大学物理 第一章－1.ppt

《大学物理 第一章－1.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理 第一章－1.ppt（38页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、一一.什么是物理学什么是物理学l 物理学物理学是研究物质世界最基本形态的科学是研究物质世界最基本形态的科学l 物理学研究的范围物理学研究的范围 物质世界的层次和数量级物质世界的层次和数量级物理学物理学 (Physics)质子质子 10-15 m空间尺度：空间尺度：物物 质质 结结 构构物质相互作用物质相互作用物质运动规律物质运动规律微观粒子微观粒子Microscopic介观物质介观物质mesoscopic宏观物质宏观物质macroscopic宇观物质宇观物质cosmological类星体类星体 10 26 m时间尺度：时间尺度：基本粒子寿命基本粒子寿命 10-25 s宇宙寿命宇宙寿命 1018

2、 sE-15E-12E-09E-06E-031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+28最小最小 的的细胞细胞原子原子原子核原子核基本粒子基本粒子DNA长度长度星系团星系团银河系银河系最近恒最近恒星的距离星的距离太阳系太阳系太阳太阳山山哈勃半径哈勃半径超星系团超星系团人人蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次物物理理现现象象 按空间尺度划分：按空间尺度划分：量子力学量子力学 经典物理学经典物理学 宇宙物理学宇宙物理学 按速率大小划分：按速率大小划分：相对论物理学相对论物理学 非相对论物理学非相对论物理学 按客体大小划分：

3、按客体大小划分：微观系统微观系统 宏观系统宏观系统 按运动速度划分：按运动速度划分：低速现象低速现象 高速现象高速现象 实验实验物理物理理论理论物理物理计算计算物理物理今日物理学今日物理学l 物理学的发展物理学的发展 牛顿力学牛顿力学(Mechanics)研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律 电磁学电磁学(Electromagnetism)研究电磁现象、物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律研究电磁现象、物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律 热力学热力学(Thermodynamics)研究物质热运动的统计规律及其宏观表现研究物质热运动的统计

4、规律及其宏观表现 相对论相对论(Relativity)研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律 量子力学量子力学(Quantum mechanics)研究微观物质运动现象以及基本运动规律研究微观物质运动现象以及基本运动规律二二.物理学的五大基本理论物理学的五大基本理论物理学是一门最基本的科学物理学是一门最基本的科学;是最古老、但发展最是最古老、但发展最快的科学快的科学;它提供最多、最基本的科学研究手段。它提供最多、最基本的科学研究手段。l 物理学是一切自然科学的基础物理学是一切自然科学的基础l 物理学派生出来的分支及交叉学科物理学派生出来的分支及交叉

5、学科物理学构成了化学、生物学、材料科学、物理学构成了化学、生物学、材料科学、地球物理学等学科的基础，物理学的基本地球物理学等学科的基础，物理学的基本概念和技术被应用到所有自然科学之中概念和技术被应用到所有自然科学之中。l 物理学与数学之间有着深刻的内在联系物理学与数学之间有着深刻的内在联系粒粒子子物物理理学学原原子子核核物物理理学学原原子子分分子子物物理理学学固固体体物物理理学学凝凝聚聚态态物物理理学学激激光光物物理理学学等等离离子子体体物物理理学学地地球球物物理理学学生生物物物物理理学学天天体体物物理理学学宇宇宙宙射射线线物物理理学学三三.物理学是构成自然科学的理论基础物理学是构成自然科学的

6、理论基础四四.物理学与技术物理学与技术2020世纪，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科世纪，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科 热机的发明和使用，提供了第一种模式：热机的发明和使用，提供了第一种模式：电气化的进程，提供了第二种模式：电气化的进程，提供了第二种模式：核能的利用核能的利用激光器的产生激光器的产生层析成像技术层析成像技术(CT)(CT)超导电子技术超导电子技术技术技术 物理物理 技术技术物理物理 技术技术 物理物理 粒子散射实验粒子散射实验X 射线的发现射线的发现受激辐射理论受激辐射理论低温超导微观理论低温超导微观理论电子计算机的诞生电子计算机的诞生 1947年年

