導(dǎo)論及質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué)導(dǎo)論課件

1、導(dǎo)論一、什么是物理學(xué)和物理學(xué)的研究對象 我們每個人都是物理世界的一部分，我們既不能避開同伴的影響，也不能避開宇宙的發(fā)展。我們是由原子、分子所組成，并且生存在被一顆恒星所束縛的行星上，而這顆恒星又是占據(jù)著廣袤空間的眾多個星系中的一個成員。 原子、分子、行星、星系以及其間的一切物體的行為都有某些共同的規(guī)律，這些規(guī)律就是物理學(xué)研究的對象，也是今天支配著科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)。 不要認(rèn)為物理只屬于物理學(xué)家。物理屬于每一個普通的人，就像音樂 不僅僅屬于音樂家一樣。 物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)。物質(zhì)的兩種基本形式和結(jié)構(gòu)層次場實(shí)物規(guī)范粒子（場量子）分子原子電子原子核 、 、 、中微子輕子質(zhì)子中子重子介子強(qiáng)

2、子夸克夸克交換膠子場與實(shí)物的相同之處： 具有質(zhì)量、動量、能量，遵守動量守恒定律、 能量守恒定律。轉(zhuǎn)化 物質(zhì)系統(tǒng)按空間尺度分類宏觀102710-15宇觀微觀介觀1001、宏觀與微觀系統(tǒng)不僅在空間尺度上有差別，最根本的是它們的基本性質(zhì)、運(yùn)動形式和基本規(guī)律不同基本性質(zhì)運(yùn)動形式基本規(guī)律宏觀粒子性機(jī)械運(yùn)動經(jīng)典微觀波動性量子運(yùn)動量子2、106108m 的宏觀系統(tǒng) 在低溫時顯示微觀系統(tǒng)的特征介觀系統(tǒng)。說明m總之，物理學(xué)所研究的運(yùn)動，普遍存在于其他高級運(yùn)動中的復(fù)雜事物之中，因此物理學(xué)所研究的規(guī)律具有極大的普遍性。可以說，物理學(xué)是除數(shù)學(xué)以外的一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)。也是當(dāng)代工程技術(shù)的重大支柱。二、物理學(xué)發(fā)展史三個發(fā)

3、展過程1、近代物理誕生與17世紀(jì)后半夜。Newton在Galileo等人工作基礎(chǔ)上。建立了經(jīng)典力學(xué)。2、18世紀(jì)19世紀(jì)，J.P.Joule,Mayer,Kelvin.Clausius等人奠定了描述熱現(xiàn)象聚集太的熱力學(xué)基礎(chǔ)。Boltzmann等人建立了說明熱現(xiàn)象的氣體分子動理論（統(tǒng)計(jì)物理學(xué)）。推動其他科技發(fā)展，研制成功了蒸汽機(jī)，引起了第一次工業(yè)革命。3、 18世紀(jì)19世紀(jì)，Coulomb,Faraday,Maxwell建立了經(jīng)典電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在。電氣設(shè)備獲得廣泛應(yīng)用，引起第二次工業(yè)革命。物理學(xué)成為基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展最快、影響最深的一門學(xué)科。正在向最小尺度：微粒結(jié)構(gòu)、最大尺度：天體宇宙起源

4、。正在向最復(fù)雜：非線性混沌方向發(fā)展。又向應(yīng)用方向發(fā)展：新能源、新材料及新工藝方向發(fā)展。勤于思考：用自己的語言敘述規(guī)律。悟物窮理：我們?yōu)槭裁聪嘈潘?？解釋自然現(xiàn)象做習(xí)題在于精而不在于多大學(xué)和中學(xué)學(xué)習(xí)方法比較學(xué)會的標(biāo)準(zhǔn)是什么？怎樣學(xué)？老師引路聽課，自學(xué)為主復(fù)習(xí)。怎樣聽課？怎樣記筆記？怎樣做作業(yè)？怎樣復(fù)習(xí)？怎樣考試？ 學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程，除了掌握基本知識外，更重要的是學(xué)習(xí)一種科學(xué)的思維方法。正如一個古老的故事所講的那樣，學(xué)生從老師那里得到的，應(yīng)該是一個點(diǎn)石成金的 法則，而不是一堆金子。 力學(xué) 經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)始人Isaac Newton 16421727mechanics第1章引言第2章質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué)第3章牛頓

