2024年度《大學(xué)物理力學(xué)課件》

《大學(xué)物理力學(xué)課件》2024/3/231力學(xué)基本概念與原理質(zhì)點(diǎn)與剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)彈性力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)簡介振動(dòng)與波動(dòng)現(xiàn)象分析相對論力學(xué)初步探討目錄2024/3/23201力學(xué)基本概念與原理2024/3/233力學(xué)是研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，是物理學(xué)的一個(gè)分支。力學(xué)定義力學(xué)的研究對象主要是宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，包括質(zhì)點(diǎn)和剛體的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)以及振動(dòng)等。研究對象力學(xué)定義及研究對象2024/3/23403第三定律（作用與反作用定律）兩個(gè)物體間的作用力和反作用力總是大小相等、方向相反，且作用在同一直線上。01第一定律（慣性定律）一個(gè)物體若不受外力作用，將保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。02第二定律（動(dòng)量定律）物體的加速度與作用力成正比，與物體質(zhì)量成反比，且加速度方向與作用力方向相同。牛頓運(yùn)動(dòng)定律2024/3/235物體動(dòng)量的變化等于作用在物體上的合外力的沖量。在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，若不受外力作用或所受合外力為零，則系統(tǒng)總動(dòng)量保持不變。動(dòng)量定理與動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒動(dòng)量定理2024/3/236物體角動(dòng)量的變化等于作用在物體上的合外力的沖量矩。角動(dòng)量定理在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，若不受外力矩作用或所受合外力矩為零，則系統(tǒng)總角動(dòng)量保持不變。角動(dòng)量守恒角動(dòng)量定理與角動(dòng)量守恒2024/3/23702質(zhì)點(diǎn)與剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)2024/3/238自然坐標(biāo)法利用質(zhì)點(diǎn)的自然坐標(biāo)（如極坐標(biāo)、柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)等）描述質(zhì)點(diǎn)的位置和運(yùn)動(dòng)，適用于不同形狀和邊界條件的物理問題。直角坐標(biāo)法通過確定質(zhì)點(diǎn)在直角坐標(biāo)系中的位置，用位移、速度和加速度等物理量描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。矢量法采用矢量表示質(zhì)點(diǎn)的位置、速度和加速度等物理量，便于進(jìn)行矢量運(yùn)算和分析質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)描述方法2024/3/239平動(dòng)剛體上任意兩點(diǎn)間的連線在運(yùn)動(dòng)中始終保持平行且長度不變，這種運(yùn)動(dòng)形式稱為平動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)剛體繞某一定點(diǎn)或定軸進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，稱為轉(zhuǎn)動(dòng)。其中定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)是指剛體繞某一定點(diǎn)進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而定軸轉(zhuǎn)動(dòng)則是指剛體繞某一定軸進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。剛體基本運(yùn)動(dòng)形式2024/3/2310平面運(yùn)動(dòng)描述剛體在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可以分解為隨基點(diǎn)的平動(dòng)和繞基點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分。通過確定基點(diǎn)的位置和剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，可以完整地描述剛體的平面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。平面運(yùn)動(dòng)方程根據(jù)剛體的平面運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，可以建立平面運(yùn)動(dòng)方程。