大學(xué)物理(緒論,第一章)2012

1、黃慶捷黃慶捷山東大學(xué)信息學(xué)院山東大學(xué)信息學(xué)院電話：電話： 1 1、物質(zhì)世界、物質(zhì)世界 時間與空間是物質(zhì)的最基本屬性，物理學(xué)的發(fā)展史就時間與空間是物質(zhì)的最基本屬性，物理學(xué)的發(fā)展史就是時間與空間研究的發(fā)展史。地心說是時間與空間研究的發(fā)展史。地心說-日心說日心說-宇宇宙無心說。經(jīng)典時空觀、相對論時空觀。宙無心說。經(jīng)典時空觀、相對論時空觀。 物理學(xué)是研究自然界中物理學(xué)是研究自然界中物質(zhì)物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)及基的基本結(jié)構(gòu)及基本運動規(guī)律的科學(xué)。是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)。本運動規(guī)律的科學(xué)。是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)?？臻g尺度空間尺度約約150150億光年億光年( (宇宙宇宙) ) 10 1020 20 m m( (夸克夸克

2、) )時間尺度時間尺度150150億年億年( (宇宙年齡宇宙年齡) )1010-27-27s(s( 射線周期射線周期) )速率范圍速率范圍0 0( (靜止靜止) ) 3 3 10108 8 m/sm/s( (光速光速) )2 2、物質(zhì)的兩種形態(tài)：、物質(zhì)的兩種形態(tài)： a.實物微觀實物（電子、中子等）宏觀實物（氣、液、固等）宇觀實物（日、月、星、辰等） b. 場 （電場、磁場、引力場等）3 3、運動和相互作用是物質(zhì)的普遍屬性：、運動和相互作用是物質(zhì)的普遍屬性： 萬事萬物都處在不停的運動和變化之中，運動是永恒的,其運動形式有a 機械運動; b 電磁運動; c 分子熱運動等。 自然界中沒有不發(fā)生相互作

3、用的物質(zhì)，有引力相互作用、電磁相互作用等。 物體的運動和相互作用，構(gòu)成了自然界形形色色的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)形態(tài)和自然現(xiàn)象。量子物理學(xué)經(jīng)典物理學(xué)天體物理學(xué)物理學(xué)作為嚴格的、定量的自然科學(xué)的帶頭學(xué)科一直物理學(xué)作為嚴格的、定量的自然科學(xué)的帶頭學(xué)科一直在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的作用在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的作用。物理與物理與數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)：數(shù)學(xué)是物理學(xué)不可缺少的工具，物理學(xué)為數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)是物理學(xué)不可缺少的工具，物理學(xué)為數(shù)學(xué)開辟了廣闊的研究領(lǐng)域。開辟了廣闊的研究領(lǐng)域。物理學(xué)與化學(xué)物理學(xué)與化學(xué)：唇齒相依息息相關(guān)，例如原子殼層結(jié)唇齒相依息息相關(guān)，例如原子殼層結(jié)構(gòu)的建立，從本質(zhì)上說明了元素化學(xué)性質(zhì)周期性變化

4、構(gòu)的建立，從本質(zhì)上說明了元素化學(xué)性質(zhì)周期性變化的規(guī)律性的規(guī)律性。物理學(xué)與生物學(xué)物理學(xué)與生物學(xué)：為生命科學(xué)提供理論概念和方法，：為生命科學(xué)提供理論概念和方法，為生命科學(xué)提供現(xiàn)代化的實驗手段為生命科學(xué)提供現(xiàn)代化的實驗手段。物理學(xué)與哲學(xué)物理學(xué)與哲學(xué)：物理學(xué)的研究離不開哲學(xué)思想的指導(dǎo)物理學(xué)的研究離不開哲學(xué)思想的指導(dǎo)，物理學(xué)的發(fā)展又促進了哲學(xué)的進步。，物理學(xué)的發(fā)展又促進了哲學(xué)的進步。三、三、第一次工業(yè)革命：工業(yè)的機械化第一次工業(yè)革命：工業(yè)的機械化-瓦特的蒸汽機瓦特的蒸汽機 基礎(chǔ)：基礎(chǔ)： 牛頓力學(xué)和波爾茲曼等創(chuàng)立的熱力學(xué)牛頓力學(xué)和波爾茲曼等創(chuàng)立的熱力學(xué)第二次工業(yè)革命：工業(yè)的電氣化第二次工業(yè)革命：工業(yè)的電氣