7、 贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克来发明了贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克来发明了晶体管晶体管，标志着，标志着信息时代信息时代的开始的开始 1962年年 发明了发明了集成电路集成电路 70年代后期年代后期 出现了出现了大规模集成电路大规模集成电路 1925 26年年 建立了建立了量子力学量子力学 1926年年 建立了建立了费米费米狄拉克统计狄拉克统计 1927年年 建立了建立了布洛赫波的理论布洛赫波的理论 1928年年 索末菲提出索末菲提出能带能带的猜想的猜想 1929年年 派尔斯提出派尔斯提出禁带禁带、空穴空穴的概念的概念 同年贝特提出了同年贝特提出了费米面费米面的概念的概念 1957年年 皮帕

8、得皮帕得测量测量了了第一个费米第一个费米面面超超晶格材料晶格材料纳米材料纳米材料光子晶体光子晶体晶体管的发明晶体管的发明大规模集成电路大规模集成电路电子计算机电子计算机信息技术与工程信息技术与工程 几乎所有的重大几乎所有的重大(高高)新技术领域的创立，事先都在物理学中新技术领域的创立，事先都在物理学中经过长期的酝酿。经过长期的酝酿。当今物理学和科学技术的关系当今物理学和科学技术的关系两两种种模模式式并并存存，相相互互交交叉叉，相相互互促促进进“没有昨日的基础科学就没有今日没有昨日的基础科学就没有今日的技术革命的技术革命”。李政李政道道量子力学量子力学能带理论能带理论人工设计材料人工设计材料五五

9、.物理学的方法和科学态度物理学的方法和科学态度提提出出命命题题推推测测答答案案理理论论预预言言实实验验验验证证修修改改理理论论现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学 从新的从新的观测事实观测事实或实验事或实验事实中提炼实中提炼出来，或出来，或从已有原从已有原理中推演理中推演出来出来 建立模建立模型；用已型；用已知原理对知原理对现象作定现象作定性解释，性解释，进行逻辑进行逻辑推理和数推理和数学演算学演算 新的新的理论必须理论必须提出能够提出能够为实验所为实验所证伪的预证伪的预言言 一切一切物理理物理理论最终论最终都要以都要以观测或观测或实验事实验

10、事实为准实为准则则 当一当一个理论与个理论与实验事实实验事实不符时，不符时，它就面临它就面临着被修改着被修改或被推翻或被推翻 诺贝尔物理学奖得主、德国科学家玻恩所言：诺贝尔物理学奖得主、德国科学家玻恩所言：“如其说如其说是因为我发表的工作里包含了一个自然现象的发现，倒是因为我发表的工作里包含了一个自然现象的发现，倒不如说是因为那里包含了一个关于自然现象的科学思想不如说是因为那里包含了一个关于自然现象的科学思想 方法基础。方法基础。”物理学之所以被人们公认为一门重要的科物理学之所以被人们公认为一门重要的科学，不仅仅在于它对客观世界的规律作出了深刻的揭示，学，不仅仅在于它对客观世界的规律作出了深刻

11、的揭示，还因为它在发展、成长的过程中，形成了一整套独特而还因为它在发展、成长的过程中，形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系。正因为如此，使得物理学当卓有成效的思想方法体系。正因为如此，使得物理学当之无愧地成了人类智能的结晶，文明的瑰宝之无愧地成了人类智能的结晶，文明的瑰宝 有人统计过，自有人统计过，自20世纪中叶以来，在诺贝尔化学奖、生世纪中叶以来，在诺贝尔化学奖、生物及医学奖，甚至经济学奖的获奖者中，有一半以上的物及医学奖，甚至经济学奖的获奖者中，有一半以上的人具有物理学的背景；人具有物理学的背景；这意味着他们从物理学中汲这意味着他们从物理学中汲取了智能，转而在非物理领域里获得了成功。取

12、了智能，转而在非物理领域里获得了成功。反过反过来，却从未发现有非物理专业出身的科学家问鼎诺贝尔来，却从未发现有非物理专业出身的科学家问鼎诺贝尔物理学奖的事例。这就是物理智能的力量。难怪国外物理学奖的事例。这就是物理智能的力量。难怪国外 有有专家十分尖锐地指出：没有物理修养的民族是愚蠢的民专家十分尖锐地指出：没有物理修养的民族是愚蠢的民族族!六六.怎样学习物理学怎样学习物理学著名物理学家费曼说：著名物理学家费曼说：科学是一种方法。它教导人们：一些事物是科学是一种方法。它教导人们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了解到了什么程度，如何对待疑问和不

