大學(xué)物理(緒論,第一章)

1、黃慶捷山東大學(xué)信息學(xué)院電話：力學(xué)與分子物理學(xué)2022/8/131南通大學(xué)物理教育教研究室 1、物質(zhì)世界 時(shí)間與空間是物質(zhì)的最基本屬性，物理學(xué)的發(fā)展史就是時(shí)間與空間研究的發(fā)展史。地心說-日心說-宇宙無心說。經(jīng)典時(shí)空觀、相對(duì)論時(shí)空觀。 物理學(xué)是研究自然界中物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)及基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)。一.什么是物理學(xué)？空間尺度約150億光年(宇宙) 1020 m(夸克)時(shí)間尺度150億年(宇宙年齡)10-27s( 射線周期)速率范圍0(靜止) 3108 m/s(光速)2022/8/132南通大學(xué)物理教育教研究室2、物質(zhì)的兩種形態(tài)： a.實(shí)物微觀實(shí)物（電子、中子等）宏觀實(shí)物（氣、液、固等

2、）宇觀實(shí)物（日、月、星、辰等） b. 場(chǎng) （電場(chǎng)、磁場(chǎng)、引力場(chǎng)等）3、運(yùn)動(dòng)和相互作用是物質(zhì)的普遍屬性： 萬事萬物都處在不停的運(yùn)動(dòng)和變化之中，運(yùn)動(dòng)是永恒的,其運(yùn)動(dòng)形式有a 機(jī)械運(yùn)動(dòng); b 電磁運(yùn)動(dòng); c 分子熱運(yùn)動(dòng)等。 自然界中沒有不發(fā)生相互作用的物質(zhì)，有引力相互作用、電磁相互作用等。 物體的運(yùn)動(dòng)和相互作用，構(gòu)成了自然界形形色色的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)形態(tài)和自然現(xiàn)象。量子物理學(xué)經(jīng)典物理學(xué)天體物理學(xué)3物理學(xué)作為嚴(yán)格的、定量的自然科學(xué)的帶頭學(xué)科一直在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的作用。物理與數(shù)學(xué)：數(shù)學(xué)是物理學(xué)不可缺少的工具，物理學(xué)為數(shù)學(xué)開辟了廣闊的研究領(lǐng)域。物理學(xué)與化學(xué)：唇齒相依息息相關(guān)，例如原子殼層結(jié)構(gòu)

3、的建立，從本質(zhì)上說明了元素化學(xué)性質(zhì)周期性變化的規(guī)律性。物理學(xué)與生物學(xué)：為生命科學(xué)提供理論概念和方法，為生命科學(xué)提供現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)手段。物理學(xué)與哲學(xué)：物理學(xué)的研究離不開哲學(xué)思想的指導(dǎo)，物理學(xué)的發(fā)展又促進(jìn)了哲學(xué)的進(jìn)步。二、物理學(xué)是自然學(xué)科的帶頭學(xué)科2022/8/134南通大學(xué)物理教育教研究室三、物理學(xué)是科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)第一次工業(yè)革命：工業(yè)的機(jī)械化-瓦特的蒸汽機(jī) 基礎(chǔ)： 牛頓力學(xué)和波爾茲曼等創(chuàng)立的熱力學(xué)第二次工業(yè)革命：工業(yè)的電氣化-發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)。 基礎(chǔ)： 法拉第與麥克斯韋等建立的電磁學(xué)第三次工業(yè)革命：工業(yè)的自動(dòng)化與核能的應(yīng)用-計(jì)算機(jī)、光通訊、核彈、核能發(fā)電?；A(chǔ)： 愛因斯坦的相對(duì)論、普朗克、 波爾、等