5、運(yùn)動定律.動量與角動量第4章 動能和勢能第5章 剛體力學(xué)第6章 狹義相對論基礎(chǔ)第7章 振動第8章 波動 力 學(xué)mechanics力學(xué)物體位置隨時間的變化力學(xué)運(yùn)動學(xué)動力學(xué)（即在什么條件下，作什么樣的運(yùn)動）經(jīng)典力學(xué)宏觀低速研究機(jī)械運(yùn)動的規(guī)律研究如何描述物體的機(jī)械運(yùn)動研究機(jī)械運(yùn)動的內(nèi)在規(guī)律尺寸不太?。ㄅc原子、分子比）速度不太大（與光速比）1 質(zhì)點(diǎn) 參考系 運(yùn)動方程2 質(zhì)點(diǎn)的位移、速度、加速度3 直線運(yùn)動4 曲線運(yùn)動5圓周運(yùn)動6相對運(yùn)動 第一章 質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動 movement of particle可以作為質(zhì)點(diǎn)處理的物體的條件：大小和形狀對運(yùn)動沒有影響或影響可以忽略。研究地球公轉(zhuǎn)地球上各點(diǎn)的公轉(zhuǎn)速度相差

6、很小，忽略地球自身尺寸的影響，作為質(zhì)點(diǎn)處理。研究地球自轉(zhuǎn)地球上各點(diǎn)的速度相差很大，因此，地球自身的大小和形狀不能忽略，這時不能作質(zhì)點(diǎn)處理。 常用的坐標(biāo)系有直角坐標(biāo)系(x,y,z)，極坐標(biāo)系(,)，球坐標(biāo)系(R, )，柱坐標(biāo)系(R, ,z )。 xyzozR參考方向zoRxy1、參考系 reference system ：描述物體運(yùn)動時被選作參考的其他物體或物體系，稱為“參考系” (reference system) 或“參照系” (frame of reference)。2、要定量描述物體的位置與運(yùn)動情況，就要運(yùn)用數(shù)學(xué)手段，采用固定在參考系上的坐標(biāo)系Coordinate system 。自然法

7、 Natural ：在已知運(yùn)動軌跡上任選一固定點(diǎn)O，規(guī)定一正方向，曲線長度 s 稱自然坐標(biāo)。坐標(biāo)法 Coordinate ：選定三維坐標(biāo)系OXYZ，用坐標(biāo)值（x,y,z) 來表示空間一質(zhì)點(diǎn) P 的位置。位矢法 Position Vector ：選定一固定點(diǎn)O，由O點(diǎn)向質(zhì)點(diǎn)P引一矢量 （位置矢量，位矢）x z y z( t ) y( t )x( t ) r( t )P( t )0三、位置矢量 Position Vector 四、運(yùn)動方程（運(yùn)動函數(shù)） equation of kinematics1、質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方程 用以確定在選定的參考系中質(zhì)點(diǎn)相對坐標(biāo)系的位置隨時間變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式：坐標(biāo)法自然法位矢

8、法例如：x z y z( t ) y( t )x( t ) r( t )P( t )0 -質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動函數(shù) (運(yùn)動方程) 注意與軌道方程區(qū)別 x = x ( t ) y = y ( t ) z = z ( t )x=Rcos ty=Rsin tx2+y2=R2運(yùn)動函數(shù)軌跡方程x z y z( t ) y( t )x( t ) r( t )P( t )0質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動 x = x( t ), y = y ( t ), z = z( t )*例題 1.1求：寫出以v0初速度作平拋運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動函數(shù)。解：建立坐標(biāo)系xy0yx0 xy0 x0y0注意：不同的坐標(biāo)系對同一運(yùn)動的描述不同。平均速度average

9、 velocity瞬時速度instantaneous velocityr(t+t )r(t)rx y z 0S P1 P2二 速度velocity-質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動快慢的量度大?。悍较颍?的方向大小（速率）：方向：的極限方向即P1點(diǎn)的切線方向單位：米/秒（m/s）速率speed注意：平均速率瞬時速率?思考題：？例題 1.2求 （1）t = 3 s 時的速度；（2）1s 4s 內(nèi)的平均速度解（1）vv (t )v (t+t )xr(t+t )r(t) y z P2 P1 0v (t )v (t+t )三、 加速度 acceleration-質(zhì)點(diǎn)速度改變快慢的量度速度增量 increment of vel

10、ocity注意 的方向平均加速度average acceleration大小方向的方向xr(t+t )r(t) y z P2 P1 0v (t )v (t+t )瞬時加速度instantaneous acceleration令 t 0大小方向的極限方向方向是否一致？運(yùn)動學(xué)中的兩大類問題1.微分法 已知 求任意時刻 2.積分法已知初始條件求任意時刻 勻加速運(yùn)動為常矢量初始條件給定（大小和方向均不變）*例1.3 重力場中的拋體運(yùn)動（不計(jì)空氣阻力）yx0運(yùn)動平面在內(nèi)求yx0分量形式：方向性 矢量性一質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡為拋物線求：x = - 4 m 時（t 0) 的位移、速度、速率、加速度。解x = -4

