大學物理課件-西安交通大學

UniversityPhysicsXi’anJiaotongUniversityAipingFang

apfang@2/20/2012

UniversityphysicsAPFang方愛平理學院應用物理系辦公電話：82663394辦公室：主樓E1111E-mail：apfang@大學物理網址：7課件下載：“教學園地”姓名：學號密碼：學號一、什么是物理學？●物理學

——研究物質世界中最基本形態(tài)和規(guī)律的科學●物理學研究范圍——物質世界的層次和數量級Physics質子:類星體:空間尺度：物質結構物質相互作用物質運動規(guī)律微觀粒子Microscopic介觀物質mesoscopic宏觀物質macroscopic宇觀物質cosmological緒論UniversityphysicsAPFang基本粒子壽命宇宙壽命時間尺度：E-15E-12E-09E-06E-031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小的細胞原子原子核基本粒子DNA長度星系團銀河系最近恒星的距離太陽系太陽山哈勃半徑超星系團人蛇吞尾圖——形象地表示了物質空間尺寸的層次UniversityphysicsAPFang標準宇宙模型給出的宇宙起源與基本粒子標準模型給出的物質組成是一致的物理問題

按空間尺度劃分：量子力學經典物理學宇宙物理學按運動速率大小劃分：相對論物理學非相對論物理學

按客體大小劃分：微觀系統(tǒng)宏觀系統(tǒng)

按運動速度劃分：低速現象高速現象

●物理學的發(fā)展實驗物理理論物理計算物理TodayPhysicsUniversityphysicsAPFang二、物理學中的主要基本理論是什么？

●牛頓力學（Newtonianmechanics）

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（Electromagnetism）

研究電磁現象、物質的電磁運動規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律

●

熱力學（Thermodynamics）

研究物質熱運動的統(tǒng)計規(guī)律及其宏觀表現

●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

●量子力學（Quantummechanics）

研究微觀物質運動現象以及基本運動規(guī)律★

結論：物理學是一門最基本的科學；是最古老、但發(fā)展最快的科學；它提供最多、最基本的科學研究手段。UniversityphysicsAPFang三、物理學構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●

物理學派生的分支：

物理學構成了化學、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被應用到所有的自然科學之中?！?/p>

物理學與數學之間的關系原子核物理學原子分子物理學固體物理學凝聚態(tài)物理學激光物理學等離子體物理學地球物理學生物物理學天體物理學電子物理學……UniversityphysicsAPFang四、物理學與技術二十世紀以來，物理學被公認為科技發(fā)展中最重要的帶頭學科●

第一種模式——熱機的發(fā)明●第二種模式——電氣化的發(fā)展核能的利用激光器的產生層析成像技術(CT)電子計算機技術——物理——技術物理——技術——物理粒子散射實驗X射線的發(fā)現受激輻射理論晶體管的發(fā)現UniversityphysicsAPFangUniversityphysicsAPFang電子計算機的誕生●

1947年貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克來發(fā)明了晶體管，標志著信息時代的開始●

1962年發(fā)明了集成電路●

70年代后期出現了大規(guī)模集成電路●

192526年建立了量子力學●

1926年建立了費米狄拉克統(tǒng)計●

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米面的概念●

1957年皮帕得測量了第一個費米面UniversityphysicsAPFang超晶格材料納米材料光子晶體晶體管的發(fā)明大規(guī)模集成電路電子計算機信息技術與工程●

當今物理學和科學技術的關系兩種模式并存，相互交叉，相互促進量子力學能帶理論人工設計材料●幾乎所有的重大新(高)技術領域的創(chuàng)立，事先都在物理學中經過長期的醞釀。“沒有昨日的基礎科學就沒有今日的技術革命”。

——李政道UniversityphysicsAPFang五、怎樣學習物理學?

著名物理學家費曼說：科學是一種方法。它教導人們：一些事物是怎樣被了解的，什么事情是已知的，現在了解到了什么程度，如何對待疑問和不確定性，證據服從什么法則；如何思考事物，做出判斷，如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F象。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，應當始終放在首位，而不應當把專業(yè)知識放在首位。如果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，而且比起那種主要以獲得細節(jié)知識為其培訓內容的人來，他一定會更好地適應進步和變化?！?/p>

學習的方法：從整體上邏輯地、協(xié)調地學習物理學，了解物理學中各個分支之間的相互聯系。UniversityphysicsAPFangO取一質量元切線方向對固定軸的力矩對所有質元合內力矩=0合外力矩M剛體的轉動慣量J剛體繞定軸轉動定律●

