大学物理绪论第一章.ppt

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1、 1 1、物质世界、物质世界 时间与空间是物质的最基本属性，物理学的发展史就时间与空间是物质的最基本属性，物理学的发展史就是时间与空间研究的发展史。地心说是时间与空间研究的发展史。地心说-日心说日心说-宇宙无心说。经典时空观、相对论时空观。宇宙无心说。经典时空观、相对论时空观。物理学是研究自然界中物理学是研究自然界中物质物质的基本结构及基的基本结构及基本运动规律的科学。是一切自然科学的基础。本运动规律的科学。是一切自然科学的基础。一一.什么是物理学？什么是物理学？空间尺度空间尺度约约150150亿光年亿光年(宇宙宇宙)10 1020 20 m m(夸克夸克)时间尺度时间尺度150150亿年亿年

2、(宇宙年龄宇宙年龄)1010-27-27s(s(射线周期射线周期)速率范围速率范围0 0(静止静止)3 3 10108 8 m/sm/s(光速光速)2 2、物质的两种形态：、物质的两种形态：a.实物微观实物（电子、中子等）宏观实物（气、液、固等）宇观实物（日、月、星、辰等）b.场 （电场、磁场、引力场等）3 3、运动和相互作用是物质的普遍属性：、运动和相互作用是物质的普遍属性：万事万物都处在不停的运动和变化之中，运动是永恒的,其运动形式有a 机械运动;b 电磁运动;c 分子热运动等。自然界中没有不发生相互作用的物质，有引力相互作用、电磁相互作用等。物体的运动和相互作用，构成了自然界形形色色的物

3、质结构、物质形态和自然现象。量子物理学经典物理学天体物理学物理学作为严格的、定量的自然科学的带头学科一直物理学作为严格的、定量的自然科学的带头学科一直在科学技术的发展中发挥着极其重要的作用在科学技术的发展中发挥着极其重要的作用。物理与物理与数学数学：数学是物理学不可缺少的工具，物理学为数学数学是物理学不可缺少的工具，物理学为数学开辟了广阔的研究领域。开辟了广阔的研究领域。物理学与化学物理学与化学：唇齿相依息息相关，例如原子壳层结唇齿相依息息相关，例如原子壳层结构的建立，从本质上说明了元素化学性质周期性变化构的建立，从本质上说明了元素化学性质周期性变化的规律性的规律性。物理学与生物学物理学与生物

4、学：为生命科学提供理论概念和方法，：为生命科学提供理论概念和方法，为生命科学提供现代化的实验手段为生命科学提供现代化的实验手段。物理学与哲学物理学与哲学：物理学的研究离不开哲学思想的指导，物理学的研究离不开哲学思想的指导，物理学的发展又促进了哲学的进步。物理学的发展又促进了哲学的进步。二、物理学是自然学科的带头学科二、物理学是自然学科的带头学科三、三、物理学是科学技术的基础物理学是科学技术的基础第一次工业革命：工业的机械化第一次工业革命：工业的机械化-瓦特的蒸汽机瓦特的蒸汽机 基础：基础：牛顿力学和波尔兹曼等创立的热力学牛顿力学和波尔兹曼等创立的热力学第二次工业革命：工业的电气化第二次工业革命

5、：工业的电气化-发电机、电动机。发电机、电动机。基础：基础：法拉第与麦克斯韦等建立的电磁学法拉第与麦克斯韦等建立的电磁学第三次工业革命：工业的自动化与核能的应用第三次工业革命：工业的自动化与核能的应用-计算机、计算机、光通讯、核弹、核能发电。光通讯、核弹、核能发电。基础：基础：爱因斯坦的相对论、普朗克、爱因斯坦的相对论、普朗克、波尔、等人波尔、等人 创立的量子力学。创立的量子力学。第四次工业革命：纳米技术、基因工程、超导体应用第四次工业革命：纳米技术、基因工程、超导体应用.基础：基础：现代物理学理论现代物理学理论 .1.1.核能技术核能技术：可控热核聚变能的研究，将为解 决21世纪能源问题开辟

6、道路。2.2.超导技术超导技术：无耗损地传输电流的超导体，可以节约大量电能，高温超导的广泛应用，将导致一场伟大的工业革命。3.3.微电子技术微电子技术：目前半导体器件已接近物理和技术上的极限，迫切要求物理学家从微结构的研究中创造出要求更高的器件。4.4.光电子技术光电子技术：光通信、光全息、光计算等，具有容量大、抗干扰强、保密性高、低成本等优势，已成为国际高科技竞争的热点。，已成为国际高科技竞争的热点。.四、四、物理学的基础研究在当前最引人注目物理学的基础研究在当前最引人注目的高技术如下：的高技术如下：五、物理学的主要特点五、物理学的主要特点1、物理学是一门实验科学，是观察、试验与科学思维的产

