大學物理力學課件

大學物理力學物理力學是一門基礎性的課程,涉及廣泛、深入地解答了自然界中的各種基本力學現(xiàn)象。通過學習這門課程,學生能夠了解和應用力學原理,為后續(xù)更深入的物理學研究奠定基礎。力學的宗旨與基本概念1理解自然界運動規(guī)律力學研究自然界中各種運動現(xiàn)象的規(guī)律性,如物體的平衡、運動軌跡、速度變化等。2創(chuàng)造改變自然的能力掌握力學原理,人類能設計并制造各種機械設備,改變和利用自然界的力量。3指導實踐活動力學理論可以應用于生產(chǎn)實踐,幫助我們預測和控制各種運動過程,提高工作效率。4培養(yǎng)科學思維研究力學有助于培養(yǎng)嚴謹?shù)倪壿嬎季S和實證求證的科學態(tài)度。運動學基礎1物體位置描述物體在空間中的位置,使用坐標系進行定量表示。2速度與加速度速度描述物體的運動速率,加速度描述速度的變化率。3位移、速度、加速度三者之間存在數(shù)學關系,可用于分析和預測物體的運動。牛頓運動定律慣性定律物體將以等速直線運動,除非受到外力作用。這就是慣性定律,告訴我們物體的狀態(tài)不會自行改變。力學定律物體的加速度與作用在物體上的合外力成正比,與物體質(zhì)量成反比。這個定律可以用來分析物體的運動。作用力反作用力物體與物體之間的相互作用遵循作用力=反作用力的定律。這反映了物體間相互影響的基本規(guī)律。質(zhì)點運動質(zhì)點運動是力學研究的基礎之一。質(zhì)點是一種理想化的物體,它具有質(zhì)量但忽略了尺寸和形狀。研究質(zhì)點運動可以幫助我們理解更復雜的剛體和粒子系統(tǒng)的運動規(guī)律。通過分析質(zhì)點的位移、速度和加速度等基本運動參數(shù),我們可以建立數(shù)學模型來描述質(zhì)點的運動情況,為后續(xù)的動力學分析奠定基礎。剛體運動剛體運動是指一個物體完整地沿任意方向發(fā)生位移和旋轉(zhuǎn)的運動形式。它不會發(fā)生形變或內(nèi)部運動。剛體運動包括平移、旋轉(zhuǎn)和滾動等多種模式,常見于機械、航空航天等領域的研究和應用。了解剛體運動規(guī)律對于設計和優(yōu)化機器系統(tǒng)至關重要。剛體運動可分為純平移、純旋轉(zhuǎn)和平移加旋轉(zhuǎn)等情況。我們需深入學習每種運動的特點、運動學方程和動力學特征,掌握剛體運動的基本原理。功和能量定理功的定義功是物體在受力作用下位移產(chǎn)生的標量物理量。它表示力對物體做功的大小。能量定理能量定理指出，一個系統(tǒng)的總能量等于該系統(tǒng)內(nèi)各種形式能量之和。能量可以相互轉(zhuǎn)換而保持定值。機械能定理機械能定理說明了機械能的守恒性。在沒有非保守力作用的情況下,一個物體的機械能保持不變。保守力系統(tǒng)能量守恒在保守力系統(tǒng)中，總能量保持不變，能量可以相互轉(zhuǎn)換卻不會丟失。勢能物體在保守力場中所具有的位置能被稱為勢能，它是力場做功的能力。功和能在保守力系統(tǒng)中，力場做的功等于勢能的變化量，遵循功-能定理。動量及動量定理動量(momentum)物體質(zhì)量與速度的乘積動量定理力與時間的積分等于動量變化量動量守恒定律封閉系統(tǒng)內(nèi)總動量恒定動量是質(zhì)量與速度的乘積,反映了物體運動的量度。動量定理描述了力對動量變化的影響,動量守恒定律則表明在封閉系統(tǒng)中總動量是保守的。這些定律體現(xiàn)了力學的基本規(guī)律,在諸多應用中發(fā)揮重要作用。碰撞1彈性碰撞動量和動能都保持不變2非彈性碰撞動量保持不變,但動能損失3完全非彈性碰撞碰撞后形成一個整體,動量和動能都發(fā)生改變碰撞是一種短暫而劇烈的相互作用過程。碰撞過程中,參與碰撞的物體會發(fā)生動量和動能的轉(zhuǎn)換。不同類型的碰撞具有不同的特點,可以用來分析和理解許多物理現(xiàn)象。重力勢能定義重力勢能是物體受重力作用時所具有的潛在能量。它是物體質(zhì)量與重力加速度乘積的函數(shù)。公式重力勢能的公式為U=m×g×h，其中m為物體質(zhì)量，g為重力加速度，h為物體位置高度。應用重力勢能在日常生活和工程技術中廣泛應用,如水力發(fā)電、重力儲能系統(tǒng)等。