5、化-發(fā)電機、電動機。發(fā)電機、電動機。 基礎(chǔ)：基礎(chǔ)： 法拉第與麥克斯韋等建立的電磁學(xué)法拉第與麥克斯韋等建立的電磁學(xué)第三次工業(yè)革命：工業(yè)的自動化與核能的應(yīng)用第三次工業(yè)革命：工業(yè)的自動化與核能的應(yīng)用-計算機、計算機、光通訊、核彈、核能發(fā)電。光通訊、核彈、核能發(fā)電?；A(chǔ)：基礎(chǔ)： 愛因斯坦的相對論、普朗克、愛因斯坦的相對論、普朗克、 波爾、等人波爾、等人 創(chuàng)立的量子力學(xué)。創(chuàng)立的量子力學(xué)。第四次工業(yè)革命：納米技術(shù)、基因工程、超導(dǎo)體應(yīng)用第四次工業(yè)革命：納米技術(shù)、基因工程、超導(dǎo)體應(yīng)用.基礎(chǔ)：基礎(chǔ)： 現(xiàn)代物理學(xué)理論現(xiàn)代物理學(xué)理論 . 1.1.核能技術(shù)核能技術(shù)：可控?zé)岷司圩兡艿难芯?，將為?決21世紀能源問題開辟

6、道路。2.2.超導(dǎo)技術(shù)超導(dǎo)技術(shù)：無耗損地傳輸電流的超導(dǎo)體，可以節(jié)約大量電能，高溫超導(dǎo)的廣泛應(yīng)用，將導(dǎo)致一場偉大的工業(yè)革命。3.3.微電子技術(shù)微電子技術(shù)：目前半導(dǎo)體器件已接近物理和技術(shù)上的極限，迫切要求物理學(xué)家從微結(jié)構(gòu)的研究中創(chuàng)造出要求更高的器件。4.4.光電子技術(shù)光電子技術(shù)：光通信、光全息、光計算等，具有容量大、抗干擾強、保密性高、低成本等優(yōu)勢，已成為國際高科技競爭的熱點。，已成為國際高科技競爭的熱點。.四、四、 五、物理學(xué)的主要特點五、物理學(xué)的主要特點1、物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，是觀察、試驗與科學(xué)思維的產(chǎn)物。、物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，是觀察、試驗與科學(xué)思維的產(chǎn)物。2、物理學(xué)的基本結(jié)構(gòu)：、物理學(xué)的

7、基本結(jié)構(gòu)： 基本概念基本概念+基本定律基本定律+基本思想基本思想+ 基本方法基本方法. (1)基本概念基本概念： 是物理學(xué)的核心內(nèi)容。如：速度、加速度、力。是物理學(xué)的核心內(nèi)容。如：速度、加速度、力。 (2)基本定律基本定律： 是基本概念的本質(zhì)聯(lián)系。如：牛頓定律、守恒定律等是基本概念的本質(zhì)聯(lián)系。如：牛頓定律、守恒定律等 (3)基本思想基本思想： 是物理學(xué)家在建立概念和定律時是物理學(xué)家在建立概念和定律時 所遵從的指導(dǎo)思想。所遵從的指導(dǎo)思想。 如能量守恒、物質(zhì)不滅等，是物理學(xué)的靈魂如能量守恒、物質(zhì)不滅等，是物理學(xué)的靈魂 (4)基本方法：是物理學(xué)家在建立概念和定律時所使用的研究方法基本方法：是物理學(xué)家