這些方程包括質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理、動(dòng)量矩定理和動(dòng)能定理等，用于求解剛體的平面運(yùn)動(dòng)問題。剛體平面運(yùn)動(dòng)分析2024/3/2311剛體定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量描述剛體繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的物理量，與剛體的質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置有關(guān)。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，剛體繞該點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性越大。轉(zhuǎn)動(dòng)定律剛體繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)基本定律，表明剛體所受的合外力矩等于剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與角加速度的乘積。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)定律可以求解剛體的角加速度、角速度和轉(zhuǎn)角等運(yùn)動(dòng)學(xué)量。2024/3/231203彈性力學(xué)基礎(chǔ)2024/3/2313VS物體在受到外力作用后，形狀或體積發(fā)生改變，當(dāng)外力撤去后，物體能恢復(fù)原狀的形變。勁度系數(shù)k表示彈簧“軟硬”程度的物理量，由彈簧本身的性質(zhì)決定，與形變量和彈力無關(guān)。彈性形變定義彈性形變與胡克定律2024/3/2314彈性勢能定義發(fā)生彈性形變的物體具有的勢能，其大小與形變量有關(guān)。彈性勢能公式Ep=1/2kx^2，其中Ep為彈性勢能，k為勁度系數(shù)，x為形變量。能量守恒定律在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變。彈性勢能及能量守恒2024/3/2315在彈性介質(zhì)中傳播的一種機(jī)械波，其傳播速度與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。彈性波定義根據(jù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波傳播方向的關(guān)系，可分為縱波和橫波。彈性波分類在均勻、各向同性的彈性介質(zhì)中，縱波和橫波的傳播速度分別為√(E/ρ)和√(G/ρ)，其中E為楊氏模量，G為剪切模量，ρ為介質(zhì)密度。彈性波傳播速度彈性波傳播特性2024/3/2316碰撞過程中，系統(tǒng)動(dòng)能守恒且動(dòng)量守恒的碰撞。彈性碰撞定義碰撞后兩物體以相同的速度分離，動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為勢能再轉(zhuǎn)化回動(dòng)能。完全彈性碰撞碰撞過程中有能量損失的碰撞，動(dòng)能不守恒但動(dòng)量守恒。根據(jù)能量損失程度可分為完全非彈性碰撞和部分非彈性碰撞。非彈性碰撞彈性碰撞與非彈性碰撞2024/3/231704流體力學(xué)簡介2024/3/2318流體靜壓力及其分布01流體靜壓力是指流體在靜止?fàn)顟B(tài)下受到的壓力，其分布遵循帕斯卡定律。浮力與阿基米德原理02浮力是流體對浸入其中的物體產(chǎn)生的向上的力，其大小等于物體所排開的流體的重力，這就是阿基米德原理。流體靜力學(xué)方程及其應(yīng)用03流體靜力學(xué)方程描述了流體靜壓力與流體深度、密度和重力加速度之間的關(guān)系，可用于計(jì)算流體中的壓力分布和浮力等問題。流體靜力學(xué)原理2024/3/2319流體運(yùn)動(dòng)描述方法描述流體運(yùn)動(dòng)的方法包括拉格朗日法和歐拉法，前者關(guān)注流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，后者關(guān)注流場中的物理量分布。連續(xù)性方程連續(xù)性方程表達(dá)了質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的應(yīng)用，即單位時(shí)間內(nèi)流入和流出控制體的質(zhì)量差等于控制體內(nèi)質(zhì)量的增加率。動(dòng)量方程與動(dòng)量矩方程動(dòng)量方程和動(dòng)量矩方程分別表達(dá)了動(dòng)量定理和動(dòng)量矩定理在流體力學(xué)中的應(yīng)用，可用于分析流體運(yùn)動(dòng)過程中的力和力矩。流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2024/3/2320123牛頓內(nèi)摩擦定律描述了黏性流體內(nèi)部相鄰兩層之間的摩擦力與速度梯度成正比的關(guān)系，比例系數(shù)即為黏度。