7、物。、物理学是一门实验科学，是观察、试验与科学思维的产物。2、物理学的基本结构：、物理学的基本结构：基本概念基本概念+基本定律基本定律+基本思想基本思想+基本方法基本方法.(1)基本概念基本概念：是物理学的核心内容。如：速度、加速度、力。是物理学的核心内容。如：速度、加速度、力。(2)基本定律基本定律：是基本概念的本质联系。如：牛顿定律、守恒定律等是基本概念的本质联系。如：牛顿定律、守恒定律等(3)基本思想基本思想：是物理学家在建立概念和定律时是物理学家在建立概念和定律时 所遵从的指导思想。所遵从的指导思想。如能量守恒、物质不灭等，是物理学的灵魂如能量守恒、物质不灭等，是物理学的灵魂(4)基本

8、方法：是物理学家在建立概念和定律时所使用的研究方法基本方法：是物理学家在建立概念和定律时所使用的研究方法 如实验分析法，归纳类比法等等。如实验分析法，归纳类比法等等。物理学的研究方法是科学物理学的研究方法是科学 素质的集中体现。是人类的共同素质的集中体现。是人类的共同财富，对所有的科学研究都有极好的借鉴意义，财富，对所有的科学研究都有极好的借鉴意义，思维训练：利用各种思维方法将各知识点联成一个纵横交错，四通八达的网 x v a功能定理动能定理机械能守恒动量定理角动量定理转动定理势能质能定理能量动量关系质速关系长度收缩时间延缓第一章：质点运动学第一章：质点运动学1.1参考系参考系 坐标系坐标系

9、质点质点1.1.1参考系和坐标系参考系和坐标系 静静止止是是相相对对的的，运运动动是是绝绝对对的的，地地心心学学说说被被日日心心说说取取代代，让让人人们们明明白白，判判断断物物体体运运动动与与否否，首首先先要要选选择择统统一一的的物物体体作作参参考考。即即使使是是太太阳阳，在在银银河河系系中其它恒星系统观察，仍然运动着的。中其它恒星系统观察，仍然运动着的。银河系银河系指南针指南针参参考考系系：描描述述物物体体运运动动时时，被被选选作作参参考考的的物物体体，称称为参考系为参考系。要要定定量量描描述述物物体体的的位位置置与与运运动动情情况况，就就要要运运用用数学手段，采用固定在参考系上的坐标系。数

10、学手段，采用固定在参考系上的坐标系。常常用用的的坐坐标标系系有有直直角角坐坐标标系系(x,y,z)，极极坐坐标标系系(,)，球坐标系，球坐标系(R,)，柱坐标系柱坐标系(R,z)。xyzoz R参考方向参考方向zo Rxy 1.1.2 质点质点物体：物体：具有大小、形状、质量和内部结构的物具有大小、形状、质量和内部结构的物 质形态。质形态。一一般般情情况况下下，物物体体各各部部分分的的运运动动不不相相同同，在在运运动动的的过过程程中中大大小小、形形状状可可能能改改变变，这这使使得得运运动动问题变得复杂。问题变得复杂。某某些些情情况况下下，物物体体的的大大小小、形形状状不不起起作作用用，或或者者

11、起起次次要要作作用用而而可可以以忽忽略略其其影影响响简简化化为为质质点模型。点模型。质点：质点：具有一定质量没有大小或形状的理想物体具有一定质量没有大小或形状的理想物体。可可以以作作为为质质点点处处理理的的物物体体的的条条件件：大大小小和和形形状状对对运运动动没有影响或影响可以忽略。没有影响或影响可以忽略。研究地球公转研究地球公转地地球球上上各各点点的的公公转转速速度度相相差差很很小小，忽忽略略地地球球自自身身尺尺寸的影响，作为质点处理。寸的影响，作为质点处理。研究地球自转研究地球自转地地球球上上各各点点的的速速度度相相差差很很大大，因因此此，地地球球自自身身的的大大小小和和形形状状不不能能忽

12、忽略略，这这时时不不能能作质点处理。作质点处理。除除车车轮轮外外，汽汽车车各各部部分分运运动动情情况况完完全全相相同同，车车轮轮的运动是次要的，此时可把汽车作为质点处理。的运动是次要的，此时可把汽车作为质点处理。研究汽车在平直道路上运动研究汽车在平直道路上运动涉涉及及转转动动问问题题，汽汽车车各各部部分分运运动动情情况况不不同同，各各个个车轮受力差异很大，不能把汽车做质点处理。车轮受力差异很大，不能把汽车做质点处理。研究汽车突然刹车研究汽车突然刹车“前倾前倾”或转弯或转弯质点是从实际中抽象出的理想模型，研究质点的运质点是从实际中抽象出的理想模型，研究质点的运动是为了抓住事物的主要矛盾进行研究分