11、t= 2例題 1.4 Example1.4sh已知收繩速率v 0 求：船離岸s 時的速度，加速度 。l解：0s例題1.5 Example1.5一質(zhì)點(diǎn)某時刻位矢 ，其速度的大小為（A）（B）（C）（D）（A）質(zhì)點(diǎn)作平面曲線運(yùn)動，則（C）（D）（B）（A）（B）思考題1思考題21.3勻速直線運(yùn)動 (rectilinear motion)xo一維坐標(biāo)系如圖。由基本關(guān)系式：得兩邊分別積分 得設(shè)：特征：1.4 勻加速運(yùn)動(uniformly acceleration motion)一、勻加速運(yùn)動 有人說:“勻加速運(yùn)動都是直線運(yùn)動” 對嗎?1.加速度2.速度3.位置矢量直角坐標(biāo)下的分量式 x = 0 x

12、+axt y =0y +ayt z= 0z +azt 1.5勻加速直線運(yùn)動(rectilinear motion)一、特征：xo一維坐標(biāo)系如圖。由基本關(guān)系式：得兩邊分別積分得設(shè)：x - x0 = 0t + at 212二、典型的勻加速直線運(yùn)動(1)上拋 12y = gt 2(2)自由落體 1.6 拋體運(yùn)動(projectile motion)自學(xué)1.運(yùn)動的獨(dú)立性與疊加性運(yùn)動的獨(dú)立性：如果一個質(zhì)點(diǎn)同時參與幾個分運(yùn)動，其中任何一個運(yùn)動都不受到其他運(yùn)動的影響，就好像只有自己存在一樣。運(yùn)動的疊加性：質(zhì)點(diǎn)的一般運(yùn)動可以看做由幾個相互獨(dú)立的運(yùn)動的合成。且合成的物理量滿足平行四邊形法則。2. 拋體運(yùn)動拋體運(yùn)

13、動：只在重力作用下的運(yùn)動。 在地球附近不太大的空間內(nèi)，在忽略空氣阻力的情況下，二維拋體運(yùn)動水平分量和豎直分量相互獨(dú)立。選直角坐標(biāo)系如圖。初速度為與水平方向夾角為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動狀態(tài)量是：加速度分量式：速度分量式：位矢分量式：vRxS01、線速度 linear velocity 2、角速度 angular velocity, 一、圓周運(yùn)動的速度1.7 圓周運(yùn)動 circular motion角速度 的方向:按 “右旋規(guī)則”定二、勻速圓周運(yùn)動uniform circular motion 指向圓心向心加速度意義：速度方向的變化率練習(xí) ：從加速度定義出發(fā)，導(dǎo)出向心加速度：二、變速圓周運(yùn)動 切向加速度 法向加

14、速度tangential acceleration and normal acceleration速度三角形速度三角形法向切向在路徑上各點(diǎn)進(jìn)行分解討論1）法向加速度意義：速度方向的變化率瞬時性(大小、方向)正值圓周運(yùn)動，各瞬時質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的圓半徑相同2）切向加速度的意義：速度大小的變化率瞬時性可正可負(fù)勻速圓周運(yùn)動 uniform circular motion3）自然坐標(biāo)系 natural coordinates 規(guī)定依賴質(zhì)點(diǎn)的單位矢量該點(diǎn)速度方向(切向)的單位矢量與該點(diǎn)切向垂直并指向曲線凹側(cè)的法向單位矢量如質(zhì)點(diǎn)作圓周運(yùn)動 t時刻，運(yùn)動到P點(diǎn),單位矢量如圖示。法向方向指向圓周的圓心，該點(diǎn)運(yùn)動的加速

15、度是4）一般平面曲線運(yùn)動質(zhì)點(diǎn)在t時刻運(yùn)動到P點(diǎn)在該點(diǎn)曲率圓周上運(yùn)動法向加速度指向曲率圓心設(shè)曲率圓半徑為 ，則三、圓周運(yùn)動的線量和角量關(guān)系參考方向1.8 相對運(yùn)動 Relative motion伽利略坐標(biāo)變換 Galilean position transform一、一物體相對于兩個不同的參考系的運(yùn)動 間的關(guān)系 物人， 參考系-車、地(相對作平動)車(俯視圖)r人對地r車對地r人對車人位移間的關(guān)系:速度間的關(guān)系:一般寫作兩個相對平動參照系（S） yoxZ（S） yox Z伽利略變換P二、伽利略速度變換 (Galilean velocity transformation) 已知雨滴垂直下落，v雨-地=18m/s ；車向東行駛v車-地= 9m/s 。求：雨滴相對于車的速度。解 建立坐標(biāo)系 =+=例題1.5ABvA30ovB已知飛機(jī)A 向南飛行，速度 vA-E=1000 km/h ， 飛機(jī)B 速度 vB-E =800 km/h ，方向如圖。解：建立坐標(biāo)系東南*例題1.6輪船以18km/h的速度向正北航行時測得風(fēng)是西北風(fēng) ；以36km/h