了解重力勢能有助于解釋許多力學現(xiàn)象。保守力特性重力場中的重力勢能具有保守力特性,即物體位置變化時,勢能變化量與力的功等同。簡諧運動簡諧振動簡諧振動是一種周期性的往復運動,其位移隨時間呈正弦或余弦變化。這種運動常見于多種物理系統(tǒng),如質(zhì)點受到線性恢復力作用時的振動。彈簧振動質(zhì)點通過彈簧與固定物體相連時,會發(fā)生單純的簡諧振動。彈簧的線性恢復力使質(zhì)點產(chǎn)生周期性往復運動。簡諧振子簡諧振子是一種理想化的物理模型,可用于描述各種簡諧振動現(xiàn)象。它由質(zhì)點和線性恢復力組成,是理解機械振動的基礎。旋轉(zhuǎn)運動旋轉(zhuǎn)運動是物體沿圓形路徑或曲線路徑移動的一種特殊運動形式。它有著豐富的內(nèi)涵和廣泛的應用,包括天體運動、汽車駕駛、輪子轉(zhuǎn)動等。理解旋轉(zhuǎn)運動的規(guī)律,對于分析和預測各類旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運動特性至關重要。主要涉及概念包括角速度、角加速度、角動量、轉(zhuǎn)動慣量等,以及相關定律如剛體旋轉(zhuǎn)定律、動量定理等。掌握這些基本知識,能更好地解決實際工程問題。轉(zhuǎn)動動量定理轉(zhuǎn)動動量的概念轉(zhuǎn)動動量是物體繞某軸旋轉(zhuǎn)時具有的動量。它是物體質(zhì)量、速度和距離軸的距離的乘積。轉(zhuǎn)動動量定理轉(zhuǎn)動動量定理說明了外力矩對轉(zhuǎn)動動量的作用規(guī)律。它表明外力矩的積分等于轉(zhuǎn)動動量的變化量。應用舉例轉(zhuǎn)動動量定理廣泛應用于機械、航空、航天等領域,如分析飛機和火箭的轉(zhuǎn)動運動。慣性力和離心力慣性力物體正在勻速直線運動時,受到外力作用而改變運動狀態(tài)所產(chǎn)生的阻力,即為慣性力。離心力物體在曲線運動時,由于慣性而向遠離曲線中心的方向作用的力,即為離心力。離心加速度物體在圓周運動時,其離心加速度始終垂直于運動方向,指向圓心。機械變能1能量的形式各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換2機械能包括勢能和動能3機械變能能量形式的改變和轉(zhuǎn)化機械能是一種重要的能量形式,它能夠在保守力系統(tǒng)中不斷轉(zhuǎn)化。在實際過程中,機械能可以轉(zhuǎn)化為熱能、電能、化學能等其他形式的能量。這種能量形式的改變和轉(zhuǎn)化過程就是機械變能。了解機械變能的規(guī)律對工程實踐有重要意義。功率1W功率單位瓦特(W)是最常用的功率單位100W家用電器大多數(shù)家用電器功率在100W左右15000W工業(yè)機器大型工業(yè)設備可達15千瓦的功率1GW發(fā)電機發(fā)電機組可達到千兆瓦的功率功率是物體單位時間內(nèi)做功的能力，是動力學的重要物理量。它反映了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換速率。功率的單位是瓦特(W)，表示1焦耳每秒。從微小的家用電器到龐大的工業(yè)機器設備都有各自的功率等級。而現(xiàn)代發(fā)電廠的發(fā)電機組功率通常能達到千兆瓦級別。平衡條件1靜力學平衡物體處于平衡狀態(tài)時,各作用于物體上的力的合力和力矩均為零。2平衡方程根據(jù)牛頓第一定律,可以建立平衡方程來描述物體的平衡狀態(tài)。3方程求解通過解平衡方程,可以求出物體各點的力和力矩,并判斷其是否處于平衡狀態(tài)。4應用舉例平衡條件廣泛應用于靜力學分析,如結(jié)構力學、機械設計等領域。靜力學平衡條件靜力學研究物體在靜止狀態(tài)下受力及平衡條件。物體處于平衡時，所有外力的合力和合力矩均為零。這里包括支持力、張力、摩擦力等各種作用力的平衡條件。力矩分析確定物體平衡時各種力的大小和方向非常關鍵。需要運用力矩分析法來求解平衡問題，找出力的作用點和施加方向。摩擦力干摩擦力干摩擦力是兩個接觸表面之間的切向力,阻礙相對運動。它取決于接觸面粗糙度、表面材料以及垂直于表面的壓力。液體摩擦力液體摩擦力是液體內(nèi)部分子間的內(nèi)摩擦力,造成流體的黏滯性。