13、确定性，解到了什么程度，如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如何思考事物，做出判证据服从什么法则；如何思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象断，如何区别真伪和表面现象。著名物理学家爱因斯坦说：著名物理学家爱因斯坦说：发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内

14、容的且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化人来，他一定会更好地适应进步和变化。学习的观点：学习的观点：从整体上逻辑地、协调地学习物理学，了解从整体上逻辑地、协调地学习物理学，了解 物理学中各个分支之间的相互联系。物理学中各个分支之间的相互联系。学习的关键：学习的关键：学习的重点：学习的重点：物理模型物理模型 数学表述数学表述 研究方法与适用条件研究方法与适用条件勤于思考勤于思考悟物穷理悟物穷理七七.参考书：大学物理学大学物理学 张三慧张三慧 主编主编 清华大学出版清华大学出版社社 大学物理教程大学物理教程 吴锡珑吴锡珑 主编主编 高等教育出版高等教育出版社

15、社 大学物理学习指导大学物理学习指导 张孝林张孝林 主编主编 科学出版社科学出版社 工科物理习题集工科物理习题集 杂志杂志:大学物理大学物理 工科物理工科物理第第 一一 章章 力力 和和 运运 动动1-1 1-1 质点运动的描述质点运动的描述一、质点一、质点质点：质点：具有一定质量的几何点具有一定质量的几何点两种可以把物体看作质点来处理的情况两种可以把物体看作质点来处理的情况:作平动的物体，可以被看作质点。作平动的物体，可以被看作质点。两相互作用着的物体，如果它们之间的两相互作用着的物体，如果它们之间的 距离距离远大于本身的线度，可以把这两物体看作质点。远大于本身的线度，可以把这两物体看作质点

16、。二、参考系和坐标系二、参考系和坐标系 描述物质运动具有相对性描述物质运动具有相对性用以标定物体的空间位置而设置的用以标定物体的空间位置而设置的坐标系统坐标系统 物质运动具有绝对性物质运动具有绝对性参考系：参考系：坐标系：坐标系：为描述物体的运动而选取的参考物体为描述物体的运动而选取的参考物体 在同一参考系上建立不同的坐标系在同一参考系上建立不同的坐标系,对同一对同一物体的运动规律和结果的描述完全相同物体的运动规律和结果的描述完全相同.三、位置矢量三、位置矢量（位矢）（位矢）zyxo位矢位矢:用有向线段表示用有向线段表示记记作作:大小为：大小为：位矢的方向：位矢的方向：P(x,y,z)运动方程

17、：运动方程：矢量形式矢量形式参数形式参数形式轨道方程轨道方程x xo oz zy y四、运动学方程四、运动学方程消消去去t五、位移五、位移设质点作曲线运动设质点作曲线运动t时刻位于时刻位于A点，位矢点，位矢t+t时刻位于时刻位于B点，位矢点，位矢 位移：位移：在在 t时间内，位矢的变化量（即时间内，位矢的变化量（即A到到B的的有向线段）有向线段）zyxoBA在直角坐标系中在直角坐标系中讨论：讨论：1、比较位移和位矢、比较位移和位矢联系：联系：（1）都是矢量，满足）都是矢量，满足（2）位移是位矢的增量）位移是位矢的增量区别：区别：（1）位矢与参考点的选取有关，）位矢与参考点的选取有关，而位移与参

18、考点无关而位移与参考点无关（2）位矢与时刻对应，是瞬时量）位矢与时刻对应，是瞬时量位移与时间对应，是过程量位移与时间对应，是过程量2、比较位移和路程、比较位移和路程何时大小相同？何时大小相同？3、注意区别、注意区别形象表示：形象表示：ABoAABoA数学上数学上:物理意义上物理意义上:为两矢量之差为两矢量之差为两矢量之差的大小为两矢量之差的大小为两矢量大小之差为两矢量大小之差六、速度六、速度速度是反映质点运动的快慢和方向的物理量速度是反映质点运动的快慢和方向的物理量定义：定义：定义：定义：单位时间内质点所发生的位移单位时间内质点所发生的位移1 1、平均速度、平均速度设质点作一般曲线运动设质点作

