1运动学2质点动力学基础解析.ppt
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1、第一篇第一篇 绪绪 论论一一 .为什么要学习为什么要学习“大学物理大学物理”?物理学物理学:研究物质世界的基本结构、基本相互作用和最普遍研究物质世界的基本结构、基本相互作用和最普遍的运动规律。的运动规律。是一切自然科学和工程技术的基础。是一切自然科学和工程技术的基础。物理书都充满了复杂的数学公物理书都充满了复杂的数学公式。可是思想及理念,而非公式,式。可是思想及理念,而非公式,才是每一物理理论的开端。才是每一物理理论的开端。爱因斯坦爱因斯坦 物理学的进化物理学的进化学习目的:学习目的:1.1.获得生活、学习、工作所需的知识和技能。获得生活、学习、工作所需的知识和技能。2.2.开启智慧,获得科学
2、思想、科学精神、科学态度开启智慧,获得科学思想、科学精神、科学态度 和科学方法的熏陶和培养。和科学方法的熏陶和培养。载体载体定位:定位:不仅仅是为后续课服务不仅仅是为后续课服务不仅仅是为专业服务不仅仅是为专业服务立足于提高自身科学素质,有益于终身学习和发展立足于提高自身科学素质,有益于终身学习和发展为什么要提高工科学生的科学(物理)素质?为什么要提高工科学生的科学(物理)素质?根本原因:根本原因:物理学与工程技术的关系物理学与工程技术的关系*第一次工业革命(第一次工业革命(17171818世纪):世纪):建立在牛顿力学和热力学发展的基础上,其标志是以蒸汽机为代表建立在牛顿力学和热力学发展的基础
3、上,其标志是以蒸汽机为代表的一系列机械的产生和应用。的一系列机械的产生和应用。*第二次工业革命(第二次工业革命(1919世纪):世纪):建立在电磁理论发展的基础上,其标志是发电机、电动机、电讯设备建立在电磁理论发展的基础上,其标志是发电机、电动机、电讯设备的出现和应用。的出现和应用。*第三次工业革命(第三次工业革命(2020世纪):世纪):建立在相对论和量子力学发展的基础上,其标志是以信息技术为代表建立在相对论和量子力学发展的基础上,其标志是以信息技术为代表的一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。的一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。二二.学什么?学什么?知识、方法、
4、科学观念知识、方法、科学观念“物物”物质世界物质世界 “理理”普遍规律普遍规律1.学习物理知识要注意学习物理知识要注意整体性整体性、发展性发展性和和迁移性迁移性。整体性整体性注意掌握知识的结构和联系注意掌握知识的结构和联系形成物质世界的整体物理图象形成物质世界的整体物理图象避免:避免:只见树木,不见森林。只见树木,不见森林。只得到一堆支离破碎的公式。只得到一堆支离破碎的公式。经经典典物物理理 力学(实物粒子)力学(实物粒子)电磁学(场)电磁学(场)热力学热力学 统计物理统计物理(多粒子体系)(多粒子体系)相对论相对论力学力学量子量子力学力学量子统计物理量子统计物理相对论相对论 量子力学量子力学
5、相对论相对论量子场论量子场论?物理学的基本框架物理学的基本框架分支学科:分支学科:激光物理,半导体物理,原子物理,核物理激光物理,半导体物理,原子物理,核物理交叉学科:交叉学科:生物物理,量子化学,地球物理,海洋物理生物物理,量子化学,地球物理,海洋物理力学的总框架力学的总框架力学力学运动学运动学动力学动力学牛顿牛顿定律定律守恒守恒定律定律动量守恒定律动量守恒定律机械能守恒定律机械能守恒定律角动量守恒定律角动量守恒定律运动学运动学研究物体位置随时间变化的规律研究物体位置随时间变化的规律主要内容有:主要内容有:三个概念:三个概念:参考系、坐标系、质点参考系、坐标系、质点四个物理量:四个物理量:位
