大學物理第一章.ppt

1、1,大學物理課,Welcome,2,緒 論,自然科學：,Physis,古希臘文中意為“自然”.,一.物理學的研究對象:,在歐洲古代,物理學,自然科學的總稱,物理學是研究物質(zhì)最一般的運動規(guī)律及物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學科.,數(shù)學,物理,化學，,生物學,天文學,地學。,physics,運動是物質(zhì)的根本屬性.,時間和空間是運動物質(zhì)存在的形式.,3,高速物體運動： 相對論力學,經(jīng)典,近代,物理學的最大特點：,二.為什么要學習大學物理,機械運動： 力學,分子熱運動： 分子運動理論，熱力學,電磁運動： 電磁學，光學,微觀粒子運動： 原子物理學,量子物理學,實驗科學,4,物理學不僅是一門實用科學,它是作為現(xiàn)代文化的不

2、可或缺的組成部分而進入近代教育的.,當代素質(zhì)教育中的核心內(nèi)容的主體部分:,1. 物理,科學素質(zhì)教育基石是,物理素質(zhì),當代人有教養(yǎng)的標志：,物理學是現(xiàn)代工程師所必備的核心知識系統(tǒng),萬物之理,不僅要知道莎士比亞，更要知道愛因斯坦.,現(xiàn)代的高新技術(shù)都是從近代物理中開發(fā)出來的,素質(zhì),5,也是高新技術(shù)的生長點 經(jīng)濟的增長點 新理性的升點 基礎(chǔ)知識并沒有爆炸,物理學是工程師的科學靈魂,文明教養(yǎng) 素質(zhì),近代人類的文明分成三部分: 科學 技術(shù) 人文 交叉點即為創(chuàng)造性的生長點,現(xiàn)代文明觀大文化觀,科學和技術(shù) 人文與科學技術(shù) 物理學和高技術(shù),近代物理學是當代工程師的科學靈魂,地球是按照物理規(guī)律旋轉(zhuǎn)的!,離開物理地

3、球就不轉(zhuǎn)了嗎？,為什么轉(zhuǎn)?怎么轉(zhuǎn)?,何時不轉(zhuǎn)?,7,2. 學習探索世界的一般方法,觀察. 記錄. 建立物理模型. 較精確的量化數(shù)學表達式,重復(fù)驗證公認學說,3. 開闊視野,To know everything about,可以不懂,但不能不知道!,Understanding science,nothing !,定量化,精性確,可重復(fù)性,理論預(yù)言,實驗檢驗等,作為科學方法規(guī)范 引入自然科學的各個領(lǐng)域,8,教材,2 電子課件授課, 如何記筆記? 課程網(wǎng)站 (http:/ ) 課件下載.,3 教學環(huán)節(jié): 授課,習題課, 答疑, 考試.,4 自學: 做習題, 借參考書， 階段總結(jié).,5 作業(yè)要求:,訓

4、練表達能力,提高科技素養(yǎng).,6 參考書目:,三.課程特點及學習方法：,1 內(nèi)容多，進度快 （128學時),準確,嚴謹,認真,精煉,DIY absolutely !,大學物理學 張三慧主編 清 華 大 學,習題討論課指導(dǎo)(上,下) 清 華 大 學,課代表,9,力 學 研究物體機械運動規(guī)律的學科,經(jīng)典力學 相對論力學 量子力學,機械運動 物質(zhì)運動形式中最簡單、最基本的運動形式,第一篇 力 學,10,運動學從幾何觀點來研究和描述物體運動物體的位置隨時間的變化規(guī)律，即研究物體的運動狀態(tài)的變化，而不考慮導(dǎo)致運動狀態(tài)變化的原因。,從客觀實際中抽象出來的、具有質(zhì)量而沒有大小和形狀的理想模型。,物體能否被看作

