大學(xué)物理第一章.ppt

1、1,大學(xué)物理課,Welcome,2,緒 論,自然科學(xué)：,Physis,古希臘文中意為“自然”.,一.物理學(xué)的研究對(duì)象:,在歐洲古代,物理學(xué),自然科學(xué)的總稱,物理學(xué)是研究物質(zhì)最一般的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科.,數(shù)學(xué),物理,化學(xué)，,生物學(xué),天文學(xué),地學(xué)。,physics,運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的根本屬性.,時(shí)間和空間是運(yùn)動(dòng)物質(zhì)存在的形式.,3,高速物體運(yùn)動(dòng)： 相對(duì)論力學(xué),經(jīng)典,近代,物理學(xué)的最大特點(diǎn)：,二.為什么要學(xué)習(xí)大學(xué)物理,機(jī)械運(yùn)動(dòng)： 力學(xué),分子熱運(yùn)動(dòng)： 分子運(yùn)動(dòng)理論，熱力學(xué),電磁運(yùn)動(dòng)： 電磁學(xué)，光學(xué),微觀粒子運(yùn)動(dòng)： 原子物理學(xué),量子物理學(xué),實(shí)驗(yàn)科學(xué),4,物理學(xué)不僅是一門實(shí)用科學(xué),它是作為現(xiàn)代文化的不

2、可或缺的組成部分而進(jìn)入近代教育的.,當(dāng)代素質(zhì)教育中的核心內(nèi)容的主體部分:,1. 物理,科學(xué)素質(zhì)教育基石是,物理素質(zhì),當(dāng)代人有教養(yǎng)的標(biāo)志：,物理學(xué)是現(xiàn)代工程師所必備的核心知識(shí)系統(tǒng),萬(wàn)物之理,不僅要知道莎士比亞，更要知道愛(ài)因斯坦.,現(xiàn)代的高新技術(shù)都是從近代物理中開發(fā)出來(lái)的,素質(zhì),5,也是高新技術(shù)的生長(zhǎng)點(diǎn) 經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)點(diǎn) 新理性的升點(diǎn) 基礎(chǔ)知識(shí)并沒(méi)有爆炸,物理學(xué)是工程師的科學(xué)靈魂,文明教養(yǎng) 素質(zhì),近代人類的文明分成三部分: 科學(xué) 技術(shù) 人文 交叉點(diǎn)即為創(chuàng)造性的生長(zhǎng)點(diǎn),現(xiàn)代文明觀大文化觀,科學(xué)和技術(shù) 人文與科學(xué)技術(shù) 物理學(xué)和高技術(shù),近代物理學(xué)是當(dāng)代工程師的科學(xué)靈魂,地球是按照物理規(guī)律旋轉(zhuǎn)的!,離開物理地

3、球就不轉(zhuǎn)了嗎？,為什么轉(zhuǎn)?怎么轉(zhuǎn)?,何時(shí)不轉(zhuǎn)?,7,2. 學(xué)習(xí)探索世界的一般方法,觀察. 記錄. 建立物理模型. 較精確的量化數(shù)學(xué)表達(dá)式,重復(fù)驗(yàn)證公認(rèn)學(xué)說(shuō),3. 開闊視野,To know everything about,可以不懂,但不能不知道!,Understanding science,nothing !,定量化,精性確,可重復(fù)性,理論預(yù)言,實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等,作為科學(xué)方法規(guī)范 引入自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域,8,教材,2 電子課件授課, 如何記筆記? 課程網(wǎng)站 (http:/ ) 課件下載.,3 教學(xué)環(huán)節(jié): 授課,習(xí)題課, 答疑, 考試.,4 自學(xué): 做習(xí)題, 借參考書， 階段總結(jié).,5 作業(yè)要求:,訓(xùn)

4、練表達(dá)能力,提高科技素養(yǎng).,6 參考書目:,三.課程特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法：,1 內(nèi)容多，進(jìn)度快 （128學(xué)時(shí)),準(zhǔn)確,嚴(yán)謹(jǐn),認(rèn)真,精煉,DIY absolutely !,大學(xué)物理學(xué) 張三慧主編 清 華 大 學(xué),習(xí)題討論課指導(dǎo)(上,下) 清 華 大 學(xué),課代表,9,力 學(xué) 研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科,經(jīng)典力學(xué) 相對(duì)論力學(xué) 量子力學(xué),機(jī)械運(yùn)動(dòng) 物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式中最簡(jiǎn)單、最基本的運(yùn)動(dòng)形式,第一篇 力 學(xué),10,運(yùn)動(dòng)學(xué)從幾何觀點(diǎn)來(lái)研究和描述物體運(yùn)動(dòng)物體的位置隨時(shí)間的變化規(guī)律，即研究物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，而不考慮導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的原因。,從客觀實(shí)際中抽象出來(lái)的、具有質(zhì)量而沒(méi)有大小和形狀的理想模型。,物體能否被看作