6、置矢量、位移、速度、加速度位置矢量、位移、速度、加速度四种运动:四种运动:直线运动、曲线运动、斜抛运动、圆周运动直线运动、曲线运动、斜抛运动、圆周运动第一章第一章质点运动的基本规律质点运动的基本规律 本本章章首首先先借借助助矢矢量量语语言言对对质质点点的的运运动动给给予予简简洁洁而而完完备备的的描描述述,建建立立运运动动学学方方程程,并并求求解解运动学方程;运动学方程;然然后后引引入入运运动动的的相相对对性性,最最终终解解决决运运动动学学中的两类问题;中的两类问题;最后最后简略介绍牛顿三定律及其应用。简略介绍牛顿三定律及其应用。一、一、物理模型物理模型质点质点质点质点没有大小和形状,只具有全部
7、质量的一点。没有大小和形状,只具有全部质量的一点。可以将物体简化为质点的两种情况:可以将物体简化为质点的两种情况:物体不变形,不作转动物体不变形,不作转动(此时物体上各点的速度及加速此时物体上各点的速度及加速度都相同,物体上任一点可以代表所有点的运动度都相同,物体上任一点可以代表所有点的运动)。物体本身线度和它活动范围相比小得很多物体本身线度和它活动范围相比小得很多(此时物体的此时物体的变形及转动显得并不重要变形及转动显得并不重要)。1-1 质点、质点、参考系、时间与空间参考系、时间与空间二、运动的绝对性和相对性二、运动的绝对性和相对性1、运动是绝对的:、运动是绝对的:任何物体任何时刻都在不停
8、地运动着任何物体任何时刻都在不停地运动着2、运动又是相对的:、运动又是相对的:运动的描述是相对其他物体而言的运动的描述是相对其他物体而言的 为了描述一个物体的运动,必须选择另一个物为了描述一个物体的运动,必须选择另一个物体作为参考,被选作参考的物体称为体作为参考,被选作参考的物体称为参照系参照系。参照系不一定是静止的。参照系不一定是静止的。三、参考系三、参考系日心系日心系ZXY地心系地心系o地面系地面系 为了定量地确定物体的运动,须在参照系上选用为了定量地确定物体的运动,须在参照系上选用一个一个坐标系坐标系。坐标系坐标系常见的坐标系:常见的坐标系:直角坐标系,直角坐标系,极坐标系,极坐标系,柱
9、坐标系,柱坐标系,球坐标系,球坐标系,自然坐标系,自然坐标系,xyzOP直角坐标直角坐标系系极坐标系极坐标系O极极轴轴径径向向角角向向P自然坐标系自然坐标系OP选择合适的选择合适的参考系参考系,以方便以方便确定确定物体的物体的运动性质运动性质;建立恰当的建立恰当的坐标系坐标系,以以定量描述定量描述物体的物体的运动运动;提出准确的提出准确的物理模型物理模型,以以突出突出问题中最基本的问题中最基本的运动规律运动规律。一一.描述质点运动的四个物理量描述质点运动的四个物理量1.位置矢量位置矢量 (单位(单位 米)米)位置矢量(位矢):位置矢量(位矢):运动方程:运动方程:P O r(t)vs rP1r
10、1r 2 OP2vvv1-2描述质点运动的物理量描述质点运动的物理量基本概念基本概念从原点从原点O到质点所在的位置到质点所在的位置P点的点的有向线段,叫做有向线段,叫做位置矢量位置矢量或或位矢。位矢。随时间变化的函数随时间变化的函数 称为质点的运动方程。称为质点的运动方程。质点的运动方程质点的运动方程定义定义把由始点到终点的有向线段定义把由始点到终点的有向线段定义为质点的位移矢量,简称为质点的位移矢量,简称位移。位移。它是描述质点位置变化的物理量它是描述质点位置变化的物理量。xyzOP1P22.位移位移 (单位(单位 米)米)由由*式写出对应的参数方程式写出对应的参数方程:消去参数消去参数 t
11、质点运动的质点运动的轨迹方程轨迹方程质点运动的轨迹方程质点运动的轨迹方程P点坐标点坐标(x,y,z)P点点矢径矢径 方向方向P点点矢径矢径 大小大小 rP PxyzO O轨道轨道r2r1rx y z B AoS位移是矢量,有大小和方向位移是矢量,有大小和方向 r 与与 的区别的区别 s 与与 的区别的区别 s 为路程为路程(轨道长度轨道长度),是标量,是标量元元位移的大小位移的大小元路程元路程r2r1 orra)为标量,为标量,为矢量为矢量b)例例11已知:质点的运动方程已知:质点的运动方程 求:求:(1)(1)质点的运动轨迹;质点的运动轨迹;(2)(2)t=0s及及t=2s时,质点的位置矢量
