大学物理力学第一章.ppt

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1、大学物理,大 学 物 理,绪 论,目 录,一. 什么是物理学 二. 物理学发展史 三. 为什么要学习大学物理 四. 如何学好大学物理,一. 什么是物理学,物理学是研究物质世界最基本形态的科学,物理学研究的范围 物质世界的层次和数量级,物理学 (Physics),质子 10-15 m,空间尺度：,微观粒子 Microscopic,介观物质 mesoscopic,宏观物质 macroscopic,宇观物质 cosmological,类星体 10 26 m,时间尺度：,基本粒子寿命 10-25 s,宇宙寿命 1018 s,绪 论,按空间尺度划分： 量子力学 经典物理学 宇宙物理学,按速率大小划分：

2、相对论物理学 非相对论物理学,按客体大小划分： 微观系统 宏观系统,按运动速度划分： 低速现象 高速现象, 牛顿力学 (Mechanics) 研究物体机械运动的基本规律及关于时空的规律, 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, 热力学 (Thermodynamics) 研究物质热运动的统计规律及其宏观表现, 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, 量子力学 (Quantum mechanics) 研究微观物质运动现象以及基本运动规律,二.物理学的五大基本理论,物理学是一门最基本的科学;是最古老、但

3、发展最快的科学;它提供最多、最基本的科学研究手段。,2. 近代物理学时期 19世纪末至今 a 狭义相对论 澄清时间和空间的概念。 b 量子力学 研究各种物体的运动及其相互作用。,二. 物理学发展史,1. 经典物理学时期 19世纪末以前 a 经典力学 研究人体尺度物体的运动及其相互作用。 b 电磁学 研究带电物体的运动及相互作用，描述电磁现象。,可以简单地划分成两个时期，包含四个主要理论,三. 为什么要学习大学物理,物理学是一切自然科学的基础,物理学派生出来的分支及交叉学科,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，物理学的基本概念和技术被应用到所有自然科学之中。,物理学与数学

4、之间有着深刻的内在联系,粒 子 物 理 学,原 子 核 物 理 学,原 子 分 子 物 理 学,固 体 物 理 学,凝 聚 态 物 理 学,激 光 物 理 学,等 离 子 体 物 理 学,地 球 物 理 学,生 物 物 理 学,天 体 物 理 学,宇 宙 射 线 物 理 学,物理学与工程技术有着深刻的内在联系,科学解决理论问题,技术解决实际问题,物理学与工程技术相互促进的模式,C、狭义相对论，质能关系,原子弹及核能利用,核物理、粒子物理、高能物理。,物理学原理及理论初创式开发和应用都成了当时的高新技术。物理学仍然是当代高新技术的主要源泉。是高等院校理工科类各专业的一门十分重要的基础课,在其一系

5、列 课程体系中占有非常重要的位置。,四 如何学好大学物理,课前预习 培养自学能力，对有疑问的内容作 针对性的听课。（看第一遍书）,b. 听课 弄懂有疑问的部分，发现自学理解错误的 内容及其出现问题。（记笔记）,c. 看书 进一步弄懂课堂讲授的内容，对照笔记解 决出现的问题。（看第二遍书）,d. 做作业 发现解决又出现的问题，培养解决处理问 题能力，养成踏踏实实、一丝不苟、仔细认真的 良好习惯。,e. 辅导答疑、同学之间进行讨论 解决问题、 发现问题，加深对教材的理解,f. 批改作业 发现错误，纠正错误。,g. 总复习 逐字逐句通读全书，理解、掌握所学 内容并将之串为一体。（看第三遍书）,h.

6、考试 检验学习情况，再次发现问题并解决之。,注意与中学物理的区别,标量 矢量；恒量为主 变量为主；定性分析 定量计算,打好数学基础 要想学好物理，必须有良好的数学知识作为基础。尤其要注意以下几个方面：坐标系的建立和使用；导数和积分运用；标量积；矢量积。,基本要求 1.上课注意听讲，记笔记，不得无故旷课。 2. 按时完成作业，不抄袭作业。 3. 有问题问老师或同学，及时弄懂有关问题，不要拖。,为了实现我国的国防现代化，必然要有大量的机械化、自动化的武器装备于部队，这些武器从何来？恐怕大多数只能靠我国自力更生解决，这是一项十分艰巨的任务，设计、制造、使用、维护现代化的武器装备，需要大批的专业人才。

7、在座的各位都是未来的工程师主要技术骨干，掌握好本课程的有关知识，将为你们未来的工作打下一个良好的基础。最后希望我们共同努力，把这门课程教好学好。,成绩评定,平时成绩 （作业、课堂表现、出勤率）30% 期末考试成绩占70%,伽利略在实验研究和理论分析的基础上，最早阐明自由落体运动的规律，提出加速度的概念。牛顿继承和发展前人的研究成果( 特别是开普勒的行星运动三大定律)，提出物体运动三定律。伽利略、牛顿奠定了动力学的基础。牛顿运动定律的建立标志着力学开始成为一门科学。它曾经被尊为完美普遍理论兴盛了约三百年。20世纪初，相对论指出牛顿力学不适用于高速或宇宙尺度内的物体运动；20年代，量子论指出牛顿力