4、人 創(chuàng)立的量子力學(xué)。第四次工業(yè)革命：納米技術(shù)、基因工程、超導(dǎo)體應(yīng)用.基礎(chǔ)： 現(xiàn)代物理學(xué)理論 .2022/8/135南通大學(xué)物理教育教研究室 1.核能技術(shù)：可控?zé)岷司圩兡艿难芯浚瑢榻?決21世紀(jì)能源問題開辟道路。2.超導(dǎo)技術(shù)：無耗損地傳輸電流的超導(dǎo)體，可以節(jié)約大量電能，高溫超導(dǎo)的廣泛應(yīng)用，將導(dǎo)致一場(chǎng)偉大的工業(yè)革命。3.微電子技術(shù)：目前半導(dǎo)體器件已接近物理和技術(shù)上的極限，迫切要求物理學(xué)家從微結(jié)構(gòu)的研究中創(chuàng)造出要求更高的器件。4.光電子技術(shù)：光通信、光全息、光計(jì)算等，具有容量大、抗干擾強(qiáng)、保密性高、低成本等優(yōu)勢(shì)，已成為國(guó)際高科技競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。.四、物理學(xué)的基礎(chǔ)研究在當(dāng)前最引人注目的高技術(shù)如下：202

5、2/8/136南通大學(xué)物理教育教研究室 五、物理學(xué)的主要特點(diǎn)1、物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，是觀察、試驗(yàn)與科學(xué)思維的產(chǎn)物。2、物理學(xué)的基本結(jié)構(gòu)： 基本概念+基本定律+基本思想+ 基本方法. (1)基本概念： 是物理學(xué)的核心內(nèi)容。如：速度、加速度、力。 (2)基本定律： 是基本概念的本質(zhì)聯(lián)系。如：牛頓定律、守恒定律等 (3)基本思想： 是物理學(xué)家在建立概念和定律時(shí) 所遵從的指導(dǎo)思想。 如能量守恒、物質(zhì)不滅等，是物理學(xué)的靈魂 (4)基本方法：是物理學(xué)家在建立概念和定律時(shí)所使用的研究方法 如實(shí)驗(yàn)分析法，歸納類比法等等。物理學(xué)的研究方法是科學(xué) 素質(zhì)的集中體現(xiàn)。是人類的共同財(cái)富，對(duì)所有的科學(xué)研究都有極好的借鑒

6、意義，2022/8/137南通大學(xué)物理教育教研究室思維訓(xùn)練：利用各種思維方法將各知識(shí)點(diǎn)聯(lián)成一個(gè)縱橫交錯(cuò)，四通八達(dá)的網(wǎng) x v a功能定理動(dòng)能定理機(jī)械能守恒動(dòng)量定理角動(dòng)量定理轉(zhuǎn)動(dòng)定理勢(shì)能質(zhì)能定理能量動(dòng)量關(guān)系質(zhì)速關(guān)系長(zhǎng)度收縮時(shí)間延緩2022/8/138南通大學(xué)物理教育教研究室第一章：質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)1.1參考系 坐標(biāo)系 質(zhì)點(diǎn)1.1.1參考系和坐標(biāo)系 靜止是相對(duì)的，運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的，地心學(xué)說被日心說取代，讓人們明白，判斷物體運(yùn)動(dòng)與否，首先要選擇統(tǒng)一的物體作參考。即使是太陽，在銀河系中其它恒星系統(tǒng)觀察，仍然運(yùn)動(dòng)著的。銀河系指南針2022/8/139南通大學(xué)物理教育教研究室參考系：描述物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，被選作參考的物體