12、。时,质点的位置矢量。(3)(3)这这2s2s内的位移内的位移国际单位制国际单位制解:解:(1)1)先写参数方程先写参数方程消去消去 t t 得轨迹方程:得轨迹方程:质点的运动轨迹为抛物线质点的运动轨迹为抛物线 (2)位置矢量:位置矢量:t=0时,时,x=0 y=2 t=2时,时,x=4 y=-2oQP2-24作图作图位置矢量的大小:位置矢量的大小:位置矢量的方向:位置矢量的方向:oQP2-24(3 3)0-2s0-2s内的位移内的位移位移的方向:位移的方向:粗略描述粗略描述:t t内位移:内位移:ABO物理思想?物理思想?变速运动变速运动总效果相同的匀速直线运总效果相同的匀速直线运动动类比类
13、比平均速度:平均速度:3.速度速度 (单位(单位 米每秒)米每秒)速度速度描述质点位置变化快慢的物理量描述质点位置变化快慢的物理量精确描述精确描述速度是位矢对时间的一阶导数,其方向沿轨速度是位矢对时间的一阶导数,其方向沿轨道上质点所在处的切线,指向前进的一侧。道上质点所在处的切线,指向前进的一侧。注意速度的矢量性和瞬时性。注意速度的矢量性和瞬时性。瞬时速度:瞬时速度:当当t 趋于趋于0时,时,B点趋于点趋于 A 点,平均点,平均速度的极限表示质点在速度的极限表示质点在 t 时刻通过时刻通过 A 点的瞬时速点的瞬时速度,简称度,简称速度速度。表示为:。表示为:速度大小速度大小瞬时速度瞬时速度平均
14、速度平均速度平均速率平均速率瞬时速率瞬时速率 P Q O速度是矢量,速率是标量。速度是矢量,速率是标量。一般情况一般情况单向直线运动情况单向直线运动情况瞬时速率等于瞬时速度的大小瞬时速率等于瞬时速度的大小速率速率加速度是速度对时间的一阶导数加速度是速度对时间的一阶导数 或位矢对时间的二阶导数或位矢对时间的二阶导数4.加速度(单位:米加速度(单位:米/秒秒2)平均加速度平均加速度瞬时加速度瞬时加速度vv1v2B A ov1v2描述质点运动状态的物理量描述质点运动状态的物理量描述质点运动状态变化的物理量描述质点运动状态变化的物理量加速度大小加速度大小 任意曲线运动都可以视为沿任意曲线运动都可以视为
15、沿x,y,z轴的三个各自独轴的三个各自独立的直线运动的叠加(矢量加法)。立的直线运动的叠加(矢量加法)。运动的独立性原理运动的独立性原理或或运动叠加原理运动叠加原理加速度加速度矢量性:矢量性:四个量都是矢量,有大小和方向四个量都是矢量,有大小和方向加减运算遵循平行四边形法则加减运算遵循平行四边形法则某一时刻的瞬时量某一时刻的瞬时量不同时刻不同不同时刻不同过程量过程量瞬时性:瞬时性:相对性:相对性:不同参照系中,同一质点运动描述不同不同参照系中,同一质点运动描述不同不同坐标系中,具体表达形式不同不同坐标系中,具体表达形式不同加速度加速度位矢位矢位移位移速度速度1、平面曲线运动、平面曲线运动方向描
16、述方向描述作相互垂直的单位矢量作相互垂直的单位矢量切向单位矢量切向单位矢量法向单位矢量法向单位矢量指向轨道的凹侧指向轨道的凹侧指向物体运动方向指向物体运动方向切向加速度切向加速度法向加速度法向加速度1-3描述质点运动的坐标系描述质点运动的坐标系B d A法向加速度、反映速度方向变化,法向加速度、反映速度方向变化,v变时不是常量。变时不是常量。切向加速度、反映速度大小变化,切向加速度、反映速度大小变化,一般不为常量;一般不为常量;加速度总是指向曲线的凹侧加速度总是指向曲线的凹侧圆周运动中的圆周运动中的切向加速度切向加速度和和法向加速度法向加速度曲率半径是恒量曲率半径是恒量匀速圆周运动匀速圆周运动
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