大學(xué)物理學(xué)《力學(xué)篇通識類》課件

UniversityPhysics大學(xué)物理力學(xué)篇通識類一、什么是物理學(xué)？●物理學(xué)

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研究物質(zhì)世界中最基本形態(tài)和規(guī)律的科學(xué)●物理學(xué)研究范圍——

物質(zhì)世界的層次和數(shù)量級Physics質(zhì)子:類星體:空間尺度：物質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)相互作用物質(zhì)運動規(guī)律微觀粒子Microscopic介觀物質(zhì)mesoscopic宏觀物質(zhì)macroscopic宇觀物質(zhì)cosmological緒論E-15E-12E-09E-06E-031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小的細胞原子原子核基本粒子DNA長度星系團銀河系最近恒星的距離太陽系太陽山哈勃半徑超星系團人蛇吞尾圖——形象地表示了物質(zhì)空間尺寸的層次基本粒子壽命宇宙壽命時間尺度：物理問題

按空間尺度劃分：量子力學(xué)經(jīng)典物理學(xué)宇宙物理學(xué)按運動速率大小劃分：相對論物理學(xué)非相對論物理學(xué)

按客體大小劃分：微觀系統(tǒng)宏觀系統(tǒng)

按運動速度劃分：低速現(xiàn)象高速現(xiàn)象

●物理學(xué)的發(fā)展實驗物理理論物理計算物理TodayPhysics二、物理學(xué)中的主要基本理論是什么？

●牛頓力學(xué)（Newtonianmechanics）

研究物體機械運動的基本規(guī)律及關(guān)于時空相對性的規(guī)律

●電磁學(xué)（Electromagnetism）

研究電磁現(xiàn)象、物質(zhì)的電磁運動規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律

●

熱力學(xué)（Thermodynamics）

研究物質(zhì)熱運動的統(tǒng)計規(guī)律及其宏觀表現(xiàn)

●相對論（Relativity）

研究物體的高速運動效應(yīng)以及相關(guān)的動力學(xué)規(guī)律

●量子力學(xué)（Quantummechanics）

研究微觀物質(zhì)運動現(xiàn)象以及基本運動規(guī)律★

結(jié)論：物理學(xué)是一門最基本的科學(xué)；是最古老、但發(fā)展最快的科學(xué)；它提供最多、最基本的科學(xué)研究手段。三、物理學(xué)構(gòu)成所有自然科學(xué)的理論基礎(chǔ)●物理學(xué)是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)●

物理學(xué)派生的分支：

物理學(xué)構(gòu)成了化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、地球物理學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)，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)之中?！?/p>

物理學(xué)與數(shù)學(xué)之間的關(guān)系原子核物理學(xué)原子分子物理學(xué)固體物理學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)激光物理學(xué)等離子體物理學(xué)地球物理學(xué)生物物理學(xué)天體物理學(xué)電子物理學(xué)……四、物理學(xué)與技術(shù)二十世紀(jì)以來，物理學(xué)被公認(rèn)為科技發(fā)展中最重要的帶頭學(xué)科●

第一種模式——

熱機的發(fā)明●第二種模式——

電氣化的發(fā)展核能的利用激光器的產(chǎn)生層析成像技術(shù)(CT)計算機、VLSI技術(shù)——

物理——

技術(shù)物理——技術(shù)——

物理粒子散射實驗X射線的發(fā)現(xiàn)受激輻射理論晶體管的發(fā)現(xiàn)電子計算機的誕生●1947年貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克來發(fā)明了晶體管，標(biāo)志著信息時代的開始●1962年發(fā)明了集成電路●70年代后期出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路●192526年建立了量子力學(xué)●1926年建立了費米狄拉克統(tǒng)計●1927年建立了布洛赫波的理論●1928年索末菲提出能帶的猜想●1929年派爾斯提出禁帶、空穴的概念同年貝特提出了費米面的概念●1957年皮帕得測量了第一個費米面超晶格材料納米材料光子晶體晶體管的發(fā)明大規(guī)模集成電路電子計算機信息技術(shù)與工程●當(dāng)今物理學(xué)和科學(xué)技術(shù)的關(guān)系兩種模式并存，相互交叉，相互促進量子力學(xué)能帶理論人工設(shè)計材料●幾乎所有的重大新(高)技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)立，事先都在物理學(xué)中經(jīng)過長期的醞釀。“沒有昨日的基礎(chǔ)科學(xué)就沒有今日的技術(shù)革命”。——李政道五、怎樣學(xué)習(xí)物理學(xué)?

