大學(xué)物理-西安交通大學(xué)ppt課件

UniversityPhysics Xi anJiaotongUniversityAipingFangapfang 2 20 2012 UniversityphysicsAPFang 方愛平 理學(xué)院應(yīng)用物理系 辦公電話 82663394 辦公室 主樓E1111 E mail apfang 大學(xué)物理網(wǎng)址 202 117 23 17 課件下載 教學(xué)園地 姓名 學(xué)號密碼 學(xué)號 一 什么是物理學(xué) 物理學(xué) 研究物質(zhì)世界中最基本形態(tài)和規(guī)律的科學(xué) 物理學(xué)研究范圍 物質(zhì)世界的層次和數(shù)量級 Physics 質(zhì)子 類星體 空間尺度 微觀粒子Microscopic 介觀物質(zhì)mesoscopic 宏觀物質(zhì)macroscopic 宇觀物質(zhì)cosmological 緒論 UniversityphysicsAPFang 基本粒子壽命 宇宙壽命 時(shí)間尺度 最小的細(xì)胞 原子 原子核 基本粒子 DNA長度 星系團(tuán) 銀河系 最近恒星的距離 太陽系 太陽 山 哈勃半徑 超星系團(tuán) 人 蛇吞尾圖 形象地表示了物質(zhì)空間尺寸的層次 UniversityphysicsAPFang 標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型給出的宇宙起源與基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型給出的物質(zhì)組成是一致的 按空間尺度劃分 量子力學(xué)經(jīng)典物理學(xué)宇宙物理學(xué) 按運(yùn)動速率大小劃分 相對論物理學(xué)非相對論物理學(xué) 按客體大小劃分 微觀系統(tǒng)宏觀系統(tǒng) 按運(yùn)動速度劃分 低速現(xiàn)象高速現(xiàn)象 物理學(xué)的發(fā)展 實(shí)驗(yàn)物理 理論物理 計(jì)算物理 TodayPhysics UniversityphysicsAPFang 二 物理學(xué)中的主要基本理論是什么 牛頓力學(xué) Newtonianmechanics 研究物體機(jī)械運(yùn)動的基本規(guī)律及關(guān)于時(shí)空相對性的規(guī)律 電磁學(xué) Electromagnetism 研究電磁現(xiàn)象 物質(zhì)的電磁運(yùn)動規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律 熱力學(xué) Thermodynamics 研究物質(zhì)熱運(yùn)動的統(tǒng)計(jì)規(guī)律及其宏觀表現(xiàn) 相對論 Relativity 研究物體的高速運(yùn)動效應(yīng)以及相關(guān)的動力學(xué)規(guī)律 量子力學(xué) Quantummechanics 研究微觀物質(zhì)運(yùn)動現(xiàn)象以及基本運(yùn)動規(guī)律 結(jié)論 物理學(xué)是一門最基本的科學(xué) 是最古老 但發(fā)展最快的科學(xué) 它提供最多 最基本的科學(xué)研究手段 UniversityphysicsAPFang 三 物理學(xué)構(gòu)成所有自然科學(xué)的理論基礎(chǔ) 物理學(xué)是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ) 物理學(xué)派生的分支 物理學(xué)構(gòu)成了化學(xué) 生物學(xué) 材料科學(xué) 地球物理學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ) 物理學(xué)的基本概念和技術(shù)被應(yīng)用到所有的自然科學(xué)之中 物理學(xué)與數(shù)學(xué)之間的關(guān)系 UniversityphysicsAPFang 四 物理學(xué)與技術(shù) 二十世紀(jì)以來 物理學(xué)被公認(rèn)為科技發(fā)展中最重要的帶頭學(xué)科 第一種模式 熱機(jī)的發(fā)明 第二種模式 電氣化的發(fā)展 核能的利用 激光器的產(chǎn)生 層析成像技術(shù) CT 電子計(jì)算機(jī) 技術(shù) 物理 技術(shù) 物理 技術(shù) 物理 粒子散射實(shí)驗(yàn) X射線的發(fā)現(xiàn) 受激輻射理論 