8、学不适用于微观世界。这反映人们对力学认识的深化，即认 识到物质在不同层次上的机械运动规律是不同的。所以通常理解的力学，是指以宏观的机械运动为研究内容的物理学分支学科。,力 学 概 述,许多带“力学”名称的学科，如热力学、统计力学、相对论力学、电动力学、量子力学等，在习惯上被认为是物理学的其它分支，不属于力学范围。但是在一般技术领域，包括机械制造、土木建筑、地质勘探，甚至航空航天技术，经典力学起着重要的基础作用， 这种实用性是我们学习经典力学的原因。本册书讲述经典力学的基础，包括质点力学和部分刚体力学。着重阐明动量、角动量和能量等概念和相应守恒定律。狭义相对论时空观已经是当今物理学基础概念，它和

9、牛顿力学联系紧密，可归纳为经典力学范畴，本册最后一章介绍狭义相对论的基本概念和原理。,力 学 概 述,力学的分类： 1. 经典力学：研究弱引力场中宏观物体的低速运动。 2. 狭义相对论：研究宏观高速物体的运动。 3. 广义相对论：研究强引力场中物体的运动。 4. 量子力学：研究微观物体的运动。,第一篇力学的物理基础,力学研究的对象：专门研究机械运动的学科。,宏观物体之间（或物体内各部分之间）相对位置变动。,机械运动：,2、近代物理中微观体系的非决定论 （1）微观粒子的量子力学的不确定关系； （2）多粒子系统中个别粒子的统计不确定性； （3）非线性动力系统中的不可预言性。,牛顿力学的决定论与微观

10、体系的非决定论,1、牛顿力学决定论：物体的运动状态可精确 的测量、唯一的确定。,运动学研究物体在空间的位置随时间变化 规律或运动的轨道问题，而并不涉及物体发生 机械运动的变化原因。,动力学以牛顿运动定律为基础，研究物体 运动状态发生改变所遵守的规律。,经典力学：,第一章 质点运动学,教学基本要求,一 掌握位置矢量、位移、加速度等描述质点运动及运动变化的物理量 . 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 . 掌握运用运动方程确定质点的位置、位移、速度和加速度的方法，以及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.,三 能计算质点在平面内运动时的速度

11、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 了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.,一 参考系 质点 坐标系,质点是经过科学抽象而形成的理想化的物理模型 . 目的是为了突出研究对象的主要性质 , 暂不考虑一些次要的因素 .,地球绕太阳公转：地球半径： 日地距离： 地球可看作质点。,* 质点是理想模型，任何物体都有一定的形状和大小，物体是否可看作质点，不能单纯看它的大小，而应根据具体情况而定。,地球自转：不能将地球看作质点。, 作平动的物体；, 两物体间的距离远大于本身的线度.,一个物体能否看作质点的条件是：,3、坐标系,为了把物体在各个

12、时刻相对于参考系的位置定量地表示出来，需要在参考系中建立适当的坐标系。（固定坐标系、运动坐标系）,力学中常见的坐标系：直角坐标系；自然坐标系；极坐标系；球坐标系；柱坐标系。,1.2 描述物体机械运动的四个物理量,一、位置矢量 1.定义：由原点指向质点所在 位置（场点）的有向线段。,2.对直角坐标系：,大小：,是矢量（矢量性）,式中 、 、 分别为x、y、z 方向的单位矢量.,位矢 的方向余弦,P,2 运动方程质点相对参考系运动时，质点位置随时间变化，质点位置矢量是时间函数。,从中消去参数 得轨迹方程,二 位移质点末位置矢量与初位置矢量之差，称为位移矢量。它是描述质点位置变动情况的物理量。,位移

13、的大小为,所以位移,若质点在三维空间中运动， 则在直角坐标系 中其位 移为,4 路程（ ）: 质点实际运动轨迹的长度.,又,A) 确切反映物体在空间位置的变化, 与路径无关，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.,位移与路程,（B） 一般情况, 位移 大小不等于路程.,（D）位移是矢量, 路程是标量.,（C）什么情况 ？,不改变方向的直线运动; 当 时 .,三 速度 描述质点位置变化快慢的物理量。,1 平均速度,在 时间内, 质点从点 A 运动到点 B, 其位移为,时间内, 质点的平均速度,平均速度 与 同方向.,平均速度大小,或,2 瞬时速度,当质点做曲线运动时, 质点在

14、某一点的速度方向就是沿该点曲线的切线方向.,当 时平均速度的极限值叫做瞬时速度, 简称速度,当 时,瞬时速率：速度 的大小称为速率,若质点在三维空间中运动,其速度为,平均速率,瞬时速率,1） 平均加速度,与 同方向 .,（反映速度变化快慢的物理量）,单位时间内的速度增 量即平均加速度,2）（瞬时）加速度,四 加速度,加速度大小,加速度,加速度大小,质点作三维运动时加速度为,类型1 由质点的运动方程可以求得质点在任一时刻的位矢、速度和加速度；,类型2 已知质点的加速度以及初始速度和初始位置, 可求质点速度及其运动方程 .,基本问题,（1）匀速直线运动,（2）匀变速直线运动,讨论：,已知质点在xy

