第1章大學(xué)物理.

1、1物理與光電工程學(xué)院2第第2 2章章 質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)第第3 3章章 功和能功和能第第4 4章章 動(dòng)量和角動(dòng)量動(dòng)量和角動(dòng)量第第5 5章章 剛體力學(xué)剛體力學(xué)第第1 1章章 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)第第7 7章章 波動(dòng)波動(dòng)第第6 6章章 振動(dòng)振動(dòng)第第8 8章章 狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論第第9 9章章 氣體動(dòng)理論氣體動(dòng)理論3緒緒 論論一.什么是物理學(xué) 物理學(xué)是研究包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)、熱運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)、原子、原子核和粒子運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最基本形態(tài)，以及它們之間相互轉(zhuǎn)化的一門基礎(chǔ)學(xué)科。 研究范圍研究范圍空間尺度：微觀粒子10-15m宇宙尺寸1026m時(shí)間尺度：微觀粒子壽命10-24s宇宙年齡1018s研究對(duì)象包

2、括宇觀、宏觀、介觀、微觀。4 當(dāng)今物理學(xué)的研究領(lǐng)域里有兩個(gè)尖端，一個(gè)是高能物理或稱粒子物理，另一個(gè)是天體物理。前者在最小尺度上探索物質(zhì)更深層次的結(jié)構(gòu)，后者在最大尺度上追尋宇宙的演化和起源。但是近十年的進(jìn)展表明，這兩個(gè)極端竟奇妙地銜接在一起，成為一對(duì)密不可分的姊妹科學(xué)。5天體物理粒子物理兩大尖端緊密銜接6 從階段劃分，可分為經(jīng)典、近代、現(xiàn)代物理。從階段劃分，可分為經(jīng)典、近代、現(xiàn)代物理。經(jīng)經(jīng) 典典第一代第一代：1543年以前，以亞里士多德為代表的物理學(xué)（如地心說，力是維持速度的原因等）。第二代第二代：近近 代代第三代第三代：1900年-1928年以愛因斯坦的相對(duì)論和薛定諤 、海森伯等的量子論為代表

3、的近代物理學(xué)第四代第四代：1928年至今的現(xiàn)代物理學(xué)如激光 、超導(dǎo) 、混沌等。1543年-1900年以牛頓為代表的物理學(xué)。7二.為什么要學(xué)習(xí)物理學(xué)（1）物理學(xué)是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)（2）物理學(xué)是科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的巨大動(dòng)力 物理學(xué)的基本概念和技術(shù)被應(yīng)用到所有的自然科學(xué)。如醫(yī)學(xué)中使用的核磁共振、CT 、B超等。 a.18世紀(jì)60年代開始的第一次技術(shù)革命,主要標(biāo)志是蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用，它是經(jīng)典牛頓力學(xué)和卡諾等熱力學(xué)發(fā)展的結(jié)果。8 c.20世紀(jì)40年代興起一直延續(xù)到今天的第三次技術(shù)革命是近代物理學(xué)發(fā)展的結(jié)果,其特點(diǎn)是出現(xiàn)了高新技術(shù)和產(chǎn)品。如激光、電子計(jì)算機(jī)等的出現(xiàn)。 b.19世紀(jì)90年代開始的第二次技術(shù)

4、革命,主要標(biāo)志是電力的應(yīng)用和無線電通訊的實(shí)現(xiàn),它是經(jīng)典麥克斯韋電磁學(xué)的發(fā)展結(jié)果。（3）物理學(xué)是人才培養(yǎng)所必需的基礎(chǔ)理論。 物理學(xué)是人類認(rèn)識(shí)自然、優(yōu)化自然、造福于人類最有活力的帶頭學(xué)科。9（1）大學(xué)物理與中學(xué)物理的區(qū)別：a.研究的對(duì)象不同：由簡單到復(fù)雜，由特殊到一般如：勻速 變速 恒力 變力 均勻 非均勻b.研究的方法和使用的工具不同：如：初等數(shù)學(xué) 高等數(shù)學(xué) 標(biāo)量 矢量 定性 定量c.研究的目的不同：了解知識(shí) 應(yīng)用知識(shí)三.如何學(xué)好物理學(xué)10（2）如何學(xué)好大學(xué)物理a.勤于思考，悟物窮理，建立自己的物理圖像； 勤于思考,對(duì)新的概念、定義、公式中的符號(hào)和公式本身的含義用自己的語言陳述出來。對(duì)于定理的證