5、質(zhì)點，主要決定所研究問題的性質(zhì)。,一 質(zhì) 點,第一章 質(zhì)點運動學,1.1 質(zhì)點 參考系 運動方程,11,A 運動描述的相對性,A 直角坐標系,1. 參考系: 定性描述物體運動而選作參考的物體,2. 坐標系: 固定在參考系上，定量描述空間位置的有次序的一組數(shù)。,B 參考系選擇是任意的,B 極坐標系,C 自然坐標系,二 參考系和坐標系,12,A 坐標法： 直角坐標系 P (x, y, z),3. 確定質(zhì)點位置的幾種方法:,質(zhì)點的位置隨時間t 變化，是 t 的單值連續(xù)函數(shù).,又稱運動函數(shù)(方程)的分量式.,B 位置矢量法：,C 自然坐標法： S,在直角坐標系中：,三 空間和時間,四 質(zhì)點運動的矢量描

6、述 運動方程,事件,時,空坐標 P ( x, y, z, t ),.o,.P,弧長 S,13,用位置矢量 表示時,用自然坐標 表示時：,.p,x,y,z,o,(x,y,z, ),運動學方程,t,（函數(shù)）,14,解：建立直角坐標系xoy并確定計時起始時刻：,例：一個質(zhì)點作勻速率圓周運動，圓周半徑為r，角速度為 ，試分別寫出直角坐標、位矢、自然坐標法表示的質(zhì)點運動學函數(shù).,15,A(t),B(t+,o,z,x,y,t),D,一 位 移,描述質(zhì)點空間位置變化的矢量,考慮時間間隔,1.2 位移 速度 加速度,16,注意：,1. 矢量性 2. 相對性,一般 ；,位移只決定于始末位置，與路程無關(guān)，狀態(tài)量；

7、,路程是實際通過的路徑長度，是標量，過程量。,3. 位移與路程是不同概念,方向:,方向余弦,17,在t 內(nèi),1. 平均速度,2. 瞬時速度,在直角坐標系中:,二 速 度,描述質(zhì)點位置變化地快慢和方向的矢量,velocity,18,平均速度,的極限方向,切線方向!,19,3. 平均速率與瞬時速率,瞬時速率,反映質(zhì)點在 內(nèi)在路程 上平均移動的快慢.,平均速率:,speed,20,4. 瞬時速度的大小與瞬時速率的關(guān)系,瞬時速度的大小等于瞬時速率.,21,1. 平均加速度:,2. 瞬時加速度:,A,B,o,z,x,y,是矢量，其方向為 的方向。,三 加速度,描寫運動速度的大小與方向的變化。,22,注意

8、：,1. 瞬時加速度是矢量，精確反映速度變化的大小及速度的方向。,2. 的方向：,當 的極限方向即 的方向。,當質(zhì)點作曲線運動時， 的方向總是指向軌跡曲線凹的一面，與同一時刻速度 的方向一般是不同的。,3. 的大小,23,4. 在直角坐標系中， 的分量式,5. 的相對性 ： 與參考系的選擇有關(guān)。,24,例: A、B兩物體由一長為l的剛性細桿相連，兩物體可在光滑軌道上滑行。如物體A以恒定的速率v 向左滑行，當 =60 時，物體B的速度為多少？,解 選圖示坐標，物體A的速度為,物體B的速度為,25,26,例：已知質(zhì)點運動方程：,求：,(1) 時間t =02s 的位移和路程,解: (1),P,Q,請

9、記筆記！,(2) t =2s 時,27,(2),對弧長的曲線積分,28,說明：,1. 無阻力拋體運動可看成沿x軸向的勻速直線運動和沿y軸的勻變速直線運動，這兩個獨立運動疊加而成運動疊加原理。,2.,若已知加速度而求速度或運動方程，在數(shù)學運算上為積分。,運動學中的 第一類問題。,由運動方程，求速度或加速度在數(shù)學運算上為求導(dǎo),運動學的第二類問題,29,例: 一質(zhì)點由靜止開始作直線運動，初始加速度為a0，以后加速度均勻增加，每經(jīng)過秒增加a0，求經(jīng)過t 秒后質(zhì)點的速度和運動的距離。,解：據(jù)題意知，加速度和時間的關(guān)系為：,(直線運動中可用標量代替矢量）,若由定積分,變加速運動,0,t,30,應(yīng)用定積分較

