大學(xué)物理課件-西安交通大學(xué)

UniversityPhysicsXi’anJiaotongUniversityAipingFang

apfang@2/20/2012

UniversityphysicsAPFang方愛(ài)平理學(xué)院應(yīng)用物理系辦公電話：82663394辦公室：主樓E1111E-mail：apfang@大學(xué)物理網(wǎng)址：7課件下載：“教學(xué)園地”姓名：學(xué)號(hào)密碼：學(xué)號(hào)一、什么是物理學(xué)？●物理學(xué)

——研究物質(zhì)世界中最基本形態(tài)和規(guī)律的科學(xué)●物理學(xué)研究范圍——物質(zhì)世界的層次和數(shù)量級(jí)Physics質(zhì)子:類星體: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緒論UniversityphysicsAPFang基本粒子壽命宇宙壽命時(shí)間尺度：E-15E-12E-09E-06E-031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小的細(xì)胞原子原子核基本粒子DNA長(zhǎng)度星系團(tuán)銀河系最近恒星的距離太陽(yáng)系太陽(yáng)山哈勃半徑超星系團(tuán)人蛇吞尾圖——形象地表示了物質(zhì)空間尺寸的層次UniversityphysicsAPFang標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型給出的宇宙起源與基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型給出的物質(zhì)組成是一致的物理問(wèn)題

按空間尺度劃分：量子力學(xué)經(jīng)典物理學(xué)宇宙物理學(xué)按運(yùn)動(dòng)速率大小劃分：相對(duì)論物理學(xué)非相對(duì)論物理學(xué)

按客體大小劃分：微觀系統(tǒng)宏觀系統(tǒng)

按運(yùn)動(dòng)速度劃分：低速現(xiàn)象高速現(xiàn)象

●物理學(xué)的發(fā)展實(shí)驗(yàn)物理理論物理計(jì)算物理TodayPhysicsUniversityphysicsAPFang二、物理學(xué)中的主要基本理論是什么？

●牛頓力學(xué)（Newtonianmechanics）

研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律及關(guān)于時(shí)空相對(duì)性的規(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)（Quantummechanics）

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★

結(jié)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。UniversityphysicsAPFang三、物理學(xué)構(gòu)成所有自然科學(xué)的理論基礎(chǔ)●物理學(xué)是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)●

物理學(xué)派生的分支：

物理學(xué)構(gòu)成了化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、地球物理學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)，物理學(xué)的基本概念和技術(shù)被應(yīng)用到所有的自然科學(xué)之中?！?/p>

物理學(xué)與數(shù)學(xué)之間的關(guān)系原子核物理學(xué)原子分子物理學(xué)固體物理學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)激光物理學(xué)等離子體物理學(xué)地球物理學(xué)生物物理學(xué)天體物理學(xué)電子物理學(xué)……UniversityphysicsAPFang四、物理學(xué)與技術(shù)二十世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)被公認(rèn)為科技發(fā)展中最重要的帶頭學(xué)科●

第一種模式——熱機(jī)的發(fā)明●第二種模式——電氣化的發(fā)展核能的利用激光器的產(chǎn)生層析成像技術(shù)(CT)電子計(jì)算機(jī)技術(shù)——物理——技術(shù)物理——技術(shù)——物理粒子散射實(shí)驗(yàn)X射線的發(fā)現(xiàn)受激輻射理論晶體管的發(fā)現(xiàn)UniversityphysicsAPFangUniversityphysicsAPFang電子計(jì)算機(jī)的誕生●

1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室的巴丁、布拉頓和肖克來(lái)發(fā)明了晶體管，標(biāo)志著信息時(shí)代的開(kāi)始●

1962年發(fā)明了集成電路●

70年代后期出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路●

192526年建立了量子力學(xué)●

1926年建立了費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)●

1927年建立了布洛赫波的理論●

1928年索末菲提出能帶的猜想●

1929年派爾斯提出禁帶、空穴的概念同年貝特提出了費(fèi)米面的概念●

1957年皮帕得測(cè)量了第一個(gè)費(fèi)米面UniversityphysicsAPFang超晶格材料納米材料光子晶體晶體管的發(fā)明大規(guī)模集成電路電子計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與工程●

