1、大学物理课 欢迎同学们,2012年2月21日,答疑时间： 周二下午 1:004:00地点： 主楼C座0521,作业：学完一章交一次作业，每周二上课 时交给各班物理课代表，由课代表送到主楼C座0521室,老师信息：姓 名：黄霞办公室：主楼C座0521电 话：61772749 13241862748email: ,物理学是探讨物质的基本结构和基本运动形式以及相互作用规律的科学。 是自然科学的基础。,1.什么是物理学？,2.物理学的研究对象,宇观、宏观、微观,物质世界：,空间尺度(相差10451046)1026 m(约150亿光年)(宇宙)1020 m(夸克),时间尺度(相差1045) 1018s
2、150亿年(宇宙年龄)10-27s(硬 射线周期),速率范围0(静止)3108 m/s(光速),小尺度,粒子种类 62 种，其中： 规范粒子 13 种轻 子 12 种夸 克 36 种希格斯粒子,基本相互作用 : 电磁 强 弱 引力,目前物理学界公认组成物质的最小单元是夸克， 即认为quark没有内部结构,粒子物理学,(微观理论),杨振宁、李政道由于发现宇称不守恒，获1957年诺贝尔物理学奖,获诺贝尔物理奖的华裔物理学家,大尺度,宇宙是怎样运动的呢？ 进行绝热膨胀 宇宙半径增大 宇宙密度降低 温度降低,宇宙有限又无边!,有中心?无中心?,天体物理学,(宇观理论),物质世界的空间尺度宇宙的42个台
3、阶,宇宙学、粒子物理的奇妙衔接,3.物理学的研究方法,实践 理论 实践,观察、实验、抽象、假说,演绎法推理，演算归纳法假设，模型定性和半定量直觉 想象力 洞察力,*第一次工业革命（1718世纪）：工业的机械化； 【基础】牛顿力学和热力学的发展，【标志】蒸汽机,*第二次工业革命（19世纪）：工业的电气化； 【基础】电磁理论，【标志】发电机、电动机、电讯设备,*第三次工业革命（20世纪）：工业自动化与核能的应用 【基础】相对论和量子力学，【标志】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,4. 物理学与科学技术没有今日的基础科学，就没有明日的科技应用，可以想像，我们现在的基
4、础科学将怎样地影响21世纪的科技文明。李政道,（1）人类科技发展史上的历次工业革命与物理学的关系,*第四次工业革命：工业的？化 【基础】 现代物理学研究的理论与技术；【标志】纳米技术、基因工程、超导体应用,物理学是一切科学技术之母！,核技术的物理基础,1896年 Becquerel 发现铀的天然放射性 1905年 Einstein 创立狭义相对论，得 1911年 Rutherford 提出原子的有核模型 1925年 量子力学建立 1932年 建立原子核的 质子中子 模型 1933年 发现人工放射性 1945年 实现核裂变原子弹 1952年 实现核聚变氢弹 1954年 建立第一座核电站（安全、清
5、洁、经济的能源）,（2）科技技术与物理学的关系：,激光技术的物理基础,1860年 Maxwell建立光的电磁理论;,1900年 Planck提出光量子假说;,1917年 Einstein提出受激辐射理论;,1953年 Towns建立第一台微波激射器;,1958年 Towns ,Shawlow开始研制激光器;,1960年 Maiman制榇第一台红宝石激光器,1961-1965 激光光谱用于大气污染分析；半导体激光器用于激光通讯;激光器用于激光熔炼、激光切削激光钻孔,1968年 月球上设置激光反射器；地面与卫星联系。,1982年 激光全息术,80-90年代 激光外科手术、通讯、光盘、激光武器,电子