學習的關鍵：勤于思考悟物窮理UniversityphysicsAPFang經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電子雙縫干涉實驗僅縫A打開僅縫B打開雙縫同時打開時實際得到的干涉圖電子源雙縫同時打開時所想象的干涉圖實物粒子具有粒子性實物粒子具有波動性矛盾伴隨實物粒子的波到底是什么樣的波。?●學習的重點：●物理模型●數學表述●研究方法與適用條件UniversityphysicsAPFang不考慮分子的內部結構并忽略其大小標準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)方程實際氣體的狀態(tài)方程UniversityphysicsAPFang六、本學期的任務和要求

●

任務：經典力學狹義相對論電磁學

●聽課：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●

閱讀：●《大學物理》吳百詩主編科學出版社●《大學物理學》

張三慧主編清華大學出版社●《費曼物理學講義》教材：《大學物理》吳百詩主編

高等教育出版社

參考書：

●

作業(yè)：

(兩本8.00元，中二樓3216)

要求：獨立完成，舉一反三，一題多解，扎實練習UniversityphysicsAPFang●答疑時間安排：2-16周周一至周四晚7:30~10:00地點：中二樓3224另每兩周安排單獨答疑一次：地點：主樓E1111，時間待定關于學生成績評定辦法平時成績占總成績10%:

根據作業(yè)完成情況和隨堂測驗評定成績（注意：按學校規(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10%3.期末考試占總成績80%:

題型及成績分布：(1)選擇題20分；(2)填空題30分；(3)計算及證明題50分第一篇經典力學經典力學

——物體機械運動現象與動力學規(guī)律?機械運動

——物體相對于其他物體的位置隨時間發(fā)生的變化，或物體內部的各部分的相對位置隨時間發(fā)生的變化。物質運動最基本、最簡單的運動形式?

力學是物理學和許多工程技術學科的基礎UniversityphysicsAPFang

質點運動學

質點動力學

剛體力學

運動規(guī)律的原因質點集合（質點系）剛體運動的基礎第一章質點運動學預備知識：微積分，矢量代數，國際單位制（SI）1-1質點運動學的基本概念一、質點質點系

剛體?質點：無大小與形狀的空間幾何點

具有一定的質量

?質點系

——若干質點的集合體

對實際物體有條件的、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性描述物體的近似性?剛體

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

參照物：xyz0P參照物

選取的任意性，?參照系：參照物+坐標系+時鐘?極坐標系……..2.位置矢量（PositionVector）運動的相對性?直角坐標系?自然坐標系P(t)xzyo直角坐標系方向：大?。篣niversityphysicsAPFang三、運動學方程(Equationsofmotion)P(t)xzyo時刻1：時刻2：直角坐標系：?描述物體運動狀態(tài)?

運動疊加（合成）原理?確定物體運動軌跡——軌跡方程例：已知質點運動分析規(guī)律？解：質點做平面圓周運動物理意義UniversityphysicsAPFang1-2位移速度加速度一、位移（Displacementvector）x

yzOPP’?

反映了物體運動中位置

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

4.自然坐標系O’PQs前提：質點相對參考系的運動軌跡已知路程5.位移是矢量（有大小，有方向）,路程是標量6.位移僅與始、終兩點有關，而與運動的細節(jié)無關一質點以半徑R作勻速圓周運動，以圓心為原點，半個周期內質點位移的大小，位矢大小的增量為。例：UniversityphysicsAPFang二、速度(描述質點位置變化快慢和方向的物理量)1.平均速度O(1)是矢量說明(3)由于位移與所起始時刻及間隔大小有關，所以談到平均速度時應指明哪一時刻所取哪段時間內的平均值。(4)位矢大小的變化對速度有貢獻，位矢方向的變化同樣對速度有貢獻。(5)

它只能對時間內質點位矢隨時間變化的情況作一粗略描述。(2)直角坐標系UniversityphysicsAPFang2.瞬時速度ABB’?速度的性質：矢量性瞬時性相對性?速度與速率的區(qū)別B’’討論：?直角系：UniversityphysicsAPFang指向自然坐標正的一側?自然坐標系：方向大小方向?UniversityphysicsAPFang例1：質點運動方程：求：1軌跡方程2到內的3和時，質點的瞬時速度解：yxoUniversityphysicsAPFang例2:

如圖，桿以角速度繞定點勻速轉動，端與重物用細繩連接，已知求:

