大學(xué)物理力學(xué)第一章

大學(xué)物理大學(xué)物理

緒論目錄一.什么是物理學(xué)二.物理學(xué)開展史三.為什么要學(xué)習(xí)大學(xué)物理四.如何學(xué)好大學(xué)物理一.什么是物理學(xué)物理學(xué)是研究物質(zhì)世界最根本形態(tài)的科學(xué)

物理學(xué)研究的范圍——物質(zhì)世界的層次和數(shù)量級物理學(xué)(Physics)質(zhì)子

10-15m空間尺度：物質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)相互作用物質(zhì)運動規(guī)律微觀粒子Microscopic介觀物質(zhì)mesoscopic宏觀物質(zhì)macroscopic宇觀物質(zhì)cosmological類星體

10

26m時間尺度：根本粒子壽命10-25s宇宙壽命

1018s緒論物理現(xiàn)象

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)

按運動速度劃分：低速現(xiàn)象高速現(xiàn)象

●牛頓力學(xué)(Mechanics)研究物體機(jī)械運動的根本規(guī)律及關(guān)于時空的規(guī)律●

電磁學(xué)(Electromagnetism)

研究電磁現(xiàn)象、物質(zhì)的電磁運動規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律●

熱力學(xué)(Thermodynamics)

研究物質(zhì)熱運動的統(tǒng)計規(guī)律及其宏觀表現(xiàn)●

相對論(Relativity)

研究物體的高速運動效應(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)運動現(xiàn)象以及根本運動規(guī)律二.物理學(xué)的五大根本理論物理學(xué)是一門最根本的科學(xué);是最古老、但開展最快的科學(xué);它提供最多、最根本的科學(xué)研究手段。2.近代物理學(xué)時期

19世紀(jì)末至今a狹義相對論

澄清時間和空間的概念。b量子力學(xué)

研究各種物體的運動及其相互作用。二.物理學(xué)開展史1.經(jīng)典物理學(xué)時期

19世紀(jì)末以前a經(jīng)典力學(xué)

研究人體尺度物體的運動及其相互作用。b電磁學(xué)

研究帶電物體的運動及相互作用，描述電磁現(xiàn)象?？梢院唵蔚貏澐殖蓛蓚€時期，包含四個主要理論三.

為什么要學(xué)習(xí)大學(xué)物理物理學(xué)是一切自然科學(xué)的根底

物理學(xué)派生出來的分支及交叉學(xué)科物理學(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)科的根底，物理學(xué)的根本概念和技術(shù)被應(yīng)用到所有自然科學(xué)之中。

物理學(xué)與數(shù)學(xué)之間有著深刻的內(nèi)在聯(lián)系粒子物理學(xué)原子核物理學(xué)原子分子物理學(xué)固體物理學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)激光物理學(xué)等離子體物理學(xué)地球物理學(xué)生物物理學(xué)天體物理學(xué)宇宙射線物理學(xué)

物理學(xué)與工程技術(shù)有著深刻的內(nèi)在聯(lián)系科學(xué)解決理論問題技術(shù)解決實際問題

物理學(xué)與工程技術(shù)相互促進(jìn)的模式1、技術(shù)物理技術(shù)2、物理技術(shù)物理蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用熱力學(xué)統(tǒng)計物理蒸汽機(jī)效率的提高內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明A、電磁學(xué)發(fā)電機(jī)，電力電器，無線電通訊技術(shù)電磁學(xué)B、量子力學(xué)，半導(dǎo)體物理晶體管超大規(guī)模集成電路技術(shù)，電子計算機(jī)技術(shù)，激光技術(shù)量子力學(xué)，激光物理C、狹義相對論，質(zhì)能關(guān)系原子彈及核能利用核物理、粒子物理、高能物理。物理學(xué)原理及理論初創(chuàng)式開發(fā)和應(yīng)用都成了當(dāng)時的高新技術(shù)。物理學(xué)仍然是當(dāng)代高新技術(shù)的主要源泉。是高等院校理工科類各專業(yè)的一門十分重要的根底課,在其一系列課程體系中占有非常重要的位置。四如何學(xué)好大學(xué)物理課前預(yù)習(xí)培養(yǎng)自學(xué)能力，對有疑問的內(nèi)容作針對性的聽課?！部吹谝槐闀砨.聽課弄懂有疑問的局部，發(fā)現(xiàn)自學(xué)理解錯誤的內(nèi)容及其出現(xiàn)問題?！灿浌P記〕c.看書進(jìn)一步弄懂課堂講授的內(nèi)容，對照筆記解決出現(xiàn)的問題。〔看第二遍書〕d.