19、一般曲线运动tA时刻位于时刻位于A点，点，tB时刻位于时刻位于B点点在在 t时间内发生位移时间内发生位移平均速度：平均速度：平均速度的方向与平均速度的方向与 t时间时间内位移的方向一致内位移的方向一致BAozyx2 2、瞬时速度、瞬时速度质点在某一时刻所具有的速度质点在某一时刻所具有的速度速度的方向为轨道上质点所在处的切线方向。速度的方向为轨道上质点所在处的切线方向。速度的矢量式：速度的矢量式：速度的矢量式：速度的矢量式：速度的三个坐标分量：速度的三个坐标分量：速度的三个坐标分量：速度的三个坐标分量：ozyxAB速度的大小：速度的大小：速度的大小：速度的大小：3 3、速率、速率在在 t时间内，

20、质点所经过路程时间内，质点所经过路程 s对对时间的变化率时间的变化率平均速率：平均速率：平均速率：平均速率：瞬时速率：瞬时速率：瞬时速率：瞬时速率：一般情况：一般情况：当当 t0时：时：sBA例题例题:某质点运动学方程为某质点运动学方程为 单位单位(m)，求，求t=0，1s时质点的速度矢量时质点的速度矢量.注：先求导再代入注：先求导再代入解：解：t1时刻，质点速度为时刻，质点速度为t2时刻，质点速度为时刻，质点速度为七、加速度七、加速度加速度是反映速度变化的物理量加速度是反映速度变化的物理量 t时间内，速度增量为：时间内，速度增量为：平均加速度平均加速度平均加速度平均加速度结论：结论：结论：结

21、论：平均加速度的方向与速度增量的方向一致平均加速度的方向与速度增量的方向一致xozy瞬时加速度：瞬时加速度：瞬时加速度：瞬时加速度：当当 t0时，平均加速度的极限即为瞬时加速度。时，平均加速度的极限即为瞬时加速度。加速度的矢量式：加速度的矢量式：加速度的矢量式：加速度的矢量式：加速度的大小：加速度的大小：加速度的大小：加速度的大小：当当 t趋向零时，速度增量趋向零时，速度增量 的极限方向的极限方向加速度的方向：加速度的方向：加速度的方向：加速度的方向：讨论讨论:运动学的两类问题运动学的两类问题1、已知运动方程，求质点任意时刻的位置、速、已知运动方程，求质点任意时刻的位置、速度以及加速度度以及加

22、速度2、已知运动质点的速度函数（或加速度函数）、已知运动质点的速度函数（或加速度函数）以及初始条件求质点的运动方程以及初始条件求质点的运动方程注意：注意：矢量积分可以化为标量积分（沿各方矢量积分可以化为标量积分（沿各方向分解）向分解）例例1 1 已知质点的运动方程已知质点的运动方程 m求：求：求：求：（1）轨道方程；（）轨道方程；（2）t=2秒时质点的位置、速度秒时质点的位置、速度以及加速度；（以及加速度；（3）什么时候位矢恰好与速度矢垂直？）什么时候位矢恰好与速度矢垂直？解：解：解：解：(1)消去时间参数消去时间参数（2）方向沿方向沿y轴的负方向轴的负方向（3）两矢量垂直两矢量垂直例例2 2、设某一质点以初速度设某一质点以初速度 作作直线运动，其加速度为直线运动，其加速度为 。问：。问：质点在停止前运动的路程有多长？质点在停止前运动的路程有多长？解：解：解：解：两边积分：两边积分：两边积分：两边积分：例例3 3、路灯距地面高度为路灯距地面高度为h，身高为身高为l的的人以速度人以速度v0在路上匀速行走。求：（在路上匀速行走。求：（1）人影头部的移动速）人影头部的移动速度。（度。（2）影长增长的速率。）影长增长的速率。ox2xx1hl 解：解：（1）两边求导：两边求导：（2）令令 为影长为影长以以以以 代入代入代入代入得：得：ox2xx1hlx1x2