大學(xué)物理課件《力學(xué)》ch

力學(xué)-物理基礎(chǔ)力學(xué)是物理學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科之一,涉及物體運(yùn)動和變形的規(guī)律。掌握力學(xué)的基本概念和定律對于理解更復(fù)雜的物理現(xiàn)象至關(guān)重要。第一章緒論力學(xué)是物理學(xué)的基礎(chǔ)之一,研究物體受力與運(yùn)動的規(guī)律。這一章節(jié)將概述力學(xué)的內(nèi)容和發(fā)展歷程,為后續(xù)的深入學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。什么是力學(xué)研究物體運(yùn)動和力的關(guān)系力學(xué)研究物體在力的作用下如何運(yùn)動，以及物體的加速度、速度、位移等運(yùn)動量之間的關(guān)系。解決現(xiàn)實世界中的問題力學(xué)理論和方法廣泛應(yīng)用于工程、航天等領(lǐng)域，可以幫助我們解決各種實際問題。建立物理定律和模型通過實驗觀察和數(shù)學(xué)分析,力學(xué)建立了一套描述物體運(yùn)動規(guī)律的理論體系。力學(xué)的研究內(nèi)容運(yùn)動學(xué)研究物體的位置、速度和加速度等幾何性質(zhì),不涉及引起運(yùn)動的原因。動力學(xué)研究引起運(yùn)動的原因,如力、質(zhì)量和能量等物理量之間的關(guān)系。靜力學(xué)研究物體的平衡狀態(tài),分析作用于物體上的力的平衡條件。流體力學(xué)研究流體(液體和氣體)的運(yùn)動規(guī)律及其與外界力的相互作用。力學(xué)的分類1理論力學(xué)研究物體運(yùn)動和力的作用規(guī)律,包括質(zhì)點(diǎn)力學(xué)、剛體力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)等。2應(yīng)用力學(xué)將力學(xué)理論應(yīng)用于工程實踐,如機(jī)械、建筑、航空航天等領(lǐng)域。3統(tǒng)計力學(xué)研究大量微觀粒子的集體行為,適用于氣體、量子等領(lǐng)域。4量子力學(xué)研究微觀粒子運(yùn)動的量子效應(yīng),是現(xiàn)代物理的基礎(chǔ)之一。力學(xué)的發(fā)展歷程1古典力學(xué)涵蓋了牛頓力學(xué)、剛體動力學(xué)等內(nèi)容2相對論力學(xué)對高速運(yùn)動下的質(zhì)點(diǎn)和物體進(jìn)行研究3量子力學(xué)從量子層面描述微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律4現(xiàn)代力學(xué)包括流體力學(xué)、材料力學(xué)等新興分支力學(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科,在漫長的歷史中不斷發(fā)展與完善。從牛頓經(jīng)典力學(xué)到相對論力學(xué),再到量子力學(xué)的興起,力學(xué)的研究范圍越來越廣泛,對人類認(rèn)識宇宙、探索未知做出了重大貢獻(xiàn)。現(xiàn)代力學(xué)還涉及流體、材料等新興領(lǐng)域,必將幫助我們更好地解決各種工程實際問題。質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué)探討描述質(zhì)點(diǎn)位置、速度和加速度等運(yùn)動學(xué)特征的基本概念和理論方法。質(zhì)點(diǎn)概念及基本量質(zhì)點(diǎn)定義質(zhì)點(diǎn)是理想化的物體模型,用來描述質(zhì)量可忽略不計的物體或系統(tǒng)。它通常只有質(zhì)量和位置兩個基本屬性。質(zhì)量質(zhì)量描述了物體對外界作用產(chǎn)生變化的能力,是質(zhì)點(diǎn)的一個基本屬性。位置通過坐標(biāo)系可以準(zhǔn)確描述質(zhì)點(diǎn)在空間中的位置。位置是質(zhì)點(diǎn)另一個重要的基本屬性。坐標(biāo)系與運(yùn)動學(xué)基本量三維坐標(biāo)系三維直角坐標(biāo)系由三個相互垂直的坐標(biāo)軸組成,用于描述物體在三維空間中的位置和運(yùn)動。位移向量位移向量表示物體從初始位置到終止位置的變化量,是描述物體運(yùn)動的基本量之一。速度向量速度向量表示物體在單位時間內(nèi)的位置變化量,描述物體運(yùn)動的速度和方向。平直運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)描述1位移物體在直線上移動的距離。2速度物體在單位時間內(nèi)的位移。3加速度物體速度隨時間的變化率。4運(yùn)動方程描述位移、速度和加速度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。平直運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)描述主要包括位移、速度和加速度三個基本量。通過建立運(yùn)動方程可以描述這些量之間的關(guān)系,為分析平面物體的運(yùn)動軌跡和規(guī)律提供理論依據(jù)。曲線運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)描述速度描述曲線運(yùn)動的速度可用矢量表示,包含速度大小和方向兩個要素。速度矢量總是沿切線方向。加速度描述曲線運(yùn)動的加速度也可分解為沿徑向和切向的矢量分量?？偧铀俣葎t是兩者的矢量和。位移描述曲線運(yùn)動的位移可用弧長來描述,即沿曲線路徑的長度。同時還需考慮運(yùn)動方向。相對運(yùn)動的描述1參考系與相對運(yùn)動描述相對運(yùn)動需要先確立參考系。