8、在建立概念和定律時所使用的研究方法 如實驗分析法，歸納類比法等等。如實驗分析法，歸納類比法等等。物理學(xué)的研究方法是科學(xué)物理學(xué)的研究方法是科學(xué) 素質(zhì)的集中體現(xiàn)。是人類的共同素質(zhì)的集中體現(xiàn)。是人類的共同財富，對所有的科學(xué)研究都有極好的借鑒意義，財富，對所有的科學(xué)研究都有極好的借鑒意義，思維訓(xùn)練：利用各種思維方法將各知識點聯(lián)成一個縱橫交錯，四通八達的網(wǎng))(vmdtdF x v a功能定理動能定理機械能守恒動量定理角動量定理轉(zhuǎn)動定理勢能質(zhì)能定理能量動量關(guān)系質(zhì)速關(guān)系長度收縮時間延緩第一章：質(zhì)點運動學(xué)第一章：質(zhì)點運動學(xué)1.1參考系參考系 坐標系坐標系 質(zhì)點質(zhì)點1.1.1參考系和坐標系參考系和坐標系 靜止是

9、相對的，運動是絕對的，地心學(xué)說被日靜止是相對的，運動是絕對的，地心學(xué)說被日心說取代，讓人們明白，判斷物體運動與否，首先心說取代，讓人們明白，判斷物體運動與否，首先要選擇統(tǒng)一的物體作參考。即使是太陽，在銀河系要選擇統(tǒng)一的物體作參考。即使是太陽，在銀河系中其它恒星系統(tǒng)觀察，仍然運動著的。中其它恒星系統(tǒng)觀察，仍然運動著的。銀河系銀河系指南針指南針參考系：參考系：描述物體運動時，被選作參考的物體，稱描述物體運動時，被選作參考的物體，稱為參考系為參考系。 要定量描述物體的位置與運動情況，就要運用要定量描述物體的位置與運動情況，就要運用數(shù)學(xué)手段，采用固定在參考系上的坐標系。數(shù)學(xué)手段，采用固定在參考系上的坐

10、標系。 常用的坐標系有直角坐標系常用的坐標系有直角坐標系( (x,y,z) )，極坐標系極坐標系( ( , ) )，球坐標系，球坐標系( (R, , ) )，柱坐標系柱坐標系( (R, ,z ) )。 xyzoz R參考方向參考方向zo Rxy 1.1.2 質(zhì)點質(zhì)點物體：物體：具有大小、形狀、質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物具有大小、形狀、質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物 質(zhì)形態(tài)。質(zhì)形態(tài)。 一般情況下，物體各部分的運動不相同，在一般情況下，物體各部分的運動不相同，在運動的過程中大小、形狀可能改變，這使得運動運動的過程中大小、形狀可能改變，這使得運動問題變得復(fù)雜。問題變得復(fù)雜。 某些情況下，物體的大小、形狀不起作用，某些情

11、況下，物體的大小、形狀不起作用，或者起次要作用而可以忽略其影響或者起次要作用而可以忽略其影響簡化為質(zhì)簡化為質(zhì)點模型。點模型。質(zhì)點：質(zhì)點：具有一定質(zhì)量沒有大小或形狀的理想物體具有一定質(zhì)量沒有大小或形狀的理想物體?？梢宰鳛橘|(zhì)點處理的物體的條件：可以作為質(zhì)點處理的物體的條件：大小和形狀對運動大小和形狀對運動沒有影響或影響可以忽略。沒有影響或影響可以忽略。研究地球公轉(zhuǎn)研究地球公轉(zhuǎn)38104 . 6105 . 1EESRR1104 . 24地球上各點的公轉(zhuǎn)速度相差很小，忽略地球自身尺地球上各點的公轉(zhuǎn)速度相差很小，忽略地球自身尺寸的影響，作為質(zhì)點處理。寸的影響，作為質(zhì)點處理。研究地球自轉(zhuǎn)研究地球自轉(zhuǎn)Rv地