7、，稱為參考系。 要定量描述物體的位置與運(yùn)動(dòng)情況，就要運(yùn)用數(shù)學(xué)手段，采用固定在參考系上的坐標(biāo)系。 常用的坐標(biāo)系有直角坐標(biāo)系(x,y,z)，極坐標(biāo)系(,)，球坐標(biāo)系(R, )，柱坐標(biāo)系(R, ,z )。 xyzozR參考方向zoRxy2022/8/1310南通大學(xué)物理教育教研究室1.1.2 質(zhì)點(diǎn)物體：具有大小、形狀、質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物 質(zhì)形態(tài)。 一般情況下，物體各部分的運(yùn)動(dòng)不相同，在運(yùn)動(dòng)的過程中大小、形狀可能改變，這使得運(yùn)動(dòng)問題變得復(fù)雜。 某些情況下，物體的大小、形狀不起作用，或者起次要作用而可以忽略其影響簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)模型。質(zhì)點(diǎn)：具有一定質(zhì)量沒有大小或形狀的理想物體。2022/8/1311南通大學(xué)物

8、理教育教研究室可以作為質(zhì)點(diǎn)處理的物體的條件：大小和形狀對(duì)運(yùn)動(dòng)沒有影響或影響可以忽略。研究地球公轉(zhuǎn)地球上各點(diǎn)的公轉(zhuǎn)速度相差很小，忽略地球自身尺寸的影響，作為質(zhì)點(diǎn)處理。2022/8/1312南通大學(xué)物理教育教研究室研究地球自轉(zhuǎn)地球上各點(diǎn)的速度相差很大，因此，地球自身的大小和形狀不能忽略，這時(shí)不能作質(zhì)點(diǎn)處理。2022/8/1313南通大學(xué)物理教育教研究室除車輪外，汽車各部分運(yùn)動(dòng)情況完全相同，車輪的運(yùn)動(dòng)是次要的，此時(shí)可把汽車作為質(zhì)點(diǎn)處理。研究汽車在平直道路上運(yùn)動(dòng)涉及轉(zhuǎn)動(dòng)問題，汽車各部分運(yùn)動(dòng)情況不同，各個(gè)車輪受力差異很大，不能把汽車做質(zhì)點(diǎn)處理。研究汽車突然剎車“前傾”或轉(zhuǎn)彎質(zhì)點(diǎn)是從實(shí)際中抽象出的理想模型

9、，研究質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是為了抓住事物的主要矛盾進(jìn)行研究分析。2022/8/1314南通大學(xué)物理教育教研究室時(shí)間與時(shí)刻2022/8/1315南通大學(xué)物理教育教研究室1.2質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的描述1.2.1位置矢量 位移 在坐標(biāo)系中，用來確定質(zhì)點(diǎn)所在位置的矢量，叫做位置矢量。位置矢量是從坐標(biāo)原點(diǎn)指向質(zhì)點(diǎn)所在位置的有向線段。oxyzP(x,y,z)2022/8/1316南通大學(xué)物理教育教研究室2. 位移oxyz位移反映質(zhì)點(diǎn)位置變化的物理量，從初始位置指向末位置的有向線段。路程是質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過實(shí)際路徑的長(zhǎng)度。路程是標(biāo)量。注意區(qū)分o BS A2022/8/1317南通大學(xué)物理教育教研究室1.2.2 速度速度是描述質(zhì)點(diǎn)位置隨時(shí)

10、間變化的快慢和方向的物理量。平均速度平均速率平均速度是矢量，其方向與位移的方向相同。平均速率是標(biāo)量。平均速度的大小并不等于平均速率。例如質(zhì)點(diǎn)沿閉合路徑運(yùn)動(dòng)。2022/8/1318南通大學(xué)物理教育教研究室瞬時(shí)速度 oP1 當(dāng) t0時(shí)，P2點(diǎn)向P1點(diǎn)無限靠近。P2P2P2P2P2P2P2P2P22022/8/1319南通大學(xué)物理教育教研究室方向:當(dāng) 時(shí)位移 的極限方向，該位置的切線方向，指向質(zhì)點(diǎn)前進(jìn)的一側(cè)。瞬時(shí)速度是矢量，直角坐標(biāo)系中分量形式：大小: 2022/8/1320南通大學(xué)物理教育教研究室1.2.2 加速度加速度是描述質(zhì)點(diǎn)速度的大小和方向隨時(shí)間變化快慢的物理量。x y z P2 P1 o2