5、明、公式的推導(dǎo)，最好在了解了基本思路之后，自己獨(dú)立地把它們演算出來。這樣才能對(duì)它們成立的條件、關(guān)鍵的步驟、推演的技巧等有深刻的理解。 悟物窮理，要多向自己提問，明確哪些是事實(shí)、哪些是推論、推論是如何得來的、我為什么相信它等。11關(guān)鍵：勤于思考，悟物窮理。b.注意物理規(guī)律的表述（文字描述、公式表示）和適用范圍；c.通過做題，深入理解并熟練應(yīng)用所學(xué)的基本理論；d.物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)加深理解。 不能僅僅掌握一些知識(shí)定律和公式，更不能把注意力只集中在解題上,而應(yīng)在學(xué)習(xí)過程中努力使自己逐步對(duì)物理學(xué)的內(nèi)容、方法、概念和物理圖像,以及其歷史、現(xiàn)狀和前沿等方面,從整體上有個(gè)全面的了解。12質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)

6、學(xué)13 一個(gè)物體相對(duì)于另一個(gè)物體的空間位置隨時(shí)間發(fā)生變化； 或一個(gè)物體的某一部分相對(duì)于另一部分的位置隨時(shí)間而發(fā)生變化的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)：力學(xué)：研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)及其規(guī)律的學(xué)科。 14運(yùn)動(dòng)學(xué)：動(dòng)力學(xué)： 以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)，研究物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)所遵循規(guī)律的學(xué)科。 研究物體在空間的位置隨時(shí)間的變化規(guī)律以及運(yùn)動(dòng)的軌道問題，而并不涉及物體發(fā)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)的變化原因。151-1-1 質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)：具有一定質(zhì)量的，大小和形狀可以忽略的理想物體。太陽太陽行星行星可以把行星繞太陽的運(yùn)動(dòng)看做是質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。1-1 1-1 質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn) 參考系參考系 坐標(biāo)系坐標(biāo)系161-1-2 參考系和坐標(biāo)系 描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)具有相對(duì)性用以標(biāo)定

7、物體的空間位置而設(shè)置的坐標(biāo)系統(tǒng)。 物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)具有絕對(duì)性為描述物體的運(yùn)動(dòng)而選取的參考物體。坐標(biāo)系：參考系：171-2 1-2 描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的物理量描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的物理量1-2-1 時(shí)間與空間時(shí)間反映了物體運(yùn)動(dòng)的持續(xù)性，空間反映了物體運(yùn)動(dòng)的廣延性。時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn)：定義1s等于與Cs133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷相對(duì)應(yīng)的輻射周期的9192631770倍。長度計(jì)量基準(zhǔn)：1m是光在真空中1/299792458s的時(shí)間間隔內(nèi)運(yùn)行路程的長度，同時(shí)規(guī)定了真空中光速c=299792458m/s。181-2-2 過程量與狀態(tài)量過程量：描述物體運(yùn)動(dòng)在一段時(shí)間中（或一段運(yùn)動(dòng)過程中）的運(yùn)動(dòng)量.如:位移、路程、功、沖量、

8、沖量矩等。狀態(tài)量：描述物體在運(yùn)動(dòng)某瞬間的物理量.如：位置矢量、速度矢量、加速度矢量、動(dòng)量、動(dòng)能、勢(shì)能等。191-2-3 位置矢量與運(yùn)動(dòng)方程熱帶風(fēng)暴20位置矢量 （位矢）從坐標(biāo)原點(diǎn)O出發(fā)，指向質(zhì)點(diǎn)所在位置P的一有向線段OP位矢用坐標(biāo)值表示為：k zj yi xr位矢的大小為：222zyxr位矢的方向：rzryrxcoscoscosP(x,y,z)rzyxO21ktzjtyitxr)()()(運(yùn)動(dòng)方程：)(trr矢量形式：參數(shù)形式：)()()(tzztyytxx軌道方程：0),(zyxfxOzy221-2-4 位移與路程設(shè)質(zhì)點(diǎn)做曲線運(yùn)動(dòng)t 時(shí)刻位于A點(diǎn)，位矢t+t時(shí)刻位于B點(diǎn)，位矢ArBr 位移矢

9、量： 在t 時(shí)間內(nèi)，位矢的變化量（即A到B的有向線段），簡稱位移。zyxOBAr23ABrrrAB在直角坐標(biāo)系中kzj yi xr222zyxr路程：質(zhì)點(diǎn)在軌道上所經(jīng)過的曲線長度srstt00 limlimrsddrszyxO BAsr241-2-5 速度速度是反映質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)快慢和方向的物理量速度：單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)所發(fā)生的位移。 平均速度tB時(shí)刻位于B點(diǎn)在 t 時(shí)間內(nèi)發(fā)生位移：ABrrr設(shè)質(zhì)點(diǎn)做一般曲線運(yùn)動(dòng)tA時(shí)刻位于A點(diǎn)BAOzyxBrArr25平均速度：平均速度的方向與 t 時(shí)間內(nèi)位移的方向一致 瞬時(shí)速度AArBBrr質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)刻所具有的速度Ozyxvtrvtrtrddlim0tv單位：m/