當時，的速度BMlACRr解：設在t

時刻，

運動學方程UniversityphysicsAPFang思考:已知求?答案二：先求出?答案一：先求出你認為哪種方法是正確的？Why?UniversityphysicsAPFang三、加速度1.平均加速度2.瞬時加速度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間變化。說明(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)直角坐標系(4)自然坐標系第一項大小方向切向加速度意義反映速度大小的變化UniversityphysicsAPFang第二項法向加速度反映速度方向變化的快慢意義UniversityphysicsAPFang勻速圓周運動為例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成?的方向指向曲率圓中心

UniversityphysicsAPFang(2)自然坐標系與直角坐標系的關系當??UniversityphysicsAPFang思考題：拋體運動中的曲率半徑？yxoBC對B點：例1：如圖示，求速度大小與時間的關系解：

UniversityphysicsAPFang例2:

將光滑鋼絲彎成一豎直平面內的曲線，一質點可沿鋼絲向下滑動。已知，質點運動的切向加速度為g重力加速度，為切向與水平方向夾角求：yxOgdydsP解：由題意知UniversityphysicsAPFangUniversityphysicsAPFang已知質點運動方程為求：之間的路程。例3：解：質點運動速度為速率為路程有

圓周運動的角量描述以及角量與線量之間的關系角位置（Angularposition）與角位移當質點圓周運動的角位移規(guī)定：右手法則確定的正負取值角速度（Angularvelocity）當定義：質點作圓周運動的角速度描述質點轉動速率和轉動方向dPQooxPQy—質點的圓周運動方程三、圓周運動UniversityphysicsAPFang角加速度角加速度＝角速度對時間的一階導數注意：角加速度方向與角速度變化量的方向相同oPoPoP角量與線量的關系PodUniversityphysicsAPFang線位移與角位移的關系：速度與角速度的關系：大?。悍较颍河捎沂址▌t確定Pod加速度與角加速度的關系：UniversityphysicsAPFang例1：一質點作半徑為的圓周運動，已知運動學方程為試求：1）當時，質點運動的切向加速度和法向加速2）當時，質點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）設時刻，質點的加速度與半徑成角，則UniversityphysicsAPFang例1：

一質點在水平面內以順時針方向沿半徑為道運動。此質點的角速度與運動時間的平方成正比，即——待定常數已知質點末的線速度為，求時質點的線速度和線加速度？的圓形軌解：先確定常數UniversityphysicsAPFangUniversityphysicsAPFang一質點沿半徑為R

的圓周運動,運動學方程為:其中都是常數,例2：解：求：(2)加速度的大小等于b的時刻;(1)在t時刻質點的加速度(3)加速度的大小等于b時,質點沿圓周運行的圈數。(1)(2)(3)圈數為:1-3質點運動學的兩類問題——描述運動狀態(tài)的物理量——描述運動狀態(tài)變化的物理量（微分問題）（積分問題）例：初始條件UniversityphysicsAPFang（1）第一類問題（微分問題）：由運動學方程，求例1：

已知質點的運動學方程為常數，解：討論：?結果表征加速度與速度反方向。?當求質點作減速運動，直至靜止。根據運動學方程，質點速度隨時間變化UniversityphysicsAPFang例2：如圖示求小船靠岸過程中的hxlxyou解：答案:？方法1

建立運動學方程答案1:

直角坐標系——運動學方程UniversityphysicsAPFang解：以坐標圓點做小船的位矢，確定位移，再根據速度定義求解方法2

矢量分析hxlo（2）第二類問題（積分問題）由

以質點的勻加速直線運動為引子：答案2:

求運動方程（＋初始條件）UniversityphysicsAPFang?v~t

關系

?x~t

關系

?v

~x

關系

UniversityphysicsAPFang例3：，小船以速度軌跡?垂直流xyou水方向向對岸劃去。求：小船的運動d解：直角坐標系中流速度為根據題意由速度定義，可得：已知河寬為d

,河水流速為(k

為待定系數）UniversityphysicsAPFang小船的運動軌跡：yxou——典型的運動學第二類問題總結：1.對實際問題建立物理、數學模型2.根據題意，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，得都是相對于地面的速度追擊這條船。已知快艇應從哪一點出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’絕對參照系s，

(研究對象)三種運動相對運動：動點相對于動系的運動稱為相對運動；相對位移；相對速度；相對加速度。

二個參照系一個動點相對參照系s'

絕對運動：動點相對于定系的運動稱為絕對運動；