15、 平面内运动，运动函数为x=Rcost， y=Rsint, R和为常量。,（1）因规道方程,R,V,故知规道为一半径为R的圆，即质点作圆周运动。,求：,（1）质点的运动规道；,解：,（2）位矢,其中,速度,R,（2）位置矢量,解：,即速度的方向总是与位矢的方向垂直,即速度沿规道的切线方向。,速度,R,（2）,解：,加速度,故加速度的方向总是与位矢的方向相反, 即加速度的方向沿半径指向圆心。,加速度的大小,1.7 圆周运动,特点：不是固定坐标系，而是运动坐标系。,1.自然坐标系： 在质点运动轨迹上的任意点，均可建立如下坐标系，其中一根坐标轴沿该点的切线方向，单位矢量为 ；另一条坐标轴沿该点轨迹的

16、法线并指向曲线的凹侧，单位矢量为 称为自然坐标系。,一、曲线运动的自然坐标表示法,2.圆周运动的自然坐标表示法,（2）速度,（3）加速度,的大小：,(1)运动方程,的方向：,故有,所以,2.圆周运动的自然坐标表示法,切向加速度：,表示速度大小变化的快慢。,法向加速度：,表示速度方向变化的快慢。,2.圆周运动的自然坐标表示法,总加速度 的大小为,方向为（与 间的夹角）：,通常不指向圆心。,2.圆周运动的自然坐标表示法,讨论：对于匀速圆周运动有,只有法向加速度，也称向心加速度。,2.圆周运动的自然坐标表示法,3一般曲线运动的自然坐标表示法,（2）速度,（3）加速度,（1）运动方程,平面极坐标,设一

17、质点在 平面内 运动，某时刻它位于点 A .矢 径 与 轴之间的夹角 为 . 于是质点在点 A 的位 置可由 来确定 .,以 为坐标的参考系为平面极坐标系 .,二、圆周运动的极坐标描述及角量与线量的关系,(1) 角位置 ,单位：rad,(2) 角位移,1、圆周运动的极坐标（角量）描述,单位：rad,其中 R 为常量,(3) 平均角速度,单位：,（4）平均角加速度,单位：2,瞬时角速度,瞬时角加速度：,1、圆周运动的极坐标（角量）描述,2. 匀速圆周运动的角量描述:, = const ， 0,运动方程为: 0,3.匀变速圆周运动的角量描述,为变量，= const,运动方程：,类比法,4.圆周运动

18、中线量和角量的关系,（,1.速度,2.加速度,3.运动方程,4.飞行时间,5.最大高度及射程,6.轨道函数,1.4 抛体运动,例1.5,一列火车静止开始速率均匀增大。其轨道半径为R=800m 的圆弧，已知启动后3秒时列车速率为20m/s，求启动后 2秒时列车切向加速度，法向加速度和总加速度。,1.5 运动描述的相对性 伽利略变换,运动本身是绝对的，但对运动的描述是相对的，对于不同的参照系，对同一运动的描述是不同的，这就是运动描述的相对性。,本节讨论： 1.经典力学中不同参照系间的时空关系； 2.经典力学的坐标、速度、加速度变换（伽利略变换）。,一 时间与空间,在两个相对作直线运动的参考系中，

19、时间的测量是绝对的，空间的测量也是绝对的， 与参考系无关， 时间和长度的的绝对性是经典力学或牛顿力学的基础 .,A,B,小车以较低的速度 沿水平轨道先后通过点 A 和点 B . 地面上人测得车通过 A、B 两点间的距离和时间与车上的人测量结果相同 .,物体运动的轨迹依赖于观察者所处的参考系,二 相对运动,一、经典力学的时空观 伽利略坐标变换,1. 经典力学的时空观,设有两个参照系内相应的坐标系K系（静止）与 系（运动）,可写为：,上式成立的条件之一为,空间两点间距离的测量与坐标系的选择无关。,-经典力学的空间观（空间的绝对性）。,上式成立的条件之二为,即：时间的测量与参照系的选择无关。,经典力

20、学的时间观（时间的绝对性）。,绝对时间和绝对空间的概念构成了经典力学的绝对时空观。,（适用于宏观低速的情形，以牛顿为代表）,伽利略速度变换,将上面的坐标变换式对时间求导并移项得,即：质点对K系的速度等于它对K，系的速度与K，对K系速度的矢量和。,绝对速度、相对速度、牵连速度,称为伽利略速度变换式或经典力学速度变换法则。,伽利略加速度变换,绝对加速度等于相对 加速度加牵连加速度,* 当,它表明，质点的加速度对于作匀速直线运动的各个参照系（即惯性系）来说，是个绝对量。即牛顿运动定律在所有惯性系中具有相同的形式。,已知：v车地=20m/s 方向向东，,求:,解:,作速度三角形如图,则,在车上看雨与铅直方向夹角,( 偏向西 ),y,x,x,y,0,0,v雨地=10m/s 方向铅直向下。,