大學(xué)物理力學(xué)第一章課件

1、大學(xué)物理大 學(xué) 物 理緒 論目 錄 一. 什么是物理學(xué) 二. 物理學(xué)發(fā)展史 三. 為什么要學(xué)習(xí)大學(xué)物理 四. 如何學(xué)好大學(xué)物理一. 什么是物理學(xué) 物理學(xué)是研究物質(zhì)世界最基本形態(tài)的科學(xué) 物理學(xué)研究的范圍 物質(zhì)世界的層次和數(shù)量級(jí)物理學(xué) (Physics)質(zhì)子 10-15 m空間尺度：物 質(zhì) 結(jié) 構(gòu)物質(zhì)相互作用物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律微觀粒子Microscopic介觀物質(zhì)mesoscopic宏觀物質(zhì)macroscopic宇觀物質(zhì)cosmological類星體 10 26 m時(shí)間尺度：基本粒子壽命 10-25 s宇宙壽命 1018 s緒 論 牛頓力學(xué) (Mechanics) 研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律及關(guān)于時(shí)空的

2、規(guī)律 電磁學(xué) (Electromagnetism) 研究電磁現(xiàn)象、物質(zhì)的電磁運(yùn)動(dòng)規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律 熱力學(xué) (Thermodynamics) 研究物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律及其宏觀表現(xiàn) 相對(duì)論 (Relativity) 研究物體的高速運(yùn)動(dòng)效應(yīng)以及相關(guān)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律 量子力學(xué) (Quantum mechanics) 研究微觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象以及基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律二.物理學(xué)的五大基本理論物理學(xué)是一門(mén)最基本的科學(xué);是最古老、但發(fā)展最快的科學(xué);它提供最多、最基本的科學(xué)研究手段。2. 近代物理學(xué)時(shí)期 19世紀(jì)末至今a 狹義相對(duì)論 澄清時(shí)間和空間的概念。b 量子力學(xué) 研究各種物體的運(yùn)動(dòng)及其相互作用。二. 物理學(xué)發(fā)展史1.

3、 經(jīng)典物理學(xué)時(shí)期 19世紀(jì)末以前a 經(jīng)典力學(xué) 研究人體尺度物體的運(yùn)動(dòng)及其相互作用。b 電磁學(xué) 研究帶電物體的運(yùn)動(dòng)及相互作用，描述電磁現(xiàn)象。 可以簡(jiǎn)單地劃分成兩個(gè)時(shí)期，包含四個(gè)主要理論 物理學(xué)與工程技術(shù)有著深刻的內(nèi)在聯(lián)系科學(xué)解決理論問(wèn)題技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題 物理學(xué)與工程技術(shù)相互促進(jìn)的模式1、技術(shù) 物理 技術(shù)2、物理 技術(shù) 物理蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用 熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理 蒸汽機(jī)效率的提高 內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明A、電磁學(xué) 發(fā)電機(jī)，電力電器，無(wú)線電通訊技術(shù) 電磁學(xué)B、量子力學(xué)，半導(dǎo)體物理 晶體管超大規(guī)模集成電路技術(shù)，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，激光技術(shù) 量子力學(xué)，激光物理 C、狹義相對(duì)論，質(zhì)能關(guān)系 原子彈及核能利用核物理、粒子物理、

4、高能物理。物理學(xué)原理及理論初創(chuàng)式開(kāi)發(fā)和應(yīng)用都成了當(dāng)時(shí)的高新技術(shù)。物理學(xué)仍然是當(dāng)代高新技術(shù)的主要源泉。是高等院校理工科類各專業(yè)的一門(mén)十分重要的基礎(chǔ)課,在其一系列 課程體系中占有非常重要的位置。四 如何學(xué)好大學(xué)物理課前預(yù)習(xí) 培養(yǎng)自學(xué)能力，對(duì)有疑問(wèn)的內(nèi)容作 針對(duì)性的聽(tīng)課。（看第一遍書(shū)）b. 聽(tīng)課 弄懂有疑問(wèn)的部分，發(fā)現(xiàn)自學(xué)理解錯(cuò)誤的 內(nèi)容及其出現(xiàn)問(wèn)題。（記筆記）c. 看書(shū) 進(jìn)一步弄懂課堂講授的內(nèi)容，對(duì)照筆記解 決出現(xiàn)的問(wèn)題。（看第二遍書(shū)）d. 做作業(yè) 發(fā)現(xiàn)解決又出現(xiàn)的問(wèn)題，培養(yǎng)解決處理問(wèn) 題能力，養(yǎng)成踏踏實(shí)實(shí)、一絲不茍、仔細(xì)認(rèn)真的 良好習(xí)慣。 e. 輔導(dǎo)答疑、同學(xué)之間進(jìn)行討論 解決問(wèn)題、 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，