當(dāng)今物理學(xué)和科學(xué)技術(shù)的關(guān)系兩種模式并存，相互交叉，相互促進(jìn)量子力學(xué)能帶理論人工設(shè)計(jì)材料●幾乎所有的重大新(高)技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)立，事先都在物理學(xué)中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的醞釀。“沒(méi)有昨日的基礎(chǔ)科學(xué)就沒(méi)有今日的技術(shù)革命”。

——李政道UniversityphysicsAPFang五、怎樣學(xué)習(xí)物理學(xué)?

著名物理學(xué)家費(fèi)曼說(shuō)：科學(xué)是一種方法。它教導(dǎo)人們：一些事物是怎樣被了解的，什么事情是已知的，現(xiàn)在了解到了什么程度，如何對(duì)待疑問(wèn)和不確定性，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。著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦說(shuō)：

發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷地一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把專業(yè)知識(shí)放在首位。如果一個(gè)人掌握了他的學(xué)科的基礎(chǔ)理論，并且學(xué)會(huì)了獨(dú)立思考和工作，他必定會(huì)找到自己的道路，而且比起那種主要以獲得細(xì)節(jié)知識(shí)為其培訓(xùn)內(nèi)容的人來(lái)，他一定會(huì)更好地適應(yīng)進(jìn)步和變化?！?/p>

學(xué)習(xí)的方法：從整體上邏輯地、協(xié)調(diào)地學(xué)習(xí)物理學(xué)，了解物理學(xué)中各個(gè)分支之間的相互聯(lián)系。UniversityphysicsAPFangO取一質(zhì)量元切線方向?qū)潭ㄝS的力矩對(duì)所有質(zhì)元合內(nèi)力矩=0合外力矩M剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律●

學(xué)習(xí)的關(guān)鍵：勤于思考悟物窮理UniversityphysicsAPFang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(yùn)動(dòng)輻射電磁波原子系統(tǒng)的能量逐漸減小不可能有穩(wěn)定的原子原子光譜為連續(xù)的帶狀光譜UniversityphysicsAPFang電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)僅縫A打開(kāi)僅縫B打開(kāi)雙縫同時(shí)打開(kāi)時(shí)實(shí)際得到的干涉圖電子源雙縫同時(shí)打開(kāi)時(shí)所想象的干涉圖實(shí)物粒子具有粒子性實(shí)物粒子具有波動(dòng)性矛盾伴隨實(shí)物粒子的波到底是什么樣的波。?●學(xué)習(xí)的重點(diǎn)：●物理模型●數(shù)學(xué)表述●研究方法與適用條件UniversityphysicsAPFang不考慮分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并忽略其大小標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體分子間平均距離已知液氮的密度

氮分子半徑理想氣體的微觀模型理想氣體的狀態(tài)方程實(shí)際氣體的狀態(tài)方程UniversityphysicsAPFang六、本學(xué)期的任務(wù)和要求

●

任務(wù)：經(jīng)典力學(xué)狹義相對(duì)論電磁學(xué)

●聽(tīng)課：信息量較大，進(jìn)度較快，范圍較寬

要求：抓住主線，注重分析，學(xué)會(huì)總結(jié)●

閱讀：●《大學(xué)物理》吳百詩(shī)主編科學(xué)出版社●《大學(xué)物理學(xué)》

張三慧主編清華大學(xué)出版社●《費(fèi)曼物理學(xué)講義》教材：《大學(xué)物理》吳百詩(shī)主編

高等教育出版社

參考書(shū)：

●

作業(yè)：

(兩本8.00元，中二樓3216)