晶體管的發(fā)現(xiàn) UniversityphysicsAPFang UniversityphysicsAPFang 電子計(jì)算機(jī)的誕生 1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室的巴丁 布拉頓和肖克來發(fā)明了晶體管 標(biāo)志著信息時(shí)代的開始 1962年發(fā)明了集成電路 70年代后期出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路 1925 26年建立了量子力學(xué) 1926年建立了費(fèi)米 狄拉克統(tǒng)計(jì) 1927年建立了布洛赫波的理論 1928年索末菲提出能帶的猜想 1929年派爾斯提出禁帶 空穴的概念同年貝特提出了費(fèi)米面的概念 1957年皮帕得測量了第一個(gè)費(fèi)米面 UniversityphysicsAPFang 超晶格材料 納米材料 光子晶體 晶體管的發(fā)明 大規(guī)模集成電路 電子計(jì)算機(jī) 信息技術(shù)與工程 當(dāng)今物理學(xué)和科學(xué)技術(shù)的關(guān)系 兩種模式并存 相互交叉 相互促進(jìn) 量子力學(xué) 能帶理論 人工設(shè)計(jì)材料 幾乎所有的重大新 高 技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)立 事先都在物理學(xué)中經(jīng)過長期的醞釀 沒有昨日的基礎(chǔ)科學(xué)就沒有今日的技術(shù)革命 李政道 UniversityphysicsAPFang 五 怎樣學(xué)習(xí)物理學(xué) 著名物理學(xué)家費(fèi)曼說 著名物理學(xué)家愛因斯坦說 學(xué)習(xí)的方法 從整體上邏輯地 協(xié)調(diào)地學(xué)習(xí)物理學(xué) 了解物理學(xué)中各個(gè)分支之間的相互聯(lián)系 UniversityphysicsAPFang O 取一質(zhì)量元 切線方向 對固定軸的力矩 對所有質(zhì)元 合內(nèi)力矩 0 合外力矩M 剛體的轉(zhuǎn)動慣量J 剛體繞定軸轉(zhuǎn)動定律 學(xué)習(xí)的關(guān)鍵 勤于思考 悟物窮理 UniversityphysicsAPFang 經(jīng)典理論解釋氫原子的線狀光譜遇到困難 電子繞原子核做圓周運(yùn)動輻射電磁波原子系統(tǒng)的能量逐漸減小不可能有穩(wěn)定的原子原子光譜為連續(xù)的帶狀光譜 UniversityphysicsAPFang 電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 僅縫A打開 僅縫B打開 雙縫同時(shí)打開時(shí)實(shí)際得到的干涉圖 雙縫同時(shí)打開時(shí)所想象的干涉圖 實(shí)物粒子具有粒子性 實(shí)物粒子具有波動性 矛盾 伴隨實(shí)物粒子的波到底是什么樣的波 學(xué)習(xí)的重點(diǎn) 物理模型 數(shù)學(xué)表述 研究方法與適用條件 UniversityphysicsAPFang 不考慮分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并忽略其大小 標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體分子間平均距離 已知液氮的密度 氮分子半徑 理想氣體的微觀模型 理想氣體的狀態(tài)方程 實(shí)際氣體的狀態(tài)方程 UniversityphysicsAPFang 六 本學(xué)期的任務(wù)和要求 任務(wù) 經(jīng)典力學(xué) 狹義相對論 電磁學(xué) 聽課 信息量較大 進(jìn)度較快 范圍較寬 要求 抓住主線 注重分析 學(xué)會總結(jié) 閱讀 大學(xué)物理 吳百詩主編科學(xué)出版社 大學(xué)物理學(xué) 張三慧主編清華大學(xué)出版社 費(fèi)曼物理學(xué)講義 教材 大學(xué)物理 吳百詩主編高等教育出版社 參考書 作業(yè) 兩本8 00元 中二樓3216 要求 獨(dú)立完成 舉一反三 一題多解 扎實(shí)練習(xí) UniversityphysicsAPFang 答疑時(shí)間安排 2 16周周一至周四晚7 30 10 00 地點(diǎn) 中二樓3224 另每兩周安排單獨(dú)答疑一次 地點(diǎn) 主樓E1111 時(shí)間待定 關(guān)于學(xué)生成績評定辦法 平時(shí)成績占總成績10 根據(jù)作業(yè)完成情況和隨堂測驗(yàn)評定成績 