10、s速度的方向?yàn)檐壍郎腺|(zhì)點(diǎn)所在處的切線方向。26速度的矢量式：速度的三個(gè)坐標(biāo)分量：kyxzvjvivvtztytxzyxdd,dd,ddvvv速度的大小：222zyxvvvvv27 速率在t時(shí)間內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)所經(jīng)過路程s對(duì)時(shí)間的變化率tsv平均速率：瞬時(shí)速率：tststddlim0v一般情況：vv 因此sr當(dāng)t0時(shí)：vv 則srrdd srBA單位：m/s281-2-6 加速度加速度是反映速度變化的物理量t 時(shí)間內(nèi)，速度增量為：12vvv平均加速度：結(jié)論：平均加速度的方向與速度增量的方向一致。v2v1vt1時(shí)刻，質(zhì)點(diǎn)速為t2時(shí)刻，質(zhì)點(diǎn)速度為1v2vxozy1v2v2r1rtav29當(dāng)t0時(shí)，平均加速度

11、的極限即為瞬時(shí)加速度。瞬時(shí)加速度：220ddddlimtrttatvv加速度的矢量式：kajaiaazyx222222ddddddddddddtztatytatxtazzyyxxvvv加速度的大?。?22zyxaaaa當(dāng)t 趨向零時(shí)，速度增量 的極限方向，v加速度的方向：單位：m/s2指向曲線的凹側(cè)。30運(yùn)動(dòng)方程是運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的核心運(yùn)動(dòng)方程是運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的核心1.已知運(yùn)動(dòng)方程,求質(zhì)點(diǎn)任意時(shí)刻的位置、速度以及加速度 22ddddddtrtatrtrrvv2.已知運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的速度函數(shù)（或加速度函數(shù)）以及初始條件求質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程tttata00dd,ddvvvvttrrtrtr00dd,ddvv運(yùn)動(dòng)學(xué)的兩

12、類問題31例1 已知質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為jti tr22192 求：（1）軌跡方程；（2）t =2s 時(shí)質(zhì)點(diǎn)的位置、速度 以及加速度； 解2219,2tytx(1)(1)消去時(shí)間參數(shù)22119xy（2）m114m22192222jijir11.7mm11422 rr7 .114cosrx7032j titr42ddvjta4ddv2m/s4a方向沿y 軸的負(fù)方向857528arctanj titr42ddvm/s822jivs/m25. 8s/m82222v33例2 路燈距地面高度為h，身高為l 的人以速度v0在路上勻速行走。求：(1)人影頭部的移動(dòng)速度；(2)影長增長的速率。Ox2xx1hl解

13、（1）hxlxx21212)(hxxlh兩邊求導(dǎo)：txhtxlhdddd)(12012dd,ddvvtxtx其中：lhh0vv34（2 2）令 為影長12xxb2xhlb txhltbdddd2 v以 代入lhhtx02ddv得lhl0vv35yxxlhO例3 通過岸崖上的絞車?yán)瓌?dòng)纖繩將湖中的小船拉向岸邊，如果絞車以恒定的速率v0拉動(dòng)纖繩，絞車定滑輪離水面的高度為h，求小船向岸邊移動(dòng)的速度v和加速度a。解建立如圖坐標(biāo)系，任意時(shí)刻小船到岸邊的距離x滿足：222hlx0220vvvxhxxl兩邊對(duì)t求導(dǎo)：tlltxxdddd22vtxdd0vtldd負(fù)號(hào)表示小船的速度和加速度沿x軸反方向。3220

14、22ddddxhttxavv36例4 利用質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)方法，推導(dǎo)出勻變速直線運(yùn)動(dòng)三大運(yùn)動(dòng)學(xué)公式。解taddvtta00ddvvvat0vvtxddvttatx00)(0ddvxx20021attxvxxtaddddvvvxxx00ddvvvv)(20202xxav-v37例5 質(zhì)點(diǎn)由靜止開始做直線運(yùn)動(dòng)，初始加速度為a0，每秒增加a0，求t 秒后瞬時(shí)速度和運(yùn)動(dòng)位置。解 00taaatadd vtadd vt0000d)(dttaavv2002 tatavtxttatax02000d)2(dtxdd vtxddv302062tatax積分:積分:38例6 設(shè)某一質(zhì)點(diǎn)以初速度v0=100m/s做直線運(yùn)