要求：獨(dú)立完成，舉一反三，一題多解，扎實(shí)練習(xí)UniversityphysicsAPFang●答疑時(shí)間安排：2-16周周一至周四晚7:30~10:00地點(diǎn)：中二樓3224另每?jī)芍馨才艈为?dú)答疑一次：地點(diǎn)：主樓E1111，時(shí)間待定關(guān)于學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定辦法平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)10%:

根據(jù)作業(yè)完成情況和隨堂測(cè)驗(yàn)評(píng)定成績(jī)（注意：按學(xué)校規(guī)定缺交作業(yè)1/3以上者，不能參加期末考試）。2.期中考試占總成績(jī)10%3.期末考試占總成績(jī)80%:

題型及成績(jī)分布：(1)選擇題20分；(2)填空題30分；(3)計(jì)算及證明題50分第一篇經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)

——物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象與動(dòng)力學(xué)規(guī)律?機(jī)械運(yùn)動(dòng)

——物體相對(duì)于其他物體的位置隨時(shí)間發(fā)生的變化，或物體內(nèi)部的各部分的相對(duì)位置隨時(shí)間發(fā)生的變化。物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最基本、最簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)形式?

力學(xué)是物理學(xué)和許多工程技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)UniversityphysicsAPFang

質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)

質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)

剛體力學(xué)

運(yùn)動(dòng)規(guī)律的原因質(zhì)點(diǎn)集合（質(zhì)點(diǎn)系）剛體運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)第一章質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)預(yù)備知識(shí)：微積分，矢量代數(shù)，國(guó)際單位制（SI）1-1質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本概念一、質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)系

剛體?質(zhì)點(diǎn)：無(wú)大小與形狀的空間幾何點(diǎn)

具有一定的質(zhì)量

?質(zhì)點(diǎn)系

——若干質(zhì)點(diǎn)的集合體

對(duì)實(shí)際物體有條件的、合理的抽象描述理想模型二、參照系位置矢量1.參照系描述物體的相對(duì)性描述物體的近似性?剛體

——大小、形狀的變化可以忽略不計(jì)UniversityphysicsAPFang?

參照物：xyz0P參照物

選取的任意性，?參照系：參照物+坐標(biāo)系+時(shí)鐘?極坐標(biāo)系……..2.位置矢量（PositionVector）運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性?直角坐標(biāo)系?自然坐標(biāo)系P(t)xzyo直角坐標(biāo)系方向：大小：UniversityphysicsAPFang三、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程(Equationsofmotion)P(t)xzyo時(shí)刻1：時(shí)刻2：直角坐標(biāo)系：?描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?

運(yùn)動(dòng)疊加（合成）原理?確定物體運(yùn)動(dòng)軌跡——軌跡方程例：已知質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析規(guī)律？解：質(zhì)點(diǎn)做平面圓周運(yùn)動(dòng)物理意義UniversityphysicsAPFang1-2位移速度加速度一、位移（Displacementvector）x

yzOPP’?

反映了物體運(yùn)動(dòng)中位置

（距離與方位）的變化。?討論：1.直角坐標(biāo)系中2.位移與參照物位置的變化無(wú)關(guān)3.與的區(qū)別OO’UniversityphysicsAPFang

4.自然坐標(biāo)系O’PQs前提：質(zhì)點(diǎn)相對(duì)參考系的運(yùn)動(dòng)軌跡已知路程5.位移是矢量（有大小，有方向）,路程是標(biāo)量6.位移僅與始、終兩點(diǎn)有關(guān)，而與運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)一質(zhì)點(diǎn)以半徑R作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，以圓心為原點(diǎn)，半個(gè)周期內(nèi)質(zhì)點(diǎn)位移的大小，位矢大小的增量為。例：UniversityphysicsAPFang二、速度(描述質(zhì)點(diǎn)位置變化快慢和方向的物理量)1.平均速度O(1)是矢量說(shuō)明(3)由于位移與所起始時(shí)刻及間隔大小有關(guān)，所以談到平均速度時(shí)應(yīng)指明哪一時(shí)刻所取哪段時(shí)間內(nèi)的平均值。(4)位矢大小的變化對(duì)速度有貢獻(xiàn)，位矢方向的變化同樣對(duì)速度有貢獻(xiàn)。(5)