13、析。动是为了抓住事物的主要矛盾进行研究分析。时间与时刻时间与时刻1.2质点运动的描述质点运动的描述1.2.1位置矢量位置矢量 位移位移 在在坐标系中，用来确定质点所在位置的矢量坐标系中，用来确定质点所在位置的矢量，叫做叫做位置矢量位置矢量。位置矢量是从坐标原点指向质点所位置矢量是从坐标原点指向质点所在位置的有向线段。在位置的有向线段。oxyzP(x,y,z)2.2.2.2.位移位移位移位移oxyz位位移移反反映映质质点点位位置置变变化化的的物物理理量量，从从初初始始位位置置指指向向末末位位置的有向线段。置的有向线段。路程路程是质点经过实际路径是质点经过实际路径的长度。路程是标量。的长度。路程是

14、标量。注意区分注意区分o BS A1.2.2 速度速度速速度度是是描描述述质质点点位位置置随随时时间间变变化化的的快快慢慢和和方方向向的的物物理量。理量。平均速度平均速度平均速率平均速率平均速度是矢量，其方向与位移的方向相同。平均平均速度是矢量，其方向与位移的方向相同。平均速率是标量。平均速度的大小并不等于平均速率。速率是标量。平均速度的大小并不等于平均速率。例如质点沿闭合路径运动。例如质点沿闭合路径运动。瞬时速度瞬时速度 oP1 当当 t t0 0时，时，P P2 2点点向向P P1 1点无限靠近。点无限靠近。P2P2P2P2P2P2P2P2P2方向:当当 时位移时位移 的极限方向，该位的极

15、限方向，该位置的切线方向，指向质点前进的一侧。置的切线方向，指向质点前进的一侧。瞬时速度是矢量，直角坐标系中分量形式：瞬时速度是矢量，直角坐标系中分量形式：大小:1.2.2 加速度加速度加加速速度度是是描描述述质质点点速速度度的的大大小小和和方方向向随随时时间间变变化快慢的物理量。化快慢的物理量。x y z P2 P1 ox y z P2 P1 o注意区分注意区分 、o平均加速度平均加速度平均加速度是矢量，方向与速度增量的方向相同。平均加速度是矢量，方向与速度增量的方向相同。瞬时加速度瞬时加速度 与与瞬瞬时时速速度度的的定定义义相相类类似似，瞬瞬时时加加速速速速度度是是一一个个极限值极限值 瞬

16、瞬时时加加速速度度简简称称加加速速度度，它它是是矢矢量量，在在直直角角坐坐标系中用分量表示标系中用分量表示:加加速速度度的的方方向向就就是是时时间间 t趋趋近近于于零零时时，速速度度增增量量的的极限方向。加速度与速度的方向一般不同。极限方向。加速度与速度的方向一般不同。大小大小加速度与速度的夹角为加速度与速度的夹角为0 或或180，质点做直线运动。，质点做直线运动。加速度与速度的夹角等于加速度与速度的夹角等于90，质点做圆周运动。，质点做圆周运动。1.3 直线运动直线运动1.3.1 直线运动的运动方程直线运动的运动方程直线运动直线运动是当质点运动的轨道是一条直线的运动。是当质点运动的轨道是一条

17、直线的运动。xtOx+xxt+ttxt直线运动的位移时间曲线直线运动的位移时间曲线1.3.2 直线运动中的速度直线运动中的速度在在x-t图象上，图象上，v的量值就是在的量值就是在t时刻曲线的斜率时刻曲线的斜率V0表示质点向表示质点向x轴正方向运动，轴正方向运动，V0表示质点向表示质点向x轴负方向运动轴负方向运动如果质点的速度如果质点的速度v=v(t)已知，则可以通过积分已知，则可以通过积分Otvt0t1.3.3 直线运动中加速度直线运动中加速度在在v-t图象上，图象上，a的量值就是在的量值就是在t时刻曲线的斜率时刻曲线的斜率如果质点的速度如果质点的速度a=a(t)已知，则可以通过积分已知，则可

18、以通过积分匀加速直匀加速直线运运动的加速度是常数，所以的加速度是常数，所以v-t曲曲线是一条斜率是一条斜率为a的直的直线，如果，如果t=0时，质点速率点速率为v0，质点在点在时刻刻t的速的速率率为：1.3.4 匀加速直线运动匀加速直线运动假定假定t=0时，时，x=x0,则则Ottvv0匀加速直线运动的匀加速直线运动的运动方程运动方程这就是匀加速这就是匀加速直线运动中质直线运动中质点的位移、速点的位移、速度和加速度之度和加速度之间的关系式间的关系式1.4 圆周运动和抛体运动圆周运动和抛体运动1.4.1 匀速圆周运动匀速圆周运动ABSOA(B)CD向心加速度向心加速度a的方向与的方向与v垂直，指向圆心垂直，指向圆心三角形三角形AOB和三角形和三角形CAD相似相似ABSOA(B)CD则，则，1.4.2 变速圆周运动变速圆周运动ABSOA(B)CDE1.4.3 圆周运动角量表示圆周运动角量表示oxy A(t)B(t+t)R逆时针为正，顺时针为负逆时针为正，顺时针为负质点做匀速圆周运动时质点做匀速圆周运动时质点做匀加速圆周运动时质点做匀加速圆周运动时1.5 相对运动相对运动O对上式求一次导数对上式求一次导数