15、動(dòng)，其加速度為a = -10vm/s。問：質(zhì)點(diǎn)在停止前運(yùn)動(dòng)的路程有多長？解vv10ddtat d10dvv兩邊積分：ttt10ln,d10d000vvvvvvt100e vvttxtxtdedd,dd100vvv39兩邊積分：txttxded01000 v1e101100txv)1 (1010texm10 x當(dāng)t時(shí)， v0401-3 1-3 拋體運(yùn)動(dòng)拋體運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)疊加原理：質(zhì)點(diǎn)的任意運(yùn)動(dòng)都可以分解為在三個(gè)直角坐標(biāo)軸方向上各自獨(dú)立進(jìn)行的直線運(yùn)動(dòng)的合成。vxgy0vO拋體運(yùn)動(dòng)的描述: 拋體運(yùn)動(dòng)是水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向的勻加速直線運(yùn)動(dòng)的合成。41初速度v0沿x軸和y軸上分量分別是 cos00

16、vvxsin00vvy加速度 0 xagaycos0vv xgtysin0vv速度拋體的運(yùn)動(dòng)方程： cos0tvx 2021singttyv拋體運(yùn)動(dòng)的軌跡方程2220cos2tanxgxyv42gx2sin20mv根據(jù)軌跡方程的極值條件，求得最大射高:gy2sin220mv從拋出回落到拋出點(diǎn)經(jīng)歷時(shí)間： gTsin20v令y = 0，得到拋物線與x軸的另一個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo) ，就是射程：43例7 某物體從地面附近某一確定高度以v0速度水平拋出，已知它落地時(shí)的速度為vt ,則它在運(yùn)動(dòng)過程中經(jīng)歷的時(shí)間是多少？ yvxvtv解落地速度為水平速度與豎直速度的矢量和202v-vvty0vv xgtyvgtt202

17、v-v441-4 1-4 圓周運(yùn)動(dòng)圓周運(yùn)動(dòng)vBvAvBvoRAvsAB1-4-1 勻速率圓周運(yùn)動(dòng) t+t時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)位于B點(diǎn),速度 Bv設(shè)t時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)位于A點(diǎn),速度 Avt0時(shí)vvttattvv00limlim指向圓心O加速度大小Rtt20slimvRvnRa2vn法向單位矢量451-4-2 變速率圓周運(yùn)動(dòng) BvoRAvsABvBvAvnvv速度增量：nvvv加速度：ttatntvv00limlimtnRdd2vv n法向單位矢量 切向單位矢量 46Ran2vtaddv切向加速度 由速度大小變化引起的。法向加速度 由速度方向變化引起的。aan1tan方向22aaan大小tnRadd2vv47例8 一

18、質(zhì)點(diǎn)沿半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng),初速度為v0,其加速度方向與速度方向夾角為常數(shù),求質(zhì)點(diǎn)速率與時(shí)間的關(guān)系.解tvddaRa2nvnaaavOvvddtan2ntRaatandd2Rtvvvvvv002tanddtRttan110Rtvv分離變量：積分：48例9 一質(zhì)點(diǎn)沿半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng),其路程s隨時(shí)間t的變化規(guī)律為s=bt-ct /2,式中b,c為大于零的常數(shù),且bRc. 求:(1)質(zhì)點(diǎn)的切向加速度和法向加速度;(2)經(jīng)過多長時(shí)間,切向加速度等于法向加速度。解ctbtsddvctaddvRctbRa22n)( vnaa （1）（2）cRcbt解得491-4-3 圓周運(yùn)動(dòng)角量描述ABsRxyO 質(zhì)點(diǎn)所在的矢徑與x 軸的夾角。 角位移：角位置 ：質(zhì)點(diǎn)從A到B矢徑轉(zhuǎn)過的角度。規(guī)定： 逆時(shí)針轉(zhuǎn)向?yàn)檎槙r(shí)針轉(zhuǎn)向?yàn)樨?fù)角速度：tttddlim0角加速度：tttddlim050角量表示勻加速圓周運(yùn)動(dòng)的基本公式：02022000221ttt角量和線量的關(guān)系：Ra tRs tRtsdddd22nRRavtRtddddvRv2nRa 51vRzryOx可以把角速度看成是矢量 ！方向由右手螺旋法則確定 。 右手的四指循著質(zhì)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向彎曲，拇指的指向即為角速度矢量的方向。 線速度與角速度的關(guān)系： rv521-5 1-5 一般平面曲線運(yùn)動(dòng)一般平面曲線運(yùn)動(dòng)1-5-1 一