它只能對(duì)時(shí)間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)位矢隨時(shí)間變化的情況作一粗略描述。(2)直角坐標(biāo)系UniversityphysicsAPFang2.瞬時(shí)速度ABB’?速度的性質(zhì)：矢量性瞬時(shí)性相對(duì)性?速度與速率的區(qū)別B’’討論：?直角系：UniversityphysicsAPFang指向自然坐標(biāo)正的一側(cè)?自然坐標(biāo)系：方向大小方向?UniversityphysicsAPFang例1：質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程：求：1軌跡方程2到內(nèi)的3和時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)速度解：yxoUniversityphysicsAPFang例2:

如圖，桿以角速度繞定點(diǎn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，端與重物用細(xì)繩連接，已知求:

當(dāng)時(shí)，的速度BMlACRr解：設(shè)在t

時(shí)刻，

運(yùn)動(dòng)學(xué)方程UniversityphysicsAPFang思考:已知求?答案二：先求出?答案一：先求出你認(rèn)為哪種方法是正確的？Why?UniversityphysicsAPFang三、加速度1.平均加速度2.瞬時(shí)加速度ABO它是描述速度矢量變化的物理量。變化：速度大小和方向隨時(shí)間變化。說(shuō)明(1)加速度反映速度的變化（大小和方向）情況。(2)加速度的方向總是指向軌跡曲線凹的一面。UniversityphysicsAPFang(3)直角坐標(biāo)系(4)自然坐標(biāo)系第一項(xiàng)大小方向切向加速度意義反映速度大小的變化UniversityphysicsAPFang第二項(xiàng)法向加速度反映速度方向變化的快慢意義UniversityphysicsAPFang勻速圓周運(yùn)動(dòng)為例PQORs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

UniversityphysicsAPFang(2)自然坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系的關(guān)系當(dāng)??UniversityphysicsAPFang思考題：拋體運(yùn)動(dòng)中的曲率半徑？yxoBC對(duì)B點(diǎn)：例1：如圖示，求速度大小與時(shí)間的關(guān)系解：

UniversityphysicsAPFang例2:

將光滑鋼絲彎成一豎直平面內(nèi)的曲線，一質(zhì)點(diǎn)可沿鋼絲向下滑動(dòng)。已知，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的切向加速度為g重力加速度，為切向與水平方向夾角求：yxOgdydsP解：由題意知UniversityphysicsAPFangUniversityphysicsAPFang已知質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為求：之間的路程。例3：解：質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度為速率為路程有

圓周運(yùn)動(dòng)的角量描述以及角量與線量之間的關(guān)系角位置（Angularposition）與角位移當(dāng)質(zhì)點(diǎn)圓周運(yùn)動(dòng)的角位移規(guī)定：右手法則確定的正負(fù)取值角速度（Angularvelocity）當(dāng)定義：質(zhì)點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)的角速度描述質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)速率和轉(zhuǎn)動(dòng)方向dPQooxPQy—質(zhì)點(diǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)方程三、圓周運(yùn)動(dòng)UniversityphysicsAPFang角加速度角加速度＝角速度對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)注意：角加速度方向與角速度變化量的方向相同oPoPoP角量與線量的關(guān)系PodUniversityphysicsAPFang線位移與角位移的關(guān)系：速度與角速度的關(guān)系：大?。悍较颍河捎沂址▌t確定Pod加速度與角加速度的關(guān)系：UniversityphysicsAPFang例1：一質(zhì)點(diǎn)作半徑為的圓周運(yùn)動(dòng)，已知運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為試求：1）當(dāng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的切向加速度和法向加速2）當(dāng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的加速度與半徑成角？解：

1）由已知條件，度以及加速度的大小?2）設(shè)時(shí)刻，質(zhì)點(diǎn)的加速度與半徑成角，則UniversityphysicsAPFang例1：