12、球上各點的速地球上各點的速度相差很大，因度相差很大，因此，地球自身的此，地球自身的大小和形狀不能大小和形狀不能忽略，這時不能忽略，這時不能作質(zhì)點處理。作質(zhì)點處理。除車輪外，汽車各部分運動情況完全相同，車輪除車輪外，汽車各部分運動情況完全相同，車輪的運動是次要的，此時可把汽車作為質(zhì)點處理。的運動是次要的，此時可把汽車作為質(zhì)點處理。研究汽車在平直道路上運動研究汽車在平直道路上運動涉及轉(zhuǎn)動問題，汽車各部分運動情況不同，各個涉及轉(zhuǎn)動問題，汽車各部分運動情況不同，各個車輪受力差異很大，不能把汽車做質(zhì)點處理。車輪受力差異很大，不能把汽車做質(zhì)點處理。研究汽車突然剎車研究汽車突然剎車“前傾前傾”或轉(zhuǎn)彎或轉(zhuǎn)彎質(zhì)

13、點是從實際中抽象出的理想模型，研究質(zhì)點的運質(zhì)點是從實際中抽象出的理想模型，研究質(zhì)點的運動是為了抓住事物的主要矛盾進行研究分析。動是為了抓住事物的主要矛盾進行研究分析。時間與時刻時間與時刻1.2質(zhì)點運動的描述質(zhì)點運動的描述1.2.1位置矢量位置矢量 位移位移 在在坐標系中，用來確定質(zhì)點所在位置的矢量坐標系中，用來確定質(zhì)點所在位置的矢量，叫做叫做位置矢量位置矢量。位置矢量是從坐標原點指向質(zhì)點所位置矢量是從坐標原點指向質(zhì)點所在位置的有向線段。在位置的有向線段。222zyxr rkjirzyx rx/cosry/cosrz/cosoxyzikjrP(x,y,z)1coscoscos2222. 2. 位

14、移位移oxyz位移位移反映質(zhì)點位置變化的物反映質(zhì)點位置變化的物理量，從初始位置指向末位理量，從初始位置指向末位置的有向線段。置的有向線段。AB r路程路程是質(zhì)點經(jīng)過實際路徑是質(zhì)點經(jīng)過實際路徑的長度。路程是標量。的長度。路程是標量。roArBrrABrr)(Br BS A)(Arr1.2.2 速度速度速度速度是描述質(zhì)點位置隨時間變化的快慢和方向的物是描述質(zhì)點位置隨時間變化的快慢和方向的物理量。理量。trv平均速度平均速度平均速率平均速率tvs平均速度是矢量，其方向與位移的方向相同。平均平均速度是矢量，其方向與位移的方向相同。平均速率是標量。平均速度的大小并不等于平均速率。速率是標量。平均速度的大

15、小并不等于平均速率。例如質(zhì)點沿閉合路徑運動。例如質(zhì)點沿閉合路徑運動。瞬時速度瞬時速度 o)(trP1ttttt0)()(limrrv 當當 t t0 0時，時，P P2 2點點向向P P1 1點無限靠近。點無限靠近。P2P2P2P2P2P2P2P2)(ttr)0(tr)0(trP2)(ttr)0(trtdd rtt0limr方向:當當 時位移時位移 的極限方向，該位的極限方向，該位置的切線方向，指向質(zhì)點前進的一側(cè)。置的切線方向，指向質(zhì)點前進的一側(cè)。0tr瞬時速度是矢量，直角坐標系中分量形式：瞬時速度是矢量，直角坐標系中分量形式：大小: 1.2.2 加速度加速度加速度加速度是描述質(zhì)點速度的大小和