5、加深對(duì)教材的理解f. 批改作業(yè) 發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，糾正錯(cuò)誤。g. 總復(fù)習(xí) 逐字逐句通讀全書(shū)，理解、掌握所學(xué) 內(nèi)容并將之串為一體。（看第三遍書(shū)）h. 考試 檢驗(yàn)學(xué)習(xí)情況，再次發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決之。注意與中學(xué)物理的區(qū)別標(biāo)量 矢量；恒量為主 變量為主；定性分析 定量計(jì)算打好數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 要想學(xué)好物理，必須有良好的數(shù)學(xué)知識(shí)作為基礎(chǔ)。尤其要注意以下幾個(gè)方面：坐標(biāo)系的建立和使用；導(dǎo)數(shù)和積分運(yùn)用；標(biāo)量積；矢量積。基本要求 1.上課注意聽(tīng)講，記筆記，不得無(wú)故曠課。 2. 按時(shí)完成作業(yè)，不抄襲作業(yè)。 3. 有問(wèn)題問(wèn)老師或同學(xué)，及時(shí)弄懂有關(guān)問(wèn)題，不要拖。 為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)的國(guó)防現(xiàn)代化，必然要有大量的機(jī)械化、自動(dòng)化的武器裝備于部隊(duì)，這

6、些武器從何來(lái)？恐怕大多數(shù)只能靠我國(guó)自力更生解決，這是一項(xiàng)十分艱巨的任務(wù)，設(shè)計(jì)、制造、使用、維護(hù)現(xiàn)代化的武器裝備，需要大批的專業(yè)人才。在座的各位都是未來(lái)的工程師主要技術(shù)骨干，掌握好本課程的有關(guān)知識(shí)，將為你們未來(lái)的工作打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。最后希望我們共同努力，把這門(mén)課程教好學(xué)好。 成績(jī)?cè)u(píng)定 平時(shí)成績(jī)（作業(yè)、課堂表現(xiàn)、出勤率）30%期末考試成績(jī)占70% 許多帶“力學(xué)”名稱的學(xué)科，如熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、相對(duì)論力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)等，在習(xí)慣上被認(rèn)為是物理學(xué)的其它分支，不屬于力學(xué)范圍。但是在一般技術(shù)領(lǐng)域，包括機(jī)械制造、土木建筑、地質(zhì)勘探，甚至航空航天技術(shù)，經(jīng)典力學(xué)起著重要的基礎(chǔ)作用， 這種實(shí)用性是我們學(xué)

7、習(xí)經(jīng)典力學(xué)的原因。本冊(cè)書(shū)講述經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，包括質(zhì)點(diǎn)力學(xué)和部分剛體力學(xué)。著重闡明動(dòng)量、角動(dòng)量和能量等概念和相應(yīng)守恒定律。狹義相對(duì)論時(shí)空觀已經(jīng)是當(dāng)今物理學(xué)基礎(chǔ)概念，它和牛頓力學(xué)聯(lián)系緊密，可歸納為經(jīng)典力學(xué)范疇，本冊(cè)最后一章介紹狹義相對(duì)論的基本概念和原理。力 學(xué) 概 述力學(xué)的分類：1. 經(jīng)典力學(xué)：研究弱引力場(chǎng)中宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)。2. 狹義相對(duì)論：研究宏觀高速物體的運(yùn)動(dòng)。3. 廣義相對(duì)論：研究強(qiáng)引力場(chǎng)中物體的運(yùn)動(dòng)。4. 量子力學(xué)：研究微觀物體的運(yùn)動(dòng)。 第一篇力學(xué)的物理基礎(chǔ)力學(xué)研究的對(duì)象：專門(mén)研究機(jī)械運(yùn)動(dòng)的學(xué)科。 宏觀物體之間（或物體內(nèi)各部分之間）相對(duì)位置變動(dòng)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)： 運(yùn)動(dòng)學(xué)研究物體在空間的位置隨