只有在固定的參考系中,才能準(zhǔn)確定義物體的位置、速度和加速度等運(yùn)動學(xué)量。2速度與加速度的相對性物體的運(yùn)動狀態(tài)完全取決于參考系的選擇。同一個物體在不同參考系中可能表現(xiàn)出不同的速度和加速度。3經(jīng)典相對性原理物理定律在任意慣性參考系中都成立,沒有絕對靜止的參考系。這是牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)。質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)探討如何描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動及其影響因素,包括力的概念、牛頓運(yùn)動定律等基本原理。力的概念及分類力的概念力是導(dǎo)致物體運(yùn)動改變的原因,描述物體間相互作用的量。它是一個向量量,既有大小又有方向。力的分類力可分為接觸力和作用力。接觸力是物體表面直接接觸時產(chǎn)生的力,如摩擦力;作用力是通過場傳遞的力,如重力、彈力等。常見力的種類常見的力包括重力、彈力、摩擦力、拉力、推力、支持力等,在研究物體運(yùn)動和平衡時需仔細(xì)分析各種力的作用。牛頓三定律慣性定律物體除非受到外力作用,否則保持靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)。這說明了物體的慣性性質(zhì)。加速度定律物體所受到的合力與物體的加速度成正比,方向相同。這說明了外力對物體運(yùn)動的作用。作用力-反作用力定律任何一個物體施加在另一個物體上的力,都會遭到被施力物體的等大反作用力。這說明了力的相互作用。慣性系和慣性力1慣性系慣性系是相對于它的點(diǎn)保持其初速度和方向不變的參考系。在慣性系內(nèi),物體的運(yùn)動遵循牛頓定律。2慣性力物體在非慣性系中運(yùn)動時,會產(chǎn)生慣性力。慣性力時一種虛擬的力,不是物體間的相互作用力。3識別慣性系通過觀察物體的運(yùn)動可以判斷某參考系是否為慣性系。如果物體勻速直線運(yùn)動,則該系可視為慣性系。質(zhì)點(diǎn)平衡條件靜止平衡當(dāng)質(zhì)點(diǎn)受到的合外力為零時,質(zhì)點(diǎn)處于靜止平衡狀態(tài)。這意味著作用在質(zhì)點(diǎn)上的所有力彼此平衡,沒有產(chǎn)生加速度。動態(tài)平衡當(dāng)質(zhì)點(diǎn)以勻速直線運(yùn)動時,也滿足平衡條件。此時，合外力為零,但質(zhì)點(diǎn)具有恒定的速度和方向。幾何條件質(zhì)點(diǎn)平衡的幾何條件是力的矢量和等于零。力的大小、方向和作用點(diǎn)都必須滿足這一條件。應(yīng)用示例如懸垂物體、緩慢提升的貨物等,都需要滿足質(zhì)點(diǎn)平衡條件才能保持穩(wěn)定。功和能能量的概念能量是物體具有的一種屬性,描述了物體能夠做功的能力。功的概念當(dāng)一個物體受到力的作用時,如果物體發(fā)生位移,則該力做了功。能量守恒定律能量既可以轉(zhuǎn)化也可以轉(zhuǎn)移,但總量保持不變。這就是能量守恒定律。功率和能量守恒功率定義功率是物體做功的快慢程度,即單位時間內(nèi)做功的量。公式是：功率=功/時間。能量守恒能量是不會憑空消失或產(chǎn)生的,而是相互轉(zhuǎn)換的。無論一個物理過程如何進(jìn)行,總能量是恒定不變的。能量轉(zhuǎn)換能量可以相互轉(zhuǎn)換,如位能轉(zhuǎn)化為動能,熱能轉(zhuǎn)化為電能。但總能量是守恒的,不會消失。剛體動力學(xué)探討剛體的平面運(yùn)動以及在運(yùn)動過程中力和力矩的作用。剛體概念及平面運(yùn)動描述剛體概念剛體是指在外力作用下不會發(fā)生變形的物體。它是一種理想化的模型,用于描述在力學(xué)問題中不可忽視變形的物體。剛體平面運(yùn)動剛體的平面運(yùn)動包括平移和旋轉(zhuǎn)兩種基本形式。平面運(yùn)動中,剛體內(nèi)各點(diǎn)的運(yùn)動軌跡都在同一平面內(nèi)進(jìn)行。位置描述剛體的位置可用一個參考點(diǎn)和剛體內(nèi)某一點(diǎn)的位置矢量來唯一確定。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動則需要加上剛體繞某軸的角度。剛體平衡條件1合外力平衡剛體處于平衡狀態(tài)時,所有施加在剛體上的外力的合力必須為零。2合力矩平衡剛體處于平衡狀態(tài)時,所有施加在剛體上的外力的合力矩必須為零。3靜摩擦力當(dāng)外力小于靜摩擦力的最大值時,剛體保持靜止?fàn)顟B(tài)。4動摩擦力當(dāng)外力大于靜摩擦力的最大值時,剛體將開始運(yùn)動,此時動摩擦力開始起作用。剛體轉(zhuǎn)動動力學(xué)定軸轉(zhuǎn)動剛體繞一固定軸轉(zhuǎn)動時的動力學(xué)規(guī)律。轉(zhuǎn)動慣量描述剛體轉(zhuǎn)動慣性的重要參數(shù)，決定了轉(zhuǎn)動慣勞。角加速度剛體受力后的角加速度變化情況，推動轉(zhuǎn)動運(yùn)動。動量和力矩動量動量是質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動狀態(tài)的一個基本物理量,表示質(zhì)點(diǎn)在單位時間內(nèi)運(yùn)動所產(chǎn)生的機(jī)械能的變化量。動量的大小取決于質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量和速度。力矩力矩是作用在物體上的力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動作用的大小。力矩的大小取決于力的大小和作用點(diǎn)與轉(zhuǎn)動軸之間的距離。動量定理動量定理表明,合外力對物體的動量變化率等于這個合外力的大小。它是牛頓第二定律的另一個表述形式。力矩定理力矩定理表明,合外力矩對物體的角動量變化率