著名物理學(xué)家費曼說：科學(xué)是一種方法。它教導(dǎo)人們：一些事物是怎樣被了解的，什么事情是已知的，現(xiàn)在了解到了什么程度，如何對待疑問和不確定性，證據(jù)服從什么法則；如何思考事物，做出判斷，如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象。著名物理學(xué)家愛因斯坦說：

發(fā)展獨立思考和獨立判斷地一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把專業(yè)知識放在首位。如果一個人掌握了他的學(xué)科的基礎(chǔ)理論，并且學(xué)會了獨立思考和工作，他必定會找到自己的道路，而且比起那種主要以獲得細節(jié)知識為其培訓(xùn)內(nèi)容的人來，他一定會更好地適應(yīng)進步和變化。●

學(xué)習(xí)的方法：從整體上邏輯地、協(xié)調(diào)地學(xué)習(xí)物理學(xué)，了解物理學(xué)中各個分支之間的相互聯(lián)系。O取一質(zhì)量元切線方向?qū)潭ㄝS的力矩對所有質(zhì)元合內(nèi)力矩=0合外力矩M剛體的轉(zhuǎn)動慣量J剛體繞定軸轉(zhuǎn)動定律●

學(xué)習(xí)的關(guān)鍵：勤于思考悟物窮理經(jīng)典理論解釋氫原子的線狀光譜遇到困難電子繞原子核做圓周運動輻射電磁波原子系統(tǒng)的能量逐漸減小不可能有穩(wěn)定的原子原子光譜為連續(xù)的帶狀光譜電子雙縫干涉實驗僅縫A打開僅縫B打開雙縫同時打開時實際得到的干涉圖電子源雙縫同時打開時所想象的干涉圖實物粒子具有粒子性實物粒子具有波動性矛盾伴隨實物粒子的波到底是什么樣的波。?●學(xué)習(xí)的重點：●物理模型●數(shù)學(xué)表述●研究方法與適用條件不考慮分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并忽略其大小標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體分子間平均距離已知液氮的密度氮分子半徑理想氣體的微觀模型理想氣體的狀態(tài)方程實際氣體的狀態(tài)方程六、本學(xué)期的任務(wù)和要求

●

任務(wù)：經(jīng)典力學(xué)狹義相對論電磁學(xué)●

聽課：信息量較大，進度較快，范圍較寬

要求：抓住主線，注重分析，學(xué)會總結(jié)●

閱讀：●《大學(xué)物理學(xué)》

張三慧主編清華大學(xué)出版社●《費曼物理學(xué)講義》●

《大學(xué)物理學(xué)習(xí)指導(dǎo)》張孝林主編科學(xué)出版社教材：《大學(xué)物理》吳百詩主編

科學(xué)出版社

參考書：

●

作業(yè)：

(兩本，10元，下周按班級為單位在中二樓3216購買

)

舉一反三，一題多解，扎實練習(xí)以平時成績(10%)記入期末成績

注意：按學(xué)校規(guī)定缺交作業(yè)1/3以上者，不能參加期末考試

●

階段1考試：作為平時成績(20%)記入期末成績（7周前后）●

期末考試：占總成績50%題型：選擇題、填空題、計算及證明題●答疑時間安排：2-15周周一至周四晚7:30~9:30地點：主樓E11樓會議室另每兩周安排單獨答疑一次：地點：待定，時間待定●

階段2考試：作為平時成績(20%)記入期末成績（13周前后）

我要做到的

按時、按質(zhì)、按量上好課，做好答疑以及批改作業(yè)等事情；不斷鉆研改進教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量。

你們要做到的

課堂上，大家積極互動，除此之外，保持課堂安靜；不得無理由缺課，點名3次不到，期末不能參加考試，如果有事請假，請在課前提交輔導(dǎo)員簽字的請假條，課后不收請假條；盡量不要遲到，如果遲到請走后門；手機保持安靜，不許上課翻閱手機、平板電腦等電子產(chǎn)品；不許帶耳機。要來聽課，安心地、認(rèn)真地聽好每一次課，具體要求：要做作業(yè)，要獨立地、按質(zhì)、按量完成，按時交。絕不允許抄襲作業(yè)，一旦發(fā)現(xiàn)，不管是抄襲者還是被抄襲者，該次作業(yè)成績?yōu)榱惴?。第一篇?jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)

——

物體機械運動現(xiàn)象與動力學(xué)規(guī)律?機械運動

——

物體相對于其他物體的位置隨時間發(fā)生的變化，或物體內(nèi)部的各部分的相對位置隨時間發(fā)生的變化。物質(zhì)運動最基本、最簡單的運動形式?