牛頓內(nèi)摩擦定律與黏度層流和湍流是黏性流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本形態(tài)，前者流體質(zhì)點(diǎn)做規(guī)則的層狀運(yùn)動(dòng)，后者流體質(zhì)點(diǎn)做不規(guī)則的混亂運(yùn)動(dòng)。層流與湍流黏性流體的流動(dòng)特性包括流動(dòng)阻力、流動(dòng)分離、邊界層等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象對流體機(jī)械和工程應(yīng)用具有重要意義。黏性流體的流動(dòng)特性黏性流體運(yùn)動(dòng)特性2024/3/2321伯努利方程及其應(yīng)用伯努利方程在水利工程、航空航天、氣象學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，如計(jì)算水庫水位、飛機(jī)升力、風(fēng)速等。伯努利方程的應(yīng)用實(shí)例伯努利方程是理想流體定常流動(dòng)的能量守恒方程，表達(dá)了流速、壓強(qiáng)和高度之間的關(guān)系。伯努利方程文丘里管和噴管是利用伯努利方程原理設(shè)計(jì)的典型流體機(jī)械，前者通過縮小截面面積提高流速并降低壓強(qiáng)，后者通過擴(kuò)大截面面積降低流速并提高壓強(qiáng)。文丘里管與噴管2024/3/232205振動(dòng)與波動(dòng)現(xiàn)象分析2024/3/2323簡諧振動(dòng)是物體在一定位置附近做周期性往返運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，具有特定的頻率、振幅和相位。簡諧振動(dòng)的定義和特性當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)簡諧振動(dòng)作用于同一物體時(shí)，它們的合成振動(dòng)遵循矢量合成原則，結(jié)果振動(dòng)的頻率、振幅和相位由各個(gè)分振動(dòng)的特性共同決定。簡諧振動(dòng)的合成簡諧振動(dòng)及其合成2024/3/2324阻尼振動(dòng)當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)受到摩擦、空氣阻力等阻尼力的作用時(shí)，振動(dòng)幅度會逐漸減小，直至最終停止振動(dòng)。受迫振動(dòng)當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)受到周期性外力的作用時(shí)，系統(tǒng)會以該外力的頻率進(jìn)行振動(dòng)，稱為受迫振動(dòng)。共振現(xiàn)象當(dāng)受迫振動(dòng)的頻率接近或等于系統(tǒng)固有頻率時(shí)，振幅會顯著增大，產(chǎn)生共振現(xiàn)象。阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)和共振現(xiàn)象2024/3/2325機(jī)械波的產(chǎn)生條件機(jī)械波的產(chǎn)生需要波源和介質(zhì)兩個(gè)條件，波源提供振動(dòng)的能量，介質(zhì)則將這種能量傳播出去。機(jī)械波的傳播特性機(jī)械波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)依次振動(dòng)并傳遞能量，波形向前推進(jìn)。波的傳播速度與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。機(jī)械波產(chǎn)生條件與傳播特性2024/3/2326

多普勒效應(yīng)和波干涉衍射現(xiàn)象多普勒效應(yīng)當(dāng)波源與觀察者之間存在相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的波的頻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。波的干涉當(dāng)兩列或多列波在空間某一點(diǎn)疊加時(shí)，它們的振幅相加，而相位則根據(jù)波的來源和路徑長度有所差異，導(dǎo)致波的干涉現(xiàn)象。波的衍射當(dāng)波遇到障礙物或通過小孔時(shí)，波的傳播方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并在障礙物后方形成新的波形，這種現(xiàn)象稱為波的衍射。2024/3/232706相對論力學(xué)初步探討2024/3/2328物理定律在所有慣性參照系中形式不變。相對性原理在任何慣性參照系中，光在真空中的傳播速度都是恒定的，與光源和觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。光速不變原理兩個(gè)事件在不同的慣性參照系中可能具有不同的同時(shí)性。同時(shí)性的相對性狹義相對論基本原理2024/3/2329質(zhì)能關(guān)系式E=mc^2意義及應(yīng)用揭示了質(zhì)量和能量之間的等效性，表明質(zhì)量和能量是同一物理量的兩種不同表現(xiàn)形式。質(zhì)能關(guān)系式的意義在核反應(yīng)和粒子物理等領(lǐng)域中，質(zhì)能關(guān)系式用于計(jì)算反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量和能量變化，以及釋放或吸收的能量。質(zhì)能關(guān)系式的應(yīng)用2024/3/2330廣義相對論的基本原