6、和信息技术的物理基础,后期 集成度以每十年一千倍速度增长.,从基本原理转变为技术的速度加快,全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课,5.物理学与其他学科的关系,数学、天文学、化学、生物学、地质学等,6.要求和希望, 思想上重视 上课认真听讲，独立完成作业 每章每节总结,要求：,希望：,提高科学素质和能力以适应高新技术和市场 经济的发展,现代工业技术工程师类型 工程科学家型 革新发明家型 现场工程专家型 管理规划专家型,要求良好的科学素质!,物理学的思想和观点 如 建立理想化模型 从物理本质上提出和研究本专业问题 创新能力 在工程技术中引入物理学的新成果,物理素质的表现,重视提高科学素质 深
7、厚的科学素养是发明创造的基础,大学物理课的任务,把大学生领进物理学的各个领域的大门。 打开大门，并送一枚指南针，使之能在物 理学展示的五彩缤纷的世界中汲取营养， 茁壮成长。,发展独立思考和独立创新的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考与工作，他必定会找到自己的道路。而且比起那些主要以获取细节知识为其训练内容的人来，他一定会更好适应进步和变化。爱因斯坦,结束语,参考书： 普通物理学，程守洙、江之永编著，高等教育出版社，2002年第五版。 物理学，马文蔚编著，高等教育出版社，1999年,在大学中，你将使用全新的数学工具即：微积分
8、和矢量学习物理知识，所以你对这个物质世界的认识水平将会更客观、更深刻，比中学时代大大前进一步。 翻开书本，你会发现有很多的公式，但是请你注意，你学习这些公式的方法应该和你学习数学书上的公式的方法不同：,这些公式的背后都有丰富而深刻的物理意义，或者描述某种物理现象、物理过程，或者揭示了什么物理意义、物理图像，你要多花时间，多动脑子，思考这些公式背后的东西，而不要仅仅去记忆这些公式本身。 2. 书上的公式虽然很多，但是并不是每一个都具有同样的重要性。核心的，也是最基本的公式并不多。你要把主要精力放在理解这些公式的物理涵义上，不要把太多的时间花在一些细节推导上 ，而忽略了真正支撑物理学大厦的基本理论
9、和基本方法。 3. 物理学决不仅仅是书中的公式或者是你在作业本上画的受力分析图，它和你的生活息息相关、密切相连。希望能在课下多思考你生活中所遇到的现象中那些运用了物理中的基本原理，你所学的专业中那些和基础物理相关的。,矢量：大小、方向 在直角坐标系中的表示,Ax,Ay,Az,数学预备知识：矢量基本运算,3. 矢量的加减运算,矢量的加减运算-直角坐标法,平行四边形法则,4. 矢量的标乘积，俗称点乘两矢量的点乘结果为标量,5. 矢量的矢乘积，俗称叉乘,两矢量的叉乘结果得到一个新的矢量,方向：,大小：两矢量构成的平行四边形面积,由 转向 (小于180度）的右手螺旋前进的方向,强调：,6. 矢量的微分
10、,设：,其中，A是矢量的大小， 是 方向的单位矢量,在直角坐标系中：,不一定为零,30,7. 矢量的积分,对矢量我们不能直接积分，可以先把矢量投影到x，y，z轴，对各分量分别进行积分，再对得到的各分量值进行矢量合成。,力学,质点运动学,质点动力学,刚体力学,狭义相对论,我已经把哲学的原理确定下来了，但这些原理不是哲学的，而是数学的。,经典力学研究机械运动，着重讨论以下三个问题：,1.如何描述物体的运动状态 （运动学）,位置矢量,速度矢量,注意：运动的矢量性、迭加性、瞬时性、相对性。,2.研究物体运动状态变化的原因 （动力学）,3.了解如何在给定条件下建立和解出物体的运动方程,描述物体运动状态的