5、質(zhì)點(diǎn)，主要決定所研究問(wèn)題的性質(zhì)。,一 質(zhì) 點(diǎn),第一章 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué),1.1 質(zhì)點(diǎn) 參考系 運(yùn)動(dòng)方程,11,A 運(yùn)動(dòng)描述的相對(duì)性,A 直角坐標(biāo)系,1. 參考系: 定性描述物體運(yùn)動(dòng)而選作參考的物體,2. 坐標(biāo)系: 固定在參考系上，定量描述空間位置的有次序的一組數(shù)。,B 參考系選擇是任意的,B 極坐標(biāo)系,C 自然坐標(biāo)系,二 參考系和坐標(biāo)系,12,A 坐標(biāo)法： 直角坐標(biāo)系 P (x, y, z),3. 確定質(zhì)點(diǎn)位置的幾種方法:,質(zhì)點(diǎn)的位置隨時(shí)間t 變化，是 t 的單值連續(xù)函數(shù).,又稱運(yùn)動(dòng)函數(shù)(方程)的分量式.,B 位置矢量法：,C 自然坐標(biāo)法： S,在直角坐標(biāo)系中：,三 空間和時(shí)間,四 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的矢量描

6、述 運(yùn)動(dòng)方程,事件,時(shí),空坐標(biāo) P ( x, y, z, t ),.o,.P,弧長(zhǎng) S,13,用位置矢量 表示時(shí),用自然坐標(biāo) 表示時(shí)：,.p,x,y,z,o,(x,y,z, ),運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,t,（函數(shù)）,14,解：建立直角坐標(biāo)系xoy并確定計(jì)時(shí)起始時(shí)刻：,例：一個(gè)質(zhì)點(diǎn)作勻速率圓周運(yùn)動(dòng)，圓周半徑為r，角速度為 ，試分別寫出直角坐標(biāo)、位矢、自然坐標(biāo)法表示的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)函數(shù).,15,A(t),B(t+,o,z,x,y,t),D,一 位 移,描述質(zhì)點(diǎn)空間位置變化的矢量,考慮時(shí)間間隔,1.2 位移 速度 加速度,16,注意：,1. 矢量性 2. 相對(duì)性,一般 ；,位移只決定于始末位置，與路程無(wú)關(guān)，狀態(tài)量；

7、,路程是實(shí)際通過(guò)的路徑長(zhǎng)度，是標(biāo)量，過(guò)程量。,3. 位移與路程是不同概念,方向:,方向余弦,17,在t 內(nèi),1. 平均速度,2. 瞬時(shí)速度,在直角坐標(biāo)系中:,二 速 度,描述質(zhì)點(diǎn)位置變化地快慢和方向的矢量,velocity,18,平均速度,的極限方向,切線方向!,19,3. 平均速率與瞬時(shí)速率,瞬時(shí)速率,反映質(zhì)點(diǎn)在 內(nèi)在路程 上平均移動(dòng)的快慢.,平均速率:,speed,20,4. 瞬時(shí)速度的大小與瞬時(shí)速率的關(guān)系,瞬時(shí)速度的大小等于瞬時(shí)速率.,21,1. 平均加速度:,2. 瞬時(shí)加速度:,A,B,o,z,x,y,是矢量，其方向?yàn)?的方向。,三 加速度,描寫運(yùn)動(dòng)速度的大小與方向的變化。,22,注意

8、：,1. 瞬時(shí)加速度是矢量，精確反映速度變化的大小及速度的方向。,2. 的方向：,當(dāng) 的極限方向即 的方向。,當(dāng)質(zhì)點(diǎn)作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)， 的方向總是指向軌跡曲線凹的一面，與同一時(shí)刻速度 的方向一般是不同的。,3. 的大小,23,4. 在直角坐標(biāo)系中， 的分量式,5. 的相對(duì)性 ： 與參考系的選擇有關(guān)。,24,例: A、B兩物體由一長(zhǎng)為l的剛性細(xì)桿相連，兩物體可在光滑軌道上滑行。如物體A以恒定的速率v 向左滑行，當(dāng) =60 時(shí)，物體B的速度為多少？,解 選圖示坐標(biāo)，物體A的速度為,物體B的速度為,25,26,例：已知質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程：,求：,(1) 時(shí)間t =02s 的位移和路程,解: (1),P,Q,請(qǐng)

9、記筆記！,(2) t =2s 時(shí),27,(2),對(duì)弧長(zhǎng)的曲線積分,28,說(shuō)明：,1. 無(wú)阻力拋體運(yùn)動(dòng)可看成沿x軸向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和沿y軸的勻變速直線運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)疊加而成運(yùn)動(dòng)疊加原理。,2.,若已知加速度而求速度或運(yùn)動(dòng)方程，在數(shù)學(xué)運(yùn)算上為積分。,運(yùn)動(dòng)學(xué)中的 第一類問(wèn)題。,由運(yùn)動(dòng)方程，求速度或加速度在數(shù)學(xué)運(yùn)算上為求導(dǎo),運(yùn)動(dòng)學(xué)的第二類問(wèn)題,29,例: 一質(zhì)點(diǎn)由靜止開始作直線運(yùn)動(dòng)，初始加速度為a0，以后加速度均勻增加，每經(jīng)過(guò)秒增加a0，求經(jīng)過(guò)t 秒后質(zhì)點(diǎn)的速度和運(yùn)動(dòng)的距離。,解：據(jù)題意知，加速度和時(shí)間的關(guān)系為：,(直線運(yùn)動(dòng)中可用標(biāo)量代替矢量）,若由定積分,變加速運(yùn)動(dòng),0,t,30,應(yīng)用定積分較