做作業(yè)

發(fā)現(xiàn)解決又出現(xiàn)的問題，培養(yǎng)解決處理問題能力，養(yǎng)成踏踏實實、一絲不茍、仔細(xì)認(rèn)真的良好習(xí)慣。e.輔導(dǎo)答疑、同學(xué)之間進(jìn)行討論

解決問題、發(fā)現(xiàn)問題，加深對教材的理解f.批改作業(yè)

發(fā)現(xiàn)錯誤，糾正錯誤。g.總復(fù)習(xí)逐字逐句通讀全書，理解、掌握所學(xué)內(nèi)容并將之串為一體。〔看第三遍書〕h.

考試

檢驗學(xué)習(xí)情況，再次發(fā)現(xiàn)問題并解決之。注意與中學(xué)物理的區(qū)別標(biāo)量

矢量；恒量為主

變量為主；定性分析

定量計算打好數(shù)學(xué)根底要想學(xué)好物理，必須有良好的數(shù)學(xué)知識作為根底。尤其要注意以下幾個方面：坐標(biāo)系的建立和使用；導(dǎo)數(shù)和積分運用；標(biāo)量積；矢量積。根本要求1.上課注意聽講，記筆記，不得無故曠課。2.按時完成作業(yè)，不抄襲作業(yè)。

3.有問題問老師或同學(xué)，及時弄懂有關(guān)問題，不要拖。為了實現(xiàn)我國的國防現(xiàn)代化，必然要有大量的機(jī)械化、自動化的武器裝備于部隊，這些武器從何來？恐怕大多數(shù)只能靠我國自力更生解決，這是一項十分艱巨的任務(wù)，設(shè)計、制造、使用、維護(hù)現(xiàn)代化的武器裝備，需要大批的專業(yè)人才。在座的各位都是未來的工程師主要技術(shù)骨干，掌握好本課程的有關(guān)知識，將為你們未來的工作打下一個良好的根底。最后希望我們共同努力，把這門課程教好學(xué)好。成績評定

平時成績〔作業(yè)、課堂表現(xiàn)、出勤率〕30%期末考試成績占70%伽利略在實驗研究和理論分析的根底上，最早說明自由落體運動的規(guī)律，提出加速度的概念。牛頓繼承和開展前人的研究成果(特別是開普勒的行星運動三大定律)，提出物體運動三定律。伽利略、牛頓奠定了動力學(xué)的根底。牛頓運動定律的建立標(biāo)志著力學(xué)開始成為一門科學(xué)。它曾經(jīng)被尊為完美普遍理論興盛了約三百年。20世紀(jì)初，相對論指出牛頓力學(xué)不適用于高速或宇宙尺度內(nèi)的物體運動；20年代，量子論指出牛頓力學(xué)不適用于微觀世界。這反映人們對力學(xué)認(rèn)識的深化，即認(rèn)識到物質(zhì)在不同層次上的機(jī)械運動規(guī)律是不同的。所以通常理解的力學(xué)，是指以宏觀的機(jī)械運動為研究內(nèi)容的物理學(xué)分支學(xué)科。力學(xué)概述許多帶“力學(xué)〞名稱的學(xué)科，如熱力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)、相對論力學(xué)、電動力學(xué)、量子力學(xué)等，在習(xí)慣上被認(rèn)為是物理學(xué)的其它分支，不屬于力學(xué)范圍。但是在一般技術(shù)領(lǐng)域，包括機(jī)械制造、土木建筑、地質(zhì)勘探，甚至航空航天技術(shù)，經(jīng)典力學(xué)起著重要的根底作用，這種實用性是我們學(xué)習(xí)經(jīng)典力學(xué)的原因。本冊書講述經(jīng)典力學(xué)的根底，包括質(zhì)點力學(xué)和局部剛體力學(xué)。著重說明動量、角動量和能量等概念和相應(yīng)守恒定律。狹義相對論時空觀已經(jīng)是當(dāng)今物理學(xué)根底概念，它和牛頓力學(xué)聯(lián)系緊密，可歸納為經(jīng)典力學(xué)范疇，本冊最后一章介紹狹義相對論的根本概念和原理。力學(xué)概述力學(xué)的分類：1.經(jīng)典力學(xué)：研究弱引力場中宏觀物體的低速運動。2.狹義相對論：研究宏觀高速物體的運動。3.廣義相對論：研究強引力場中物體的運動。4.量子力學(xué)：研究微觀物體的運動。第一篇力學(xué)的物理根底力學(xué)研究的對象：專門研究機(jī)械運動的學(xué)科。宏觀物體之間〔或物體內(nèi)各局部之間〕相對位置變動。機(jī)械運動：2、近代物理中微觀體系的非決定論〔1〕微觀粒子的量子力學(xué)的不確定關(guān)系；〔2〕多粒子系統(tǒng)中個別粒子的統(tǒng)計不確定性；〔3〕非線性動力系統(tǒng)中的不可預(yù)言性。牛頓力學(xué)的決定論與微觀體系的非決定論1、牛頓力學(xué)決定論：物體的運動狀態(tài)可精確的測量、唯一確實定。