11、物理量,第一章 质点运动学 （Mass Point Kinematics）,4. 位置矢量 (位矢、径矢),一、基本概念,1. 质点(Mass Point ，Particle),2. 参照系（Reference System）,3. 坐标系（Coordinates）,定义：坐标原点引向运动质点P的有向线段。,表达式：,直角坐标系,自然坐标系,大小：质点到坐标原点的距离,方向：从原点指向质点,矢 量,例如：,说明： 矢量性、瞬时性、相对性,4. 运动函数（运动方程）,例：,5. 轨道方程：,运动方程消 即得轨迹方程,例：,6. 位移（矢量）,注意：,?,大小：,定义： 由始点a指向终点 b 的有
12、向线段 ab称为点 a 到点 b 的位移矢量 .,表达式：,的意义不同,注意,（2） 一般情况, 位移大小不等于路程,（3） 位移是矢量，路程是标量,位移与路程的区别,（1） 两点间的路程是不唯一的，而位移是唯一的,(A) 确切反映物体在空间位置的变化， 只决定于质点的始、末位置,(B）反映了运动的矢量性和叠加性,位移的物理意义：,7. 速度,描述质点位置变化快慢和方向,(1) 平均速度:,(2)（瞬时）速度,数学式：,定义：质点任一时刻位置矢量 对时间的变化率（对时间的一阶导数）,大小：,思考：如果不是瞬时情形，速率是否等于速度的大小呢？,(4) (瞬时)速率：,瞬时速度的大小,定义：质点任
13、一时刻所走过的路程 S(t) 对时间的变化率（ S(t)对时间的一阶导数）。,(3) 平均速率:,数学式：,不一定相等,（标量）,(1) 矢量性、瞬时性、相对性,(2)与速率不同,瞬时速率,平均速率,B,A,说明：,一运动质点在某瞬时位于矢径 的端点处，其速度大小为,（A）,（B）,（C）,（D）,讨论,注意,定义：质点任一时刻速度矢量 对时间的变化率,数学式：,(1)平均加速度:,8. 加速度,(2)（瞬时）加速度, 反映速度大小和方向随时间变化快慢,加速度大小,加速度方向,曲线运动 指向凹侧,直线运动,说明：矢量性瞬时性相对性,质点运动学的两类基本问题,1.已知运动方程，如何求速度、加速度
14、？,2.已知加速度，如何求速度、运动方程和轨迹方程？,*已知运动方程，用求导的方法可求速度、加速度。,*已知加速度和运动的初始条件，用积分的方法可求速度、运动方程和轨迹方程。,二、直线运动和曲线运动,1直线运动,位置矢量：,速度：,加速度：,2曲线运动, 平面曲线运动：两个互相垂直的方向上的直线运动的叠加, 空间曲线运动：三个互相垂直的方向上的直线运动的叠加,复习内容:看书1.1-1.6,例1 一质点沿X轴作直线运动，它的运动方程为 求（1）质点在t = 0时刻的速度（2）加速度为零时该质点的速度?,解：,（1）,任意时刻速度,（2）加速度为零时该质点的速度,任意时刻加速度,例2.质量为m的子
15、弹以速度v0水平射入沙土中，设子弹所受阻力与速度反向，大小与速度成正比，比例系数为 ，忽略子弹的重力，求（1）子弹进入沙土后，速度及位置矢量随时间变化的函数式。（2）子弹进入沙土的最大深度。,解：,分离变量：,两变量分置等号两边,（1）,两边同时定积分,求得：,求得：,（2）,例3.已知一质量为m的质点在 轴上运动，质点只受到指向原点的引力作用，引力大小与质点离原点的距离 的平方成反比，即 ， 是比例常数，设质点在 时的速度为零，求 处的速度大小。,解：,答案:,的具体表达式不知时，如何求解？,不是求 而是求 时，如何求解？,如何用矢量的分量式求解？,例4一质点在 平面内运动。运动方程为和 （
16、SI），求：（1）在第2秒内的平均速度大小（2）2秒末的瞬时速度,解：,平均速度,第2秒内：,第1秒末第2秒末,（1）,任意时刻的位置矢量：,大小：,方向：,（2）2秒末的瞬时速度,瞬时速度,任意时刻的瞬时速度：,2秒末的瞬时速度,例5 质量为0.25kg的质点，受力的作用，式中 为时间。时该质点以 的速度通过坐标原点，求该质点任意时刻的位置矢量。,解：,已知条件：,初始条件,(课后练习) 一质点沿 x 轴作加速运动 t =0 时，x = x0，v = v0,（1） 求任意时刻的速度和位置,（2） 求任意位置的速度,（课后练习）将任意多个质点从某一点以同样大小的速度 ，在同一铅直面内沿不同方向