11、022/8/1321南通大學(xué)物理教育教研究室x y z P2 P1 o注意區(qū)分 、o平均加速度平均加速度是矢量，方向與速度增量的方向相同。2022/8/1322南通大學(xué)物理教育教研究室瞬時(shí)加速度 與瞬時(shí)速度的定義相類似，瞬時(shí)加速速度是一個(gè)極限值 瞬時(shí)加速度簡(jiǎn)稱加速度，它是矢量，在直角坐標(biāo)系中用分量表示:2022/8/1323南通大學(xué)物理教育教研究室加速度的方向就是時(shí)間t趨近于零時(shí)，速度增量的極限方向。加速度與速度的方向一般不同。大小加速度與速度的夾角為0或180，質(zhì)點(diǎn)做直線運(yùn)動(dòng)。加速度與速度的夾角等于90，質(zhì)點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)。2022/8/1324南通大學(xué)物理教育教研究室1.3 直線運(yùn)動(dòng)1.3.1

12、 直線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程直線運(yùn)動(dòng)是當(dāng)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌道是一條直線的運(yùn)動(dòng)。xtOx+xxt+ttxt直線運(yùn)動(dòng)的位移時(shí)間曲線2022/8/1325南通大學(xué)物理教育教研究室1.3.2 直線運(yùn)動(dòng)中的速度在x-t圖象上，v的量值就是在t時(shí)刻曲線的斜率V0表示質(zhì)點(diǎn)向x軸正方向運(yùn)動(dòng)，V0表示質(zhì)點(diǎn)向x軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)2022/8/1326南通大學(xué)物理教育教研究室如果質(zhì)點(diǎn)的速度v=v(t)已知，則可以通過積分Otvt0t2022/8/1327南通大學(xué)物理教育教研究室1.3.3 直線運(yùn)動(dòng)中加速度在v-t圖象上，a的量值就是在t時(shí)刻曲線的斜率如果質(zhì)點(diǎn)的速度a=a(t)已知，則可以通過積分2022/8/1328南通大學(xué)物理教育教

13、研究室勻加速直線運(yùn)動(dòng)的加速度是常數(shù)，所以v-t曲線是一條斜率為a的直線，如果t=0時(shí)，質(zhì)點(diǎn)速率為v0，質(zhì)點(diǎn)在時(shí)刻t的速率為：1.3.4 勻加速直線運(yùn)動(dòng)假定t=0時(shí)，x=x0,則Ottvv0勻加速直線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程2022/8/1329南通大學(xué)物理教育教研究室這就是勻加速直線運(yùn)動(dòng)中質(zhì)點(diǎn)的位移、速度和加速度之間的關(guān)系式2022/8/1330南通大學(xué)物理教育教研究室1.4 圓周運(yùn)動(dòng)和拋體運(yùn)動(dòng)1.4.1 勻速圓周運(yùn)動(dòng)ABSOA(B)CD向心加速度a的方向與v垂直，指向圓心三角形AOB和三角形CAD相似2022/8/1331南通大學(xué)物理教育教研究室ABSOA(B)CD則，2022/8/1332南通大學(xué)物理教育教研究室1.4.2 變速圓周運(yùn)動(dòng)ABSOA(B)CDE2022/8/1333南通大學(xué)物理教育教研究室1.4.3 圓周運(yùn)動(dòng)角量表示oxyA(t)B(t+t) R逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)2022/8/1334南通大學(xué)物理教育教研究室質(zhì)點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)質(zhì)點(diǎn)做勻加速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)2022/8/1335南通大學(xué)物理教育教研究室1.5 相對(duì)運(yùn)動(dòng)O對(duì)上式求一次導(dǎo)數(shù)2022/8/1336南通大學(xué)物理教育教研究室2022/8/1337南通大