10、好 !,t,0,0,x,31,例：設(shè)質(zhì)點(diǎn)沿x軸作直線運(yùn)動(dòng)，a =2t，t =0時(shí) x0=0，v0=0 試求: t =2s 時(shí)質(zhì)點(diǎn)的速度和位置。,解：加速度a不是常量，將a =2t 寫成 ：,對(duì)兩邊積分：,把 t =2s分別代入(1)、(2)得：,當(dāng)把(1),(2)式中t 消去，還可得：,記筆記！,32,例：一質(zhì)點(diǎn)作沿x軸運(yùn)動(dòng)，已知：,解：由：,應(yīng)用微分變換：,“-”舍去,注意:當(dāng)已知a(v)時(shí)，也可采用此方法.,33,例: 設(shè)質(zhì)點(diǎn)在xoy鉛垂平面內(nèi)作無(wú)阻力拋體運(yùn)動(dòng) 試求: 質(zhì)點(diǎn)的速度與時(shí)間t 的關(guān)系和質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程.,解: 建立坐標(biāo)系，由題設(shè)：,并由初始條件：,34,由(1)式積分并代入上下限

11、:,當(dāng)t0=0,則有:,即可得速度分量與時(shí)間的關(guān)系.,再由(2)式,35,積分得:,若t0=0并消去t，可得：,表明質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為拋物線.,36,1.3 相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng),37,“以圓代曲”,切向,法向,瞬時(shí)圓周運(yùn)動(dòng),1.4 圓周運(yùn)動(dòng)及其描述,38,圓周運(yùn)動(dòng)是曲線運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要特例,t 時(shí)刻 A點(diǎn):,方向改變量,大小改變量,A,B,O,一 切向加速度和 法向加速度,t +t 時(shí)刻 B點(diǎn):,圓周運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的速度大小變化.,變速率圓周運(yùn)動(dòng),39,切向加速度：,切向加速度的大小在數(shù)值上等于,法向加速度：,的方向?yàn)?切線方位,方向 指向圓心,與該點(diǎn)速度同向或反向,且,瞬時(shí)速率對(duì)時(shí)間的變化率.,40,注意：

12、,1. 只反映速度大小的變化.,表示兩矢量的模(大小)的差。,在曲線運(yùn)動(dòng)中，矢量的模的差,2. 推廣至一般平面曲線運(yùn)動(dòng), ：曲率半徑。,矢量差的模,41,切向加速度的大小,法向加速度的大小,3.矢量運(yùn)算的結(jié)果,42,角速度矢量滿足右手系.,43,角位移：,角速度：,角加速度：,三 線量與角量之間的關(guān)系,二 圓周運(yùn)動(dòng)的角量描述,44,解：t =0時(shí)，任意點(diǎn)M與O重合,用自然法表示M點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：,(指切線正向),例: 一半徑為R的滑輪可繞水平軸 O1轉(zhuǎn)動(dòng)，輪邊緣,求: 輪緣上任意點(diǎn)M在時(shí)刻 t 的速度和加速度.,繞有系重物的繩。已知:重物的運(yùn)動(dòng)方程,45,46,例: 質(zhì)點(diǎn)作平面曲線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)

13、方程為,（SI）,求 (1) t =1s時(shí)，切向及法向加速度; (2) t =1s時(shí)，質(zhì)點(diǎn)所在點(diǎn)的曲率半徑.,解: 1. 方法一,47,2.方法二:,同向或反向,48,例: 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在7.0s內(nèi)由200r/min均勻地增加到3000r/min.試求:,(1)這段時(shí)間的角加速度;,(2)這段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度;,(3)發(fā)動(dòng)機(jī)軸上有r =0.2m的飛輪求它的 邊緣上一點(diǎn)在第7.0s末的切向,法向和總加速度.,解: (1)對(duì)于勻角加速度,平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)類比,均勻,49,(2)轉(zhuǎn)過(guò)的角度,=186 (圈),(3)切向加速度,法向加速度,總加速度,總加速度與切向加速度的夾角,50,例:一電子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)方程為:,(1) 計(jì)算并圖示電子運(yùn)動(dòng)的軌跡;,(2) 寫出t=1s和t=2s時(shí)的位矢.并求這1秒內(nèi)的平均速度;,(3)計(jì)算t=1s時(shí)電子的切向加速度、法向加速度及軌道上該點(diǎn)的曲率半徑;,(4) 什么時(shí)刻電子的位矢與其速度矢量恰好垂直;,(5) 什么時(shí)刻電子離原點(diǎn)最近?,解:(1) t=x/3, 代入 y 中得：,(2) t =1s,t= 2s,51,(3)求: an , at , :,(4)當(dāng)：,此時(shí)位矢與速度垂直.,(5),(4