17、同时抛出，试证明在任一时刻这些质点是分散处在某一圆周上。,（练习）如图所示，A、B 两物体由一长为的刚性细杆相连，A、B 两物体可在光滑轨道上滑行如物体A以恒定的速率 向左滑行, 当 时, 物体B的速率为多少？,1.自然坐标系,切向坐标,法向坐标,速度：,加速度：,注意： 不是恒矢量,运动学方程：,三、圆周运动,曲率半径,切向加速度 = 速率对时间的一阶导数,加速度 =,速度对时间的一阶导数, 特别注意,法向加速度：,曲率半径, 圆周运动,切向加速度：,加速度：,注意：如果是定轴转动，运算时，无须考虑矢量符号、用正负号区分方向。, 角坐标,2圆周运动的角量描述, 角速度, 角加速度,角位置 角
18、速度 角加速度 角加速度 角速度 角坐标,合外力矩,对时间求一阶导,对时间求一阶导,微分方程、积分,微分方程、积分,3线量与角量的关系, 线速度与角速度, 切向加速度与角加速度, 法向加速度与角速度, 加速度,大小：,思考：在圆周运动中，如果总加速度与半径成时，切向加速度与法向加速度有何关系？,切向加速度大小=法向加速度大小,例6 一质点在平面上作曲线运动，其速率v与路程s的关系为v = 1+s2（SI）则其切向加速度以路程s来表示的表达式为,解：,切向加速度,例7 一质点从静止出发，沿半径R = 1m的圆周运动，其角加速度随时间t的变化规律是 = 12t2 6t (SI)则（1）质点的角速度
19、 = ? （2）切向加速度 at = ?,解：,（1）,（2）切向加速度,例8 以初速率V0，抛射角0抛出一物体，则其抛物线轨道最高点处的曲率半径 = ？,解：,在最高点,质点在运动中 是否变化；,讨论题：一质点做抛体运动，问：,是否变化；,是否变化。,变化,不变,变化,物体运动的轨迹依赖于观察者所处的参考系,四、 相对运动,伽利略变换,伽利略变换蕴含的时空观,长度测量的绝对性,时间测量的绝对性,绝对时空观,例9 轮船在水上以相对于水的速度 航行，水流速度为 ，一人相对于甲板以速度 行走。如人相对于岸静止， 、 和 的关系怎样？,解：,本题涉及：,岸、水、船、船上人,结果：,例10 某人骑自行
20、车以速率 向正西方行驶，遇到由北向南刮的风（设风速大小也为V），则他感到风是从何方向吹来？,解：,本题涉及：,风、地、车上人,人感到风是从西北方向吹来,北,南,西,东,风对人,练习 当一列火车以10m/s的速率向东行驶时，若相对于地面竖直下落的雨滴在列车的窗子上形成的雨迹偏离竖直方向30度，则雨滴相对于地面的速率等于多少？相对于列车的速率等于多少？,练习 某人骑自行车以速率v向西行驶，今有风以相同速率从北偏东30度方向吹来，试问人感到风从哪个方向吹来？,作业：P48 50 1.9 1.10 1.11 1.21 1.22 1.27,复习内容:看书1.7-1.8,一 熟练掌握描述质点运动及运动变化的四个物理量位置矢量、位移、速度、加速度理解这些物理量的矢量性、瞬时性和相对性,二 理解运动方程的物理意义及作用. 会处理两类问题：（1）运用运动方程确定质点的位置、位移、速度和加速度的方法；（2）已知质点运动的加速度和初始条件求速度、运动方程的方法,教学基本要求,教学基本要求,三 掌握曲线运动的自然坐标表示法能计算质点在平面内运动时的速度和加速度，以及质点作圆周运动时的角速度、角加速度、切向加速度和法向加速度,四 理解伽利略速度变换式, 并会用它求简单的质点相对运动问题,