8、時(shí)間變化 規(guī)律或運(yùn)動(dòng)的軌道問(wèn)題，而并不涉及物體發(fā)生 機(jī)械運(yùn)動(dòng)的變化原因。 動(dòng)力學(xué)以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)，研究物體 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變所遵守的規(guī)律。力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)經(jīng)典力學(xué)：第一章教學(xué)基本要求 一 掌握位置矢量、位移、加速度等描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)變化的物理量 . 理解這些物理量的矢量性、瞬時(shí)性和相對(duì)性 . 二 理解運(yùn)動(dòng)方程的物理意義及作用 . 掌握運(yùn)用運(yùn)動(dòng)方程確定質(zhì)點(diǎn)的位置、位移、速度和加速度的方法，以及已知質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的加速度和初始條件求速度、運(yùn)動(dòng)方程的方法. 三 能計(jì)算質(zhì)點(diǎn)在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度和加速度，以及質(zhì)點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的角速度、角加速度、切向加速度和法向加速度 . 四 了解伽利略速度變換式, 并會(huì)

9、用它求簡(jiǎn)單的質(zhì)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題.一 參考系 質(zhì)點(diǎn) 坐標(biāo)系 質(zhì)點(diǎn)是經(jīng)過(guò)科學(xué)抽象而形成的理想化的物理模型 . 目的是為了突出研究對(duì)象的主要性質(zhì) , 暫不考慮一些次要的因素 . 如果我們研究某一物體的運(yùn)動(dòng)，而可以忽略其大小和形狀對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響，若不涉及物體的轉(zhuǎn)動(dòng)和形變，我們就可以把物體當(dāng)作是一個(gè)具有質(zhì)量的點(diǎn)（即質(zhì)點(diǎn)）來(lái)處理 . 2 質(zhì)點(diǎn) 為描述物體的運(yùn)動(dòng)而選擇的標(biāo)準(zhǔn)物叫做參考系.1 參考系 選取的參考系不同，對(duì)物體運(yùn)動(dòng)情況的描述 不同，這就是運(yùn)動(dòng)描述的相對(duì)性.運(yùn)動(dòng)本身是絕對(duì)的，但對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述是相對(duì)的.地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)：地球半徑：日地距離： 地球可看作質(zhì)點(diǎn)。* 質(zhì)點(diǎn)是理想模型，任何物體都有一定的形狀和大

10、小，物體是否可看作質(zhì)點(diǎn)，不能單純看它的大小，而應(yīng)根據(jù)具體情況而定。地球自轉(zhuǎn)：不能將地球看作質(zhì)點(diǎn)。 作平動(dòng)的物體； 兩物體間的距離遠(yuǎn)大于本身的線度.一個(gè)物體能否看作質(zhì)點(diǎn)的條件是：3、坐標(biāo)系 為了把物體在各個(gè)時(shí)刻相對(duì)于參考系的位置定量地表示出來(lái)，需要在參考系中建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系。（固定坐標(biāo)系、運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系） 力學(xué)中常見(jiàn)的坐標(biāo)系：直角坐標(biāo)系；自然坐標(biāo)系；極坐標(biāo)系；球坐標(biāo)系；柱坐標(biāo)系。位矢 的方向余弦PP2 運(yùn)動(dòng)方程質(zhì)點(diǎn)相對(duì)參考系運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)位置隨時(shí)間變化，質(zhì)點(diǎn)位置矢量是時(shí)間函數(shù)。分量式從中消去參數(shù) 得軌跡方程 二 位移質(zhì)點(diǎn)末位置矢量與初位置矢量之差，稱為位移矢量。它是描述質(zhì)點(diǎn)位置變動(dòng)情況的物理量。BAB