注意 按學(xué)校規(guī)定缺交作業(yè)1 3以上者 不能參加期末考試 2 期中考試占總成績10 3 期末考試占總成績80 題型及成績分布 1 選擇題20分 2 填空題30分 3 計(jì)算及證明題50分 第一篇經(jīng)典力學(xué) 經(jīng)典力學(xué) 物體機(jī)械運(yùn)動現(xiàn)象與動力學(xué)規(guī)律 機(jī)械運(yùn)動 物體相對于其他物體的位置隨時(shí)間發(fā)生的變化 或物體內(nèi)部的各部分的相對位置隨時(shí)間發(fā)生的變化 物質(zhì)運(yùn)動最基本 最簡單的運(yùn)動形式 力學(xué)是物理學(xué)和許多工程技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ) UniversityphysicsAPFang 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué) 質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 剛體力學(xué) 運(yùn)動規(guī)律的原因 質(zhì)點(diǎn)集合 質(zhì)點(diǎn)系 剛體運(yùn)動的基礎(chǔ) 第一章質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué) 預(yù)備知識 微積分 矢量代數(shù) 國際單位制 SI 1 1質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué)的基本概念 一 質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)系剛體 質(zhì)點(diǎn) 無大小與形狀的空間幾何點(diǎn) 具有一定的質(zhì)量 質(zhì)點(diǎn)系 若干質(zhì)點(diǎn)的集合體 對實(shí)際物體有條件的 合理的抽象描述 理想模型 二 參照系位置矢量 1 參照系 描述物體的相對性描述物體的近似性 剛體 大小 形狀的變化可以忽略不計(jì) UniversityphysicsAPFang 參照物 x y z 0 P 參照物 選取的任意性 參照系 參照物 坐標(biāo)系 時(shí)鐘 極坐標(biāo)系 2 位置矢量 PositionVector 運(yùn)動的相對性 直角坐標(biāo)系 自然坐標(biāo)系 P t x z y o 直角坐標(biāo)系 方向 大小 UniversityphysicsAPFang 三 運(yùn)動學(xué)方程 Equationsofmotion 時(shí)刻1 時(shí)刻2 直角坐標(biāo)系 描述物體運(yùn)動狀態(tài) 運(yùn)動疊加 合成 原理 確定物體運(yùn)動軌跡 軌跡方程 例 已知質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動 分析規(guī)律 解 質(zhì)點(diǎn)做平面圓周運(yùn)動 UniversityphysicsAPFang 1 2位移速度加速度 一 位移 Displacementvector x y z O P P 反映了物體運(yùn)動中位置 距離與方位 的變化 討論 1 直角坐標(biāo)系中 2 位移與參照物位置的變化無關(guān) O O UniversityphysicsAPFang 4 自然坐標(biāo)系 O P Q s 前提 質(zhì)點(diǎn)相對參考系的運(yùn)動軌跡已知 路程 5 位移是矢量 有大小 有方向 路程是標(biāo)量 6 位移僅與始 終兩點(diǎn)有關(guān) 而與運(yùn)動的細(xì)節(jié)無關(guān) 一質(zhì)點(diǎn)以半徑R作勻速圓周運(yùn)動 以圓心為原點(diǎn) 半個(gè)周期內(nèi)質(zhì)點(diǎn)位移的大小 位矢大小的增量為 例 UniversityphysicsAPFang 二 速度 描述質(zhì)點(diǎn)位置變化快慢和方向的物理量 1 平均速度 O 1 是矢量 說明 3 由于位移與所起始時(shí)刻及間隔大小有關(guān) 所以談到平均速度時(shí)應(yīng)指明哪一時(shí)刻所取哪段時(shí)間內(nèi)的平均值 4 位矢大小的變化對速度有貢獻(xiàn) 位矢方向的變化同樣對速度有貢獻(xiàn) 5 它只能對時(shí)間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)位矢隨時(shí)間變化的情況作一粗略描述 