10、好 !,t,0,0,x,31,例：設(shè)質(zhì)點沿x軸作直線運動，a =2t，t =0時 x0=0，v0=0 試求: t =2s 時質(zhì)點的速度和位置。,解：加速度a不是常量，將a =2t 寫成 ：,對兩邊積分：,把 t =2s分別代入(1)、(2)得：,當把(1),(2)式中t 消去，還可得：,記筆記！,32,例：一質(zhì)點作沿x軸運動，已知：,解：由：,應(yīng)用微分變換：,“-”舍去,注意:當已知a(v)時，也可采用此方法.,33,例: 設(shè)質(zhì)點在xoy鉛垂平面內(nèi)作無阻力拋體運動 試求: 質(zhì)點的速度與時間t 的關(guān)系和質(zhì)點的運動方程.,解: 建立坐標系，由題設(shè)：,并由初始條件：,34,由(1)式積分并代入上下限

11、:,當t0=0,則有:,即可得速度分量與時間的關(guān)系.,再由(2)式,35,積分得:,若t0=0并消去t，可得：,表明質(zhì)點運動軌跡為拋物線.,36,1.3 相 對 運 動,37,“以圓代曲”,切向,法向,瞬時圓周運動,1.4 圓周運動及其描述,38,圓周運動是曲線運動的一個重要特例,t 時刻 A點:,方向改變量,大小改變量,A,B,O,一 切向加速度和 法向加速度,t +t 時刻 B點:,圓周運動質(zhì)點的速度大小變化.,變速率圓周運動,39,切向加速度：,切向加速度的大小在數(shù)值上等于,法向加速度：,的方向為 切線方位,方向 指向圓心,與該點速度同向或反向,且,瞬時速率對時間的變化率.,40,注意：

12、,1. 只反映速度大小的變化.,表示兩矢量的模(大小)的差。,在曲線運動中，矢量的模的差,2. 推廣至一般平面曲線運動, ：曲率半徑。,矢量差的模,41,切向加速度的大小,法向加速度的大小,3.矢量運算的結(jié)果,42,角速度矢量滿足右手系.,43,角位移：,角速度：,角加速度：,三 線量與角量之間的關(guān)系,二 圓周運動的角量描述,44,解：t =0時，任意點M與O重合,用自然法表示M點的運動學方程：,(指切線正向),例: 一半徑為R的滑輪可繞水平軸 O1轉(zhuǎn)動，輪邊緣,求: 輪緣上任意點M在時刻 t 的速度和加速度.,繞有系重物的繩。已知:重物的運動方程,45,46,例: 質(zhì)點作平面曲線運動，其運動

13、方程為,（SI）,求 (1) t =1s時，切向及法向加速度; (2) t =1s時，質(zhì)點所在點的曲率半徑.,解: 1. 方法一,47,2.方法二:,同向或反向,48,例: 汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速在7.0s內(nèi)由200r/min均勻地增加到3000r/min.試求:,(1)這段時間的角加速度;,(2)這段時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度;,(3)發(fā)動機軸上有r =0.2m的飛輪求它的 邊緣上一點在第7.0s末的切向,法向和總加速度.,解: (1)對于勻角加速度,平動與轉(zhuǎn)動類比,均勻,49,(2)轉(zhuǎn)過的角度,=186 (圈),(3)切向加速度,法向加速度,總加速度,總加速度與切向加速度的夾角,50,例:一電子在電場中運動,其運動方程為:,(1) 計算并圖示電子運動的軌跡;,(2) 寫出t=1s和t=2s時的位矢.并求這1秒內(nèi)的平均速度;,(3)計算t=1s時電子的切向加速度、法向加速度及軌道上該點的曲率半徑;,(4) 什么時刻電子的位矢與其速度矢量恰好垂直;,(5) 什么時刻電子離原點最近?,解:(1) t=x/3, 代入 y 中得：,(2) t =1s,t= 2s,51,(3)求: an , at , :,(4)當：,此時位矢與速度垂直.,(5),(4