它取決于流體的粘度和流速,體現(xiàn)在流體流動的阻力。滾動摩擦力滾動摩擦力是物體在接觸面上滾動時產(chǎn)生的阻力。它遠小于相同情況下的滑動摩擦力,常用于設計輪子、滾珠等部件。流體靜力學靜水壓力流體在容器中的壓力與深度成正比,這一規(guī)律被稱為靜水壓力定律。這一定律廣泛應用于水利工程和機械設計中。浮力原理被浸沒在流體中的物體會受到向上的浮力作用,其大小等于物體所占據(jù)的流體質(zhì)量乘以重力加速度。這就是阿基米德原理。流體平衡條件對于靜止的流體來說,其壓力在任何方向都是相同的。只有當各個方向的壓力達到平衡時,流體才能保持靜止狀態(tài)。流體動力學1流體流動流體在動力作用下發(fā)生流動的基本定律2伯努利定理描述流體流動中壓強、速度和勢能之間的關系3阻力分析分析流體運動過程中的各種阻力及其影響因素4應用實例探討流體動力學在航空、航海等領域的實際應用流體動力學是研究流體在各種作用力下的運動狀態(tài)及其規(guī)律的分支科學。它涉及流體流動的基本定律、壓強與速度的關系、流阻特性及其影響因素等內(nèi)容。流體動力學理論在航空航天、造船和水利工程等領域廣泛應用?？率狭Φ厍蜃赞D(zhuǎn)柯氏力是由于地球自轉(zhuǎn)而引起的一種慣性力,會影響物體在地球表面的運動。航行方向柯氏力會導致在北半球上移動的物體向右偏轉(zhuǎn),在南半球上移動的物體向左偏轉(zhuǎn)。氣象現(xiàn)象柯氏力在氣象學中扮演重要角色,影響著氣流流動和氣旋的形成。相對論力學基礎時空描述相對論力學從時空四維視角探究物理系統(tǒng)的運動規(guī)律，超越了牛頓力學的固有觀點。質(zhì)量-能量關系質(zhì)量與能量存在轉(zhuǎn)化關系，由著名的E=mc2公式描述。這一發(fā)現(xiàn)推動了現(xiàn)代物理學的發(fā)展。時間膨脹與長度收縮參考系的相對運動會導致時間和空間的相對變化，引發(fā)了對時空概念的全新認知。量子力學基礎1波粒二重性量子力學揭示了微觀粒子同時具有粒子和波動特性的奇特性質(zhì)。2概率解釋量子系統(tǒng)的狀態(tài)用波函數(shù)描述,其平方代表粒子出現(xiàn)的概率分布。3測不準原理量子系統(tǒng)中,某些物理量的測量會互相影響,給出一定的不確定性。4量子隧穿效應粒子可通過能量屏障而不受經(jīng)典力學規(guī)律約束,體現(xiàn)量子世界的獨特性。理解力學在各領域的應用力學是研究物體運動及其相互作用的基礎科學。它的理論和方法被廣泛應用于工程技術、航天航空、醫(yī)學生物、經(jīng)濟金融等諸多領域。力學在現(xiàn)代社會發(fā)展中起著至關重要的作用。從宏觀的機械運動到微觀的原子粒子行為,從刀槍劍戟到現(xiàn)代高科技產(chǎn)品,力學都是其中必不可少的基礎?？茖W家不斷探索力學在新領域的應用,推動著人類文明的進步。力學研究的發(fā)展歷程1古希臘時期亞里士多德等學者開創(chuàng)了力學基礎理論2牛頓時代牛頓提出了三大運動定律，奠定了經(jīng)典力學體系320世紀初愛因斯坦提出相對論,引發(fā)了力學新格局4量子時代量子力學的發(fā)展徹底顛覆了傳統(tǒng)力學思維力學作為一門基礎科學,已有數(shù)千年的發(fā)展歷史。從亞里士多德到牛頓,再到愛因斯坦和量子力學,力學理論不斷完善和創(chuàng)新,推動了科學技術的進步。這一路上,力學不僅在本身范疇內(nèi)發(fā)展,也逐漸滲透到社會的各個領域。常見力學問題及解決方法牛頓運動定律應用利用牛頓三大運動定律可以解決很多常見的力學問題,如物體的加速度計算、受力分析、平衡條件等。動量守恒應用動量守恒定律在碰撞問題、脫離問題、噴氣推進等方面得到廣泛應用,可以分析物體的速度變化。能量分析方法利用功-能量定理可以分析系統(tǒng)的能量變化,解決涉及功、能量、機械效率等問題。剛體運動分析利用剛體平移和旋轉(zhuǎn)的運動學與動力學分析方法,可以解決各種剛體運動的實際問題。課程總結(jié)與思考全面總結(jié)知識回顧本課程所學的各種力學概念和定律,深入理解它們的內(nèi)在聯(lián)系和應用場景。思考實際問題結(jié)合自身經(jīng)驗,思考如何運用力學知識解決實際工程和生活中遇到的各種問題。展望未來發(fā)展探討力學研究的最新進展,思