力學(xué)是物理學(xué)和許多工程技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)

質(zhì)點運動學(xué)

質(zhì)點動力學(xué)

剛體力學(xué)

運動規(guī)律的原因質(zhì)點集合（質(zhì)點系）剛體運動的基礎(chǔ)第一章質(zhì)點運動學(xué)預(yù)備知識：微積分，矢量代數(shù)，國際單位制（SI）1-1質(zhì)點運動學(xué)的基本概念一、質(zhì)點質(zhì)點系剛體?質(zhì)點：無大小與形狀的空間幾何點

具有一定的質(zhì)量

?質(zhì)點系

——若干質(zhì)點的集合體

對實際物體有條件的、合理的抽象描述理想模型描述物體的相對性描述物體的近似性?剛體

——

大小、形狀的變化可以忽略不計二、參照系?

參照物：xyz0P參照物

選取的任意性，?

參照系：參照物+坐標(biāo)系+時鐘?極坐標(biāo)系……..運動的相對性?直角坐標(biāo)系?自然坐標(biāo)系三、確定質(zhì)點位置的常用方法1.直角坐標(biāo)法P(x,y,z)2.位矢法（質(zhì)點位置由位置矢量描述）方向：大小：?3.自然坐標(biāo)法（用于運動軌跡已知的質(zhì)點）正方向說明自然坐標(biāo)

S是代數(shù)量4.運動學(xué)方程(函數(shù))直角坐標(biāo)自然坐標(biāo)?描述物體運動狀態(tài)——速度、加速度?

運動疊加（合成）原理?確定物體運動軌跡——軌跡方程物理意義位矢法一質(zhì)點作勻速圓周運動，半徑為r，角速度為。O點為起始點，設(shè)t時刻質(zhì)點位于P（x,y）。位矢表示為以O(shè)

為自然坐標(biāo)原點，運動學(xué)方程為例1：解：求：用直角坐標(biāo)、位矢、自然坐標(biāo)表示的質(zhì)點運動學(xué)方程。直角坐標(biāo)表示的運動學(xué)方程為求：解：hx坐標(biāo)表示為例2：如圖所示，以速度v

用繩跨一定滑輪拉湖面上的船，已知繩初長l0，岸高h取坐標(biāo)系如圖依題意有質(zhì)點運動學(xué)的基本問題之一，是確定質(zhì)點運動學(xué)方程。為正確寫出質(zhì)點運動學(xué)方程，先要選定參考系、坐標(biāo)系，明確起始條件等，找出質(zhì)點坐標(biāo)隨時間變化的函數(shù)關(guān)系。O船的運動方程說明1-2位移速度加速度一、位移（Displacementvector）x

yzOPP’?

反映了物體運動中位置

（距離與方位）的變化。?討論：1.直角坐標(biāo)系中2.位移與參照物位置的變化無關(guān)3.與的區(qū)別OO’4.自然坐標(biāo)系O’PQs路程5.位移是矢量（有大小，有方向）,路程是標(biāo)量6.位移僅與始、終兩點有關(guān)，而與運動的細節(jié)無關(guān)一質(zhì)點以半徑R作勻速圓周運動，以圓心為原點，半個周期內(nèi)質(zhì)點位移的大小，位矢大小的增量為。例：二、速度(描述質(zhì)點位置變化快慢和方向的物理量)1.平均速度O(1)是矢量說明(3)由于位移與所起始時刻及間隔大小有關(guān)，所以談到平均速度時應(yīng)指明哪一時刻所取哪段時間內(nèi)的平均值。(4)位矢大小的變化對速度有貢獻，位矢方向的變化同樣對速度有貢獻。(5)它只能對時間內(nèi)質(zhì)點位矢隨時間變化的情況作一粗略描述。(2)直角坐標(biāo)系2.瞬時速度ABB’?速度的性質(zhì)：矢量性瞬時性相對性?速度與速率的區(qū)別B’’討論：?直角系：指向自然坐標(biāo)正的一側(cè)?自然坐標(biāo)系：方向大小方向?例1：質(zhì)點運動方程：求：1軌跡方程2到內(nèi)的3和時，質(zhì)點的瞬時速度解：yxo例2:

如圖，桿以角速度繞定點勻速轉(zhuǎn)動，端與重物用細繩連接，已知求:

當(dāng)時，的速度BMlACRr解：設(shè)在t

時刻，

運動學(xué)方程思考:已知求?答案二：先求出?答案一：先求出你認(rèn)為哪種方法是正確的？Why?一質(zhì)點作勻速圓周運動，半徑為r，角速度為。O點為起始點，設(shè)t時刻質(zhì)點位于P（x,y）。位矢表示為以O(shè)

為自然坐標(biāo)原點，運動學(xué)方程為例1：解：求：用直角坐標(biāo)、位矢、自然坐標(biāo)表示的質(zhì)點運動學(xué)方程。直角坐標(biāo)表示的運動學(xué)方程為求：解：hx坐標(biāo)表示為例2：如圖所示，以速度v

用繩跨一定滑輪拉湖面上的船，已知繩初長l0，岸高h取坐標(biāo)系如圖依題意有質(zhì)點運動學(xué)的基本問題之一，是確定質(zhì)點運動學(xué)方程。為正確寫出質(zhì)點運動學(xué)方程，先要選定參考系、坐標(biāo)系，明確起始條件等，找出質(zhì)點坐標(biāo)隨時間變化的函數(shù)關(guān)系。O船的運動方程說明1-2位移速度加速度一、位移（Displacementvector）x

yzOPP’?

反映了物體運動中位置

（距離與方位）的變化。?討論：1.直角坐標(biāo)系中2.位移與參照物位置的變化無關(guān)3.與的區(qū)別OO’一質(zhì)點以半徑R作勻速圓周運動，以圓心為原點，半個周期內(nèi)質(zhì)點位移的大小，位矢大小的增量為。例：4.自然坐標(biāo)系O’PQs路程5.位移是矢量（有大小，有方向），路程是標(biāo)量6.位移僅與始、終兩點有關(guān)，而與運動的細節(jié)無關(guān)二、速度(描述質(zhì)點位置變化快慢和方向的物理量)1.平均速度O(1)是矢量說明(3)由于位移與所起始時刻及間隔大小有關(guān)，所以談到平均速度時應(yīng)指明哪一時刻所取哪段時間內(nèi)的平均值。(4)位矢大小的變化對速度有貢獻，位矢方向的變化同樣對速度有貢獻。(5)它只能對時間內(nèi)質(zhì)點位矢隨時間變化的情況作一粗略描述。(2)直角坐標(biāo)系2.瞬時速度ABB’?速度的性質(zhì)：矢量性瞬時性相對性?速度與速率的區(qū)別B’’討論：?直角系：指向自然坐標(biāo)正的一側(cè)?自然坐標(biāo)系：方向大小方向?例1：質(zhì)點運動方程：求：1軌跡方程2到內(nèi)的3和時，質(zhì)點的瞬時速度解：yxo例2:

如圖，桿以角速度繞定點勻速轉(zhuǎn)動，端與重物用細繩連接，已知求:

當(dāng)時，的速度BMlACRr解：設(shè)在t

時刻，

運動學(xué)方程思考:已知求?答案二：先求出?答案一：先求出你認(rèn)為哪種方法是正確的？Why?三、加速度1.平均加速度2.瞬時加速度ABO它是描述速度矢量變化的物理量。變化：速度大小和方向隨時間變化。說明(1)加速度反映速度的變化（大小和方向）情況。(2)加速度的方向總是指向軌跡曲線凹的一面。(3)直角坐標(biāo)系(4)自然坐標(biāo)系第一項大小方向切向加速度意義反映速度大小的變化第二項法向加速度反映速度方向變化的快慢意義勻速圓周運動為例PQORs討論(1)

在一般情況下其中為曲率半徑，引入曲率圓后，整條曲線就可看成是由許多不同曲率半徑的圓弧所構(gòu)成?的方向指向曲率圓中心

(2)自然坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系的關(guān)系當(dāng)??思考題：拋體運動中的曲率半徑？yxoBC對B點：例1：如圖示，求速度大小與時間的關(guān)系解：

例2:

將光滑鋼絲彎成一豎直平面內(nèi)的曲線，一質(zhì)點可沿鋼絲向下滑動。已知，質(zhì)點運動的切向加速度為g重力加速度，為切向與水平方向夾角求：yxOgdydsP解：由題意知已知質(zhì)點運動方程為求：之間的路程。例3：解：質(zhì)點運動速度為速率為路程有