11、A 經(jīng)過(guò)時(shí)間間隔 后, 質(zhì)點(diǎn)位置矢量發(fā)生變化, 由始點(diǎn) A 指向終點(diǎn) B 的有向線段 AB 稱為點(diǎn) A 到 B 的位移矢量 . 位移矢量也簡(jiǎn)稱位移. 位移的物理意義 A) 確切反映物體在空間位置的變化, 與路徑無(wú)關(guān)，只決定于質(zhì)點(diǎn)的始末位置. B）反映了運(yùn)動(dòng)的矢量性和疊加性.注意位矢長(zhǎng)度的變化位移與路程 （B） 一般情況, 位移大小不等于路程. （D）位移是矢量, 路程是標(biāo)量.（C）什么情況 ？不改變方向的直線運(yùn)動(dòng); 當(dāng) 時(shí) .討論 （A）P1P2 兩點(diǎn)間的路程 是不唯一的, 可以是 或 而位移 是唯一的.三 速度 描述質(zhì)點(diǎn)位置變化快慢的物理量。 1 平均速度 在 時(shí)間內(nèi), 質(zhì)點(diǎn)從點(diǎn)A 運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)

12、 B, 其位移為時(shí)間內(nèi), 質(zhì)點(diǎn)的平均速度平均速度 與 同方向.平均速度大小或BA2 瞬時(shí)速度 當(dāng)質(zhì)點(diǎn)做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí), 質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)的速度方向就是沿該點(diǎn)曲線的切線方向. 當(dāng) 時(shí)平均速度的極限值叫做瞬時(shí)速度, 簡(jiǎn)稱速度當(dāng) 時(shí),瞬時(shí)速率：速度 的大小稱為速率 若質(zhì)點(diǎn)在三維空間中運(yùn)動(dòng),其速度為平均速率BA瞬時(shí)速率討論 一運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)在某瞬時(shí)位于矢徑 的端點(diǎn)處，其速度大小為（A）（B）（B）（B）（C）（D）1） 平均加速度B與 同方向 .（反映速度變化快慢的物理量） 單位時(shí)間內(nèi)的速度增量即平均加速度2）（瞬時(shí)）加速度四 加速度A加速度大小加速度加速度大小質(zhì)點(diǎn)作三維運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度為類型1 由質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程可以求

13、得質(zhì)點(diǎn)在任一時(shí)刻的位矢、速度和加速度；類型2 已知質(zhì)點(diǎn)的加速度以及初始速度和初始位置, 可求質(zhì)點(diǎn)速度及其運(yùn)動(dòng)方程 .基本問(wèn)題 （1）勻速直線運(yùn)動(dòng) （2）勻變速直線運(yùn)動(dòng)討論：已知質(zhì)點(diǎn)在xy 平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)函數(shù)為x=Rcost， y=Rsint, R和為常量。（1）因規(guī)道方程rRV故知規(guī)道為一半徑為R的圓，即質(zhì)點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)。求：（1）質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)道；任一時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的位矢、速度和加速度。（2）解：（2）位矢其中xyo速度xyorVR（2）位置矢量解：即速度的方向總是與位矢的方向垂直,即速度沿規(guī)道的切線方向。速度xyorVR（2）解：加速度故加速度的方向總是與位矢的方向相反, 即加速度的方向沿半徑指向

14、圓心。加速度的大小1.7 圓周運(yùn)動(dòng)P特點(diǎn)：不是固定坐標(biāo)系，而是運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系。1.自然坐標(biāo)系：在質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡上的任意點(diǎn)，均可建立如下坐標(biāo)系，其中一根坐標(biāo)軸沿該點(diǎn)的切線方向，單位矢量為 ；另一條坐標(biāo)軸沿該點(diǎn)軌跡的法線并指向曲線的凹側(cè)，單位矢量為 稱為自然坐標(biāo)系。一、曲線運(yùn)動(dòng)的自然坐標(biāo)表示法2.圓周運(yùn)動(dòng)的自然坐標(biāo)表示法（2）速度（3）加速度的大?。?1)運(yùn)動(dòng)方程的方向：故有所以 2.圓周運(yùn)動(dòng)的自然坐標(biāo)表示法切向加速度：表示速度大小變化的快慢。法向加速度：表示速度方向變化的快慢。2.圓周運(yùn)動(dòng)的自然坐標(biāo)表示法總加速度 的大小為方向?yàn)椋ㄅc 間的夾角）：通常不指向圓心。2.圓周運(yùn)動(dòng)的自然坐標(biāo)表示法討論：對(duì)于勻

