì)于圓周運(yùn)動(dòng)對(duì)于平面曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng) 一汽車(chē)在半徑R=200m 的圓弧形公路上行駛，其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為s =20t - 0.2 t 2 (SI) .根據(jù)速度和加速度在自然坐標(biāo)系中的表示形式，有汽車(chē)在 t = 1s 時(shí)的速度和加速度。求：解： 討論(1) 在一般情況下其中 為曲率半徑，引入曲率圓后，整條曲線(xiàn)就可看成是由許多不同曲率半徑的圓弧所構(gòu)成的方向指向曲率圓中心 (2)思考拋體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的曲率半徑？1.5 圓周運(yùn)動(dòng)的角量表

15、示 角量與線(xiàn)量的關(guān)系Circular MotionAngular and LinearCircular Motion radian (弧度) The “radian pie” has an arc equal to the radius 2 radians = 3600 2 radians = 1 revolution Angular Velocity（角速度）Angular Velocity = radians / time = / t角坐標(biāo)對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)：（運(yùn)動(dòng)學(xué)方程)極 徑r（運(yùn)動(dòng)學(xué)方程)角位移（逆時(shí)針 為正）1.5 圓周運(yùn)動(dòng)的角量表示 角量與線(xiàn)量的關(guān)系1. 極坐標(biāo)、角位置與角位移2. 角速度（描述質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢的物理量）Angular VelocityCircular MotionAngular and Linear4. 角量與線(xiàn)量的關(guān)系 速度與角速度的關(guān)系r 加速度與角速度和角加速度的關(guān)系3. 角加速度（描述質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度變化快慢的物理量）與同號(hào)質(zhì)點(diǎn)作加速運(yùn)動(dòng)與異號(hào)質(zhì)點(diǎn)作減速運(yùn)動(dòng)以及 的大小(2) 當(dāng) =? 時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的加速度與半徑成45o角？(1) 當(dāng)t =2s 時(shí)，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的an 和a一質(zhì)點(diǎn)作半徑為0.1m 的圓周運(yùn)動(dòng)，已知運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為(1) 由運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可得求解例(2) 設(shè) t 時(shí)刻，質(zhì)點(diǎn)的加速度與半徑成45o角，則1.6 不同坐標(biāo)系中的