圓周運動的角量描述以及角量與線量之間的關(guān)系角位置（Angularposition）與角位移當(dāng)質(zhì)點圓周運動的角位移規(guī)定：右手法則確定的正負(fù)取值角速度（Angularvelocity）當(dāng)定義：質(zhì)點作圓周運動的角速度描述質(zhì)點轉(zhuǎn)動速率和轉(zhuǎn)動方向dPQooxPQy—質(zhì)點的圓周運動方程四、圓周運動角加速度角加速度＝角速度對時間的一階導(dǎo)數(shù)注意：角加速度方向與角速度變化量的方向相同oPoPoP角量與線量的關(guān)系Pod線位移與角位移的關(guān)系：速度與角速度的關(guān)系：大小：方向：由右手法則確定Pod加速度與角加速度的關(guān)系：例1：一質(zhì)點作半徑為的圓周運動，已知運動學(xué)方程為試求：1）當(dāng)時，質(zhì)點運動的切向加速度和法向加速2）當(dāng)時，質(zhì)點的加速度與半徑成角？解：

1）由已知條件，度以及加速度的大小?2）設(shè)時刻，質(zhì)點的加速度與半徑成角，則例2：

一質(zhì)點在水平面內(nèi)以順時針方向沿半徑為道運動。此質(zhì)點的角速度與運動時間的平方成正比，即——待定常數(shù)

已知質(zhì)點末的線速度為，求時質(zhì)點的線速度和線加速度？的圓形軌解：先確定常數(shù)一質(zhì)點沿半徑為R

的圓周運動,運動學(xué)方程為:其中都是常數(shù),例3：解：求：(2)加速度的大小等于b的時刻;(1)在t時刻質(zhì)點的加速度(3)加速度的大小等于b時,質(zhì)點沿圓周運行的圈數(shù)。(1)(2)(3)圈數(shù)為:位移路程速度加速度已知質(zhì)點運動方程為求：之間的路程。例3：解：質(zhì)點運動速度為速率為路程有

圓周運動的角量描述以及角量與線量之間的關(guān)系角位置（Angularposition）與角位移當(dāng)質(zhì)點圓周運動的角位移規(guī)定：右手法則確定的正負(fù)取值角速度（Angularvelocity）當(dāng)定義：質(zhì)點作圓周運動的角速度描述質(zhì)點轉(zhuǎn)動速率和轉(zhuǎn)動方向dPQooxPQy—質(zhì)點的圓周運動方程四、圓周運動角加速度角加速度＝角速度對時間的一階導(dǎo)數(shù)注意：角加速度方向與角速度變化量的方向相同oPoPoP角量與線量的關(guān)系Pod線位移與角位移的關(guān)系：速度與角速度的關(guān)系：大小：方向：由右手法則確定Pod加速度與角加速度的關(guān)系：例1：一質(zhì)點作半徑為的圓周運動，已知運動學(xué)方程為試求：1）當(dāng)時，質(zhì)點運動的切向加速度和法向加速2）當(dāng)時，質(zhì)點的加速度與半徑成角？解：

1）由已知條件，度以及加速度的大小?2）設(shè)時刻，質(zhì)點的加速度與半徑成角，則一質(zhì)點沿半徑為R

的圓周運動,運動學(xué)方程為:其中都是常數(shù),例2：解：求：(2)加速度的大小等于b的時刻;(1)在t時刻質(zhì)點的加速度(3)加速度的大小等于b時,質(zhì)點沿圓周運行的圈數(shù)。(1)(2)(3)圈數(shù)為:1-3質(zhì)點運動學(xué)的兩類問題——描述運動狀態(tài)的物理量——描述運動狀態(tài)變化的物理量（微分問題）（積分問題）例：初始條件（1）第一類問題（微分問題）：由運動學(xué)方程，求例1：

已知質(zhì)點的運動學(xué)方程為常數(shù)，解：討論：?結(jié)果表征加速度與速度反方向。?當(dāng)求質(zhì)點作減速運動，直至靜止。根據(jù)運動學(xué)方程，質(zhì)點速度隨時間變化例2：如圖示求小船靠岸過程中的hxlxyou解：答案:？方法1

建立運動學(xué)方程答案1:

直角坐標(biāo)系——運動學(xué)方程解：以坐標(biāo)圓點做小船的位矢，確定位移，再根據(jù)速度定義求解方法2

矢量分析hxlo（2）第二類問題（積分問題）由

以質(zhì)點的勻加速直線運動為引子：答案2:

求運動方程（＋初始條件）?v~t

關(guān)系

?x~t

關(guān)系

?v

~x

關(guān)系

例3：，小船以速度軌跡?垂直流xyou水方向向?qū)Π秳澣ァＧ螅盒〈倪\動d解：直角坐標(biāo)系中流速度為根據(jù)題意由速度定義，可得：已知河寬為d

,河水流速為(k為待定系數(shù)）小船的運動軌跡：yxou——