一質(zhì)點(diǎn)在水平面內(nèi)以順時(shí)針?lè)较蜓匕霃綖榈肋\(yùn)動(dòng)。此質(zhì)點(diǎn)的角速度與運(yùn)動(dòng)時(shí)間的平方成正比，即——待定常數(shù)已知質(zhì)點(diǎn)末的線速度為，求時(shí)質(zhì)點(diǎn)的線速度和線加速度？的圓形軌解：先確定常數(shù)UniversityphysicsAPFangUniversityphysicsAPFang一質(zhì)點(diǎn)沿半徑為R

的圓周運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為:其中都是常數(shù),例2：解：求：(2)加速度的大小等于b的時(shí)刻;(1)在t時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的加速度(3)加速度的大小等于b時(shí),質(zhì)點(diǎn)沿圓周運(yùn)行的圈數(shù)。(1)(2)(3)圈數(shù)為:1-3質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)的兩類問(wèn)題——描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量——描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的物理量（微分問(wèn)題）（積分問(wèn)題）例：初始條件UniversityphysicsAPFang（1）第一類問(wèn)題（微分問(wèn)題）：由運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，求例1：

已知質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為常數(shù)，解：討論：?結(jié)果表征加速度與速度反方向。?當(dāng)求質(zhì)點(diǎn)作減速運(yùn)動(dòng)，直至靜止。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，質(zhì)點(diǎn)速度隨時(shí)間變化UniversityphysicsAPFang例2：如圖示求小船靠岸過(guò)程中的hxlxyou解：答案:？方法1

建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程答案1:

直角坐標(biāo)系——運(yùn)動(dòng)學(xué)方程UniversityphysicsAPFang解：以坐標(biāo)圓點(diǎn)做小船的位矢，確定位移，再根據(jù)速度定義求解方法2

矢量分析hxlo（2）第二類問(wèn)題（積分問(wèn)題）由

以質(zhì)點(diǎn)的勻加速直線運(yùn)動(dòng)為引子：答案2:

求運(yùn)動(dòng)方程（＋初始條件）UniversityphysicsAPFang?v~t

關(guān)系

?x~t

關(guān)系

?v

~x

關(guān)系

UniversityphysicsAPFang例3：，小船以速度軌跡?垂直流xyou水方向向?qū)Π秳澣ァＧ螅盒〈倪\(yùn)動(dòng)d解：直角坐標(biāo)系中流速度為根據(jù)題意由速度定義，可得：已知河寬為d

,河水流速為(k

為待定系數(shù)）UniversityphysicsAPFang小船的運(yùn)動(dòng)軌跡：yxou——典型的運(yùn)動(dòng)學(xué)第二類問(wèn)題總結(jié)：1.對(duì)實(shí)際問(wèn)題建立物理、數(shù)學(xué)模型2.根據(jù)題意，確定初始條件。UniversityphysicsAPFang例4：一船平行于海岸線航行，離岸距離為速率為一快艇從港口出發(fā)，以解：發(fā)恰好追上？yxuovDP由此，得都是相對(duì)于地面的速度追擊這條船。已知快艇應(yīng)從哪一點(diǎn)出UniversityphysicsAPFang1-4不同參照系中速度和加速度的變換一、基本概念oPo′xx′

y

y’絕對(duì)參照系s，

(研究對(duì)象)三種運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)：動(dòng)點(diǎn)相對(duì)于動(dòng)系的運(yùn)動(dòng)稱為相對(duì)運(yùn)動(dòng)；相對(duì)位移；相對(duì)速度；相對(duì)加速度。

二個(gè)參照系一個(gè)動(dòng)點(diǎn)相對(duì)參照系s'

絕對(duì)運(yùn)動(dòng)：動(dòng)點(diǎn)相對(duì)于定系的運(yùn)動(dòng)稱為絕對(duì)運(yùn)動(dòng)；