16、方向隨時間變是描述質(zhì)點速度的大小和方向隨時間變化快慢的物理量?；炻奈锢砹?。x y z P2 P1 o)(ttr)(tv)(ttv)(tr)(tv)(ttvv)(tv)(ttvvv平均加速度平均加速度tva平均加速度是矢量，方向與速度增量的方向相同。平均加速度是矢量，方向與速度增量的方向相同。瞬時加速度瞬時加速度 與瞬時速度的定義相類似，瞬時加速速度是一個與瞬時速度的定義相類似，瞬時加速速度是一個極限值極限值tddvtvaxxdd 瞬時加速度簡稱加速度，它是矢量，在直角坐瞬時加速度簡稱加速度，它是矢量，在直角坐標系中用分量表示標系中用分量表示:22ddtr22ddtx tvayydd22dd

17、tytvazzdd22ddtz222zyxaaaa加速度的加速度的方向方向就是時間就是時間 t趨近于零時，速度增量趨近于零時，速度增量的極限方向。加速度與速度的方向一般不同。的極限方向。加速度與速度的方向一般不同。大小大小加速度與速度的夾角為加速度與速度的夾角為0 或或180 ，質(zhì)點做直線運動。，質(zhì)點做直線運動。加速度與速度的夾角等于加速度與速度的夾角等于90 ，質(zhì)點做圓周運動。，質(zhì)點做圓周運動。avvava1.3 直線運動直線運動1.3.1 直線運動的運動方程直線運動的運動方程直線運動直線運動是當質(zhì)點運動的軌道是一條直線的運動。是當質(zhì)點運動的軌道是一條直線的運動。xtOx+xxt+ttxt直

18、線運動的位移時間曲線直線運動的位移時間曲線)(txx 1.3.2 直線運動中的速度直線運動中的速度dtdxtxvtlim0在在x-t圖象上，圖象上，v的量值就是在的量值就是在t時刻曲線的斜率時刻曲線的斜率V0表示質(zhì)點向表示質(zhì)點向x軸正方向運動，軸正方向運動，V0表示質(zhì)點向表示質(zhì)點向x軸負方向運動軸負方向運動如果質(zhì)點的速度如果質(zhì)點的速度v=v(t)已知，則可以通過積分已知，則可以通過積分vdtdx ttxxvdtdx00ttvdtxx00Otvt0t1.3.3 直線運動中加速度直線運動中加速度tadd v22ddtx在在v-t圖象上，圖象上，a的量值就是在的量值就是在t時刻曲線的斜率時刻曲線的斜

19、率如果質(zhì)點的速度如果質(zhì)點的速度a=a(t)已知，則可以通過積分已知，則可以通過積分adtdv ttvvadtdv00ttadtvv00勻加速直線運動的加速度是常數(shù)，所以勻加速直線運動的加速度是常數(shù)，所以v-t曲線是一條斜率曲線是一條斜率為為a的直線，如果的直線，如果t=0時，質(zhì)點速率為時，質(zhì)點速率為v0，質(zhì)點在時刻質(zhì)點在時刻t的速的速率為：率為：1.3.4 勻加速直線運動勻加速直線運動adtvv0假定假定t=0時，時，x=x0,則則tdtatvxx000)(20021attvxOttvv0勻加速直線運動的勻加速直線運動的運動方程運動方程dxdvvdtdxdxdvdtdvavdvadxxxvva

20、dxvdv00)()(210202xxavv)(20202xxavv這就是勻加速這就是勻加速直線運動中質(zhì)直線運動中質(zhì)點的位移、速點的位移、速度和加速度之度和加速度之間的關(guān)系式間的關(guān)系式1.4 圓周運動和拋體運動圓周運動和拋體運動1.4.1 勻速圓周運動勻速圓周運動ABSvvOvvA(B)CDv向心加速度向心加速度a的方向與的方向與v垂直，指向圓心垂直，指向圓心三角形三角形AOB和三角形和三角形CAD相似相似ABSvvOvvA(B)CDvRSvv0t則，則，tvABSRtvRSvvRvtv2Rvatv21.4.2 變速圓周運動變速圓周運動ABSvvOvvA(B)CDvEtvRvan2dtdvtvatttlim022222)()(dtdvRv