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新概念物理教程新概念物理教程力学力学赵凯华赵凯华 罗蔚茵罗蔚茵第一章第一章 质点运动学质点运动学主讲人：唐宗先主讲人：唐宗先 2005级硕级硕机械运动：宏观物体之间（或物体内各部分之间的相对位置变动（具有绝对性和相对性）。1.引言引言1.1 力学的研究对象力学的研究对象 物体的机械运动物体的机械运动力学力学运动学（怎么运动）运动学（怎么运动）动力学（为什么这样运动）动力学（为什么这样运动）静力学（平衡问题）静力学（平衡问题）1.2 质点质点理论方法：理论方法：对复杂的运动进行抽象提出物理模型研究物体 运动的基本规律基本规律。质点：质点：具有质量，没有大小、形状的理想物体。抽象条件抽象条件：物体运动过程中，物体的大小和形状对研究的问 题影响很小，可忽略不计。质点模型意义：质点模型意义：机械运动中，质点是最简单、最基本的单元易于描述和研究基本的运动规律复杂的物体可以看成是由许多质点组成的系统（即质点系）1.3 参考系和坐标系参考系和坐标系参考系：参考系：用来描述物体运动而选作参考的物体或物体系用来描述物体运动而选作参考的物体或物体系。选取原因：选取原因：机械运动的描述具有相对性相对性。同一物体的运动，由于参考系的选取不同，对他的运动描述也不同。例如：运动车厢中的落体运动。说明：参考系原则上可以任选。不同参考系中物体的运动形式 （如轨迹、速度等）可以不同。在情况允许下，应选择使 问题的处理尽量简化的参考系。常用参考系有地面参考系、地心参考系（地球 恒星参考系）、太阳参考系（太阳 恒 星参考系）、质心参考系。日心系日心系ZXY地心系地心系o讨论：讨论：初中物理教材里的参照物和高中、大学物理教材里 的参考系有何区别？为定量描述定量描述物体位置和运动，就必须在参考系上建立坐标系。原点定在参考系的一个固定点上。常用的有：直角坐标系，球坐标系，极坐标系等。坐标系坐标系直角坐标系(x,y,z)xyzx(r,)ryz球坐标系极坐标系极轴r(r,)坐标系实际上是由实物构成的参考系的数学抽象。时间时间是表征物质运动的持续性。通常采用能够重复出现的周重复出现的周期期现象来计量时间。时间计量的实物基准实物基准地球自转地球自转1956年，国际计量会议规定：1 平均太阳秒平均太阳日（）注：太阳日即太阳连续两次经过某处子午面的时间间隔，平均太阳日即全年太阳日的平均值。2.时间和空间的计量一时间的计量太阳系的各种运动中，能准确观测而足以用作时钟的有：太阳系的各种运动中，能准确观测而足以用作时钟的有：1.地球的自转 2.月球绕地球的公转2.3.木星和金星绕太阳的公转 4.木星的四个卫星绕木星的公转经过长时间观测，人们发现由于潮汐摩擦和信风等的影响，地球自转周期在逐渐变慢，并不是理想的时钟。左图为用铯钟监测到的地球自转周期几年内的变化情况。/ms1967年，国际计量会议上提出以铯原子的振动周期为计时基准，规定1秒等于铯秒等于铯133原子基态两个超精细原子基态两个超精细结构能级之间跃迁相应的辐射周期的结构能级之间跃迁相应的辐射周期的 9 192 631 770倍。倍。其跃迁频率测量的准确度可达10-12至10-13时间计量的自然基准自然基准：利用某些分子或原子的固有振动频率作为时间的计量基准。铯原子钟铯原子钟铯原子钟氢原子钟稳定度比铯原子钟高100倍，在数小时内频率变化不超过1015下图给出了自人类发明时钟以来400年时间内时间计量准确度改进的情况目前，时间是测量得最准确的一个基本量，其准确度可达10-12至10-13历史计时仪器历史计时仪器视太阳秒是指视太阳日的86400等分之一。平太阳秒是指平太阳日的86400等分之一。历书秒是指1900年1月0日12时的平太阳秒。原子秒是时间的基本国际单位，它的定义是：铯133原子基态的两个超精细能级间跃迁对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。它还是现行阳历的历秒。秒的多种定义：1767年开始使用格林威治视太阳秒。1834年开始使用格林威治平太阳秒。1960年开始使用历书秒。1958年1月1日0时，国际天文学界就建立了和第一个 原子时系统。1967年国际天文学界定义了原子秒。1969年建立了全球统一的原子时（IAT），采用了原子秒作为一秒的长度。计时的秒发展历史二长度的计量空间反映物质运动的广延性。空间中两点间的距离即为长度。空间中两点间的距离即为长度。历史上，将通过巴黎的子午线从北极到赤道之间的长度的千万分之一定义为米。长度计量的实物基准实物基准：1889年，第一届国际计量大会通过：将藏在法国的国际计量局中铂铱合金棒铂铱合金棒在0时，两条刻度线间的距离定义为米。长度的自然基准：自然基准：（1960 年第十一届国际计量大会）氪 86 原子的橙黄色波长来定义 “米”，规定“米”为 这种光的波长的1 650 763.73 倍，精度为4109。1983 年 10 月第十七届国际计量大会通过：“米”是光在真空中 1/299 792 458 秒的时间间隔内运行路程的长度。3.物质世界的层次和数量级物质世界的层次和数量级 由于实际需要，人们学会了数数。当数目大到10个手指不够用的时候，人们创造出了十进位记数法十进位记数法；当数目大得不便书写时，人们创造出一种“科学记数法科学记数法（scientific notation）”在科学记数法中指数相差1，即代表数目大10倍或小10倍，叫做一个“数量级数量级”为了方便，通常采用词头来代表一个单位得十进倍数或十进分数。如千(kilo),厘(centi)等，现在已有20个词头。见表12(p13)3.1 数量级的概念数量级的概念3.2 空间尺度空间尺度人们已研究的领域中，空间尺度跨越了42了数量级。在物理上把原子尺度的客体叫做微观系统微观系统，大小在人体尺度上下几个数量级范围之内的客体，叫做宏观系统宏观系统；微观系统和宏观系统最重要的区别是服从的物理规律不同。呈现出微观特征的宏观系统，叫做介观系统介观系统。如纳米材料。最大的动物（鲸）体长十米，即101m的数量级最大的植物（红杉树）高达百米以上，即102m的数量级最高的山（珠穆朗玛峰）高8.84km，即104m的数量级最深的海（马里亚纳海沟）深11.022km，也是104m的数量级鲸鲸红杉树红杉树珠穆朗玛峰珠穆朗玛峰马里亚纳海沟马里亚纳海沟空间尺度/m实物1026哈勃半径109太阳的半径104珠穆朗玛峰高度101鲸的体长1人的身高10-3一颗细砂粒10-5细菌10-8大分子10-10原子半径10-15原子核、质子和中子10-18电子和夸克部分物质世界的空间尺度部分物质世界的空间尺度 3.3 时标时标宇宙间各种事物的时标跨越了4344个数量级（从1025s 到 1018s）时间尺度/s实物运动的周期、寿命或半衰期1018宇宙寿命1017太阳和地球的年龄，238U的半衰期1016太阳绕银河中心运动的周期1011226Ra的半衰期109哈雷彗星绕太阳运动的周期107地球公转周期104地球自转周期103中子寿命1脉冲星周期10-3声振动周期10-6子寿命10-8+-介子寿命10-12分子转动周期10-14原子振动周期10-15可见光10-25中间玻色子Z0部分物质世界的时间尺度部分物质世界的时间尺度