2 直角坐標(biāo)系 UniversityphysicsAPFang 2 瞬時(shí)速度 A B B 速度的性質(zhì) 矢量性瞬時(shí)性相對性 速度與速率的區(qū)別 B 直角系 UniversityphysicsAPFang 指向自然坐標(biāo)正的一側(cè) 自然坐標(biāo)系 方向 大小 方向 UniversityphysicsAPFang 例1 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方程 求 1軌跡方程 2 到 內(nèi)的 3 和 時(shí) 質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)速度 解 y x o UniversityphysicsAPFang 例2 如圖 桿以角速度 繞定點(diǎn) 勻速轉(zhuǎn)動 端與重物 用細(xì)繩連接 已知 求 當(dāng) 時(shí) 的速度 B M l R r 解 設(shè) 在t時(shí)刻 運(yùn)動學(xué)方程 UniversityphysicsAPFang 思考 已知 求 答案二 先求出 答案一 先求出 你認(rèn)為哪種方法是正確的 Why UniversityphysicsAPFang 三 加速度 1 平均加速度 2 瞬時(shí)加速度 A B O 它是描述速度矢量變化的物理量 變化 速度大小和方向隨時(shí)間變化 說明 1 加速度反映速度的變化 大小和方向 情況 2 加速度的方向總是指向軌跡曲線凹的一面 UniversityphysicsAPFang 3 直角坐標(biāo)系 4 自然坐標(biāo)系 第一項(xiàng)大小 方向 切向加速度 意義 反映速度大小的變化 UniversityphysicsAPFang 第二項(xiàng) 法向加速度 反映速度方向變化的快慢 意義 UniversityphysicsAPFang 勻速圓周運(yùn)動為例 P Q O R s 討論 1 在一般情況下 其中 為曲率半徑 引入曲率圓后 整條曲線就可看成是由許多不同曲率半徑的圓弧所構(gòu)成 的方向指向曲率圓中心 UniversityphysicsAPFang 2 自然坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系的關(guān)系 當(dāng) UniversityphysicsAPFang 思考題 拋體運(yùn)動中的曲率半徑 y x o B C 對B點(diǎn) 例1 如圖示 求速度大小與時(shí)間的關(guān)系 解 UniversityphysicsAPFang 例2 將光滑鋼絲彎成一豎直平面內(nèi)的曲線 一質(zhì)點(diǎn)可沿鋼絲向下滑動 已知 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的切向加速度為 g重力加速度 為切向與水平方向夾角 求 y x O g dy ds P 解 由題意知 UniversityphysicsAPFang UniversityphysicsAPFang 已知質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方程為 求 之間的路程 例3 解 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動速度為 速率為 路程有 圓周運(yùn)動的角量描述以及角量與線量之間的關(guān)系 角位置 Angularposition 與角位移 當(dāng) 質(zhì)點(diǎn)圓周運(yùn)動的角位移 規(guī)定 右手法則確定 的正負(fù)取值 角速度 Angularvelocity 當(dāng) 定義 質(zhì)點(diǎn)作圓周運(yùn)動的角速度 描述質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)動速率和轉(zhuǎn)動方向 d P Q o o x P Q y 質(zhì)點(diǎn)的圓周運(yùn)動方程 三 圓周運(yùn)動 UniversityphysicsAPFang 角加速度 角加速度 角速度對時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù) 注意 角加速度方向與角速度變化量的方向相同 o P 角量與線量的關(guān)系 P o d UniversityphysicsAPFang 線位移與角位移的關(guān)系 速度與角速度的關(guān)系 大小 方向 由右手法則確定 加速度與角加速度的關(guān)系 UniversityphysicsAPFang 例1 