15、速圓周運(yùn)動(dòng)有只有法向加速度，也稱向心加速度。2.圓周運(yùn)動(dòng)的自然坐標(biāo)表示法3一般曲線運(yùn)動(dòng)的自然坐標(biāo)表示法（2）速度（3）加速度（1）運(yùn)動(dòng)方程平面極坐標(biāo) A 設(shè)一質(zhì)點(diǎn)在 平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，某時(shí)刻它位于點(diǎn) A .矢徑 與 軸之間的夾角為 . 于是質(zhì)點(diǎn)在點(diǎn) A 的位置可由 來(lái)確定 .以 為坐標(biāo)的參考系為平面極坐標(biāo)系 .它與直角坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系為二、圓周運(yùn)動(dòng)的極坐標(biāo)描述及角量與線量的關(guān)系(1) 角位置 OXYP單位：rad(2) 角位移 1、圓周運(yùn)動(dòng)的極坐標(biāo)（角量）描述單位：rad其中 R 為常量(3) 平均角速度單位：（4）平均角加速度單位：2OXYP瞬時(shí)角速度瞬時(shí)角加速度：1、圓周運(yùn)動(dòng)的極坐標(biāo)（角量）

16、描述2. 勻速圓周運(yùn)動(dòng)的角量描述: = const ， 0運(yùn)動(dòng)方程為: 03.勻變速圓周運(yùn)動(dòng)的角量描述為變量，= const運(yùn)動(dòng)方程：類比法4.圓周運(yùn)動(dòng)中線量和角量的關(guān)系（1.速度2.加速度3.運(yùn)動(dòng)方程4.飛行時(shí)間5.最大高度及射程6.軌道函數(shù) 1.4 拋體運(yùn)動(dòng)例1.5一列火車(chē)靜止開(kāi)始速率均勻增大。其軌道半徑為R=800m的圓弧，已知啟動(dòng)后3秒時(shí)列車(chē)速率為20m/s，求啟動(dòng)后2秒時(shí)列車(chē)切向加速度，法向加速度和總加速度。1.5 運(yùn)動(dòng)描述的相對(duì)性 伽利略變換運(yùn)動(dòng)本身是絕對(duì)的，但對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述是相對(duì)的，對(duì)于不同的參照系，對(duì)同一運(yùn)動(dòng)的描述是不同的，這就是運(yùn)動(dòng)描述的相對(duì)性。本節(jié)討論：1.經(jīng)典力學(xué)中不同參照

17、系間的時(shí)空關(guān)系；2.經(jīng)典力學(xué)的坐標(biāo)、速度、加速度變換（伽利略變換）。一 時(shí)間與空間 在兩個(gè)相對(duì)作直線運(yùn)動(dòng)的參考系中， 時(shí)間的測(cè)量是絕對(duì)的，空間的測(cè)量也是絕對(duì)的， 與參考系無(wú)關(guān)， 時(shí)間和長(zhǎng)度的的絕對(duì)性是經(jīng)典力學(xué)或牛頓力學(xué)的基礎(chǔ) .AB 小車(chē)以較低的速度 沿水平軌道先后通過(guò)點(diǎn) A 和點(diǎn) B . 地面上人測(cè)得車(chē)通過(guò) A、B 兩點(diǎn)間的距離和時(shí)間與車(chē)上的人測(cè)量結(jié)果相同 .物體運(yùn)動(dòng)的軌跡依賴于觀察者所處的參考系二 相對(duì)運(yùn)動(dòng)一、經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀 伽利略坐標(biāo)變換1. 經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀設(shè)有兩個(gè)參照系內(nèi)相應(yīng)的坐標(biāo)系K系（靜止）與 系（運(yùn)動(dòng)）可寫(xiě)為：上式成立的條件之一為空間兩點(diǎn)間距離的測(cè)量與坐標(biāo)系的選擇無(wú)關(guān)。-經(jīng)典力學(xué)的空間觀（空間的絕對(duì)性）。上式成立的條件之二為即：時(shí)間的測(cè)量與參照系的選擇無(wú)關(guān)。經(jīng)典力學(xué)的時(shí)間觀（時(shí)間的絕對(duì)性）。絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間的概念構(gòu)成了經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀。（適用于宏觀