一質(zhì)點(diǎn)作半徑為 的圓周運(yùn)動 已知運(yùn)動學(xué)方程為 試求 1 當(dāng) 時(shí) 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的切向加速度和法向加速 2 當(dāng) 時(shí) 質(zhì)點(diǎn)的加速度與半徑成 角 解 1 由已知條件 度以及加速度的大小 2 設(shè) 時(shí)刻 質(zhì)點(diǎn)的加速度與半徑成 角 則 UniversityphysicsAPFang 例1 一質(zhì)點(diǎn)在水平面內(nèi)以順時(shí)針方向沿半徑為 道運(yùn)動 此質(zhì)點(diǎn)的角速度與運(yùn)動時(shí)間的平方成正比 即 待定常數(shù) 已知質(zhì)點(diǎn) 末的線速度為 求 時(shí)質(zhì)點(diǎn)的線速度和線加速度 的圓形軌 解 先確定常數(shù) UniversityphysicsAPFang UniversityphysicsAPFang 一質(zhì)點(diǎn)沿半徑為R的圓周運(yùn)動 運(yùn)動學(xué)方程為 其中都是常數(shù) 例2 解 求 2 加速度的大小等于b的時(shí)刻 1 在t時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的加速度 3 加速度的大小等于b時(shí) 質(zhì)點(diǎn)沿圓周運(yùn)行的圈數(shù) 1 2 3 圈數(shù)為 1 3質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué)的兩類問題 描述運(yùn)動狀態(tài)的物理量 描述運(yùn)動狀態(tài)變化的物理量 微分問題 積分問題 例 初始條件 UniversityphysicsAPFang 1 第一類問題 微分問題 由運(yùn)動學(xué)方程 求 例1 已知質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動學(xué)方程 為常數(shù) 解 討論 結(jié)果表征加速度與速度反方向 當(dāng) 求 質(zhì)點(diǎn)作減速運(yùn)動 直至靜止 根據(jù)運(yùn)動學(xué)方程 質(zhì)點(diǎn)速度隨時(shí)間變化 UniversityphysicsAPFang 例2 如圖示 求小船靠岸過程中的 h x l x y o u 解 答案 方法1建立運(yùn)動學(xué)方程 答案1 直角坐標(biāo)系 運(yùn)動學(xué)方程 UniversityphysicsAPFang 解 以坐標(biāo)圓點(diǎn)做小船的位矢 確定位移 再根據(jù)速度定義求解 方法2矢量分析 2 第二類問題 積分問題 由 以質(zhì)點(diǎn)的勻加速直線運(yùn)動為引子 答案2 求運(yùn)動方程 初始條件 UniversityphysicsAPFang v t關(guān)系 x t關(guān)系 v x關(guān)系 UniversityphysicsAPFang 例3 小船以速度 軌跡 垂直流 x y o u 水方向向?qū)Π秳澣?求 小船的運(yùn)動 解 直角坐標(biāo)系 中流速度為 根據(jù)題意 由速度定義 可得 已知河寬為d 河水流速為 k為待定系數(shù) UniversityphysicsAPFang 小船的運(yùn)動軌跡 y 典型的運(yùn)動學(xué)第二類問題 總結(jié) 1 對實(shí)際問題建立物理 數(shù)學(xué)模型 2 根據(jù)題意 確定初始條件 UniversityphysicsAPFang 例4 一船平行于海岸線航行 離岸距離為 速率為 一快艇從港口出發(fā) 以 解 發(fā)恰好追上 y x u o v D P 由此 得 都是相對于地面的速度 追擊這條船 已知 快艇應(yīng)從哪一點(diǎn)出 UniversityphysicsAPFang 1 4不同參照系中速度和加速度的變換 一 基本概念 o P o x x y y 絕對參照系s 研究對象 三種運(yùn)動 相對運(yùn)動 動點(diǎn)相對于動系的運(yùn)動稱為相對運(yùn)動 相對位移 相對速度 相對加速度 二個(gè)參照系 一個(gè)動點(diǎn) 相對參照系s 絕對運(yùn)動 動點(diǎn)相對于定系的運(yùn)動稱為絕對運(yùn)動 絕對位移 絕對速度 絕對加速度 牽連運(yùn)動 動系相對于定系的運(yùn)動稱為牽連運(yùn)動 牽連位移 牽連速度 牽連加速度 UniversityphysicsAPFang S 相