運動學(xué)研究物體在空間的位置隨時間變化規(guī)律或運動的軌道問題，而并不涉及物體發(fā)生機(jī)械運動的變化原因。動力學(xué)以牛頓運動定律為根底，研究物體運動狀態(tài)發(fā)生改變所遵守的規(guī)律。力學(xué)運動學(xué)動力學(xué)經(jīng)典力學(xué)：第一章教學(xué)根本要求

一

掌握位置矢量、位移、加速度等描述質(zhì)點運動及運動變化的物理量.理解這些物理量的矢量性、瞬時性和相對性.二理解運動方程的物理意義及作用.掌握運用運動方程確定質(zhì)點的位置、位移、速度和加速度的方法，以及質(zhì)點運動的加速度和初始條件求速度、運動方程的方法.

三能計算質(zhì)點在平面內(nèi)運動時的速度和加速度，以及質(zhì)點作圓周運動時的角速度、角加速度、切向加速度和法向加速度.四了解伽利略速度變換式,并會用它求簡單的質(zhì)點相對運動問題.一參考系質(zhì)點坐標(biāo)系

質(zhì)點是經(jīng)過科學(xué)抽象而形成的理想化的物理模型.目的是為了突出研究對象的主要性質(zhì),暫不考慮一些次要的因素.

如果我們研究某一物體的運動，而可以忽略其大小和形狀對物體運動的影響，若不涉及物體的轉(zhuǎn)動和形變，我們就可以把物體當(dāng)作是一個具有質(zhì)量的點（即質(zhì)點）來處理.

2

質(zhì)點

為描述物體的運動而選擇的標(biāo)準(zhǔn)物叫做參考系.1

參考系

選取的參考系不同，對物體運動情況的描述不同，這就是運動描述的相對性.運動本身是絕對的，但對運動的描述是相對的.地球繞太陽公轉(zhuǎn)：地球半徑：日地距離：

地球可看作質(zhì)點。*質(zhì)點是理想模型，任何物體都有一定的形狀和大小，物體是否可看作質(zhì)點，不能單純看它的大小，而應(yīng)根據(jù)具體情況而定。地球自轉(zhuǎn)：不能將地球看作質(zhì)點。﹡

作平動的物體；﹡

兩物體間的距離遠(yuǎn)大于本身的線度.一個物體能否看作質(zhì)點的條件是：3、坐標(biāo)系為了把物體在各個時刻相對于參考系的位置定量地表示出來，需要在參考系中建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系?！补潭ㄗ鴺?biāo)系、運動坐標(biāo)系〕力學(xué)中常見的坐標(biāo)系：直角坐標(biāo)系；自然坐標(biāo)系；極坐標(biāo)系；球坐標(biāo)系；柱坐標(biāo)系?！?.2描述物體機(jī)械運動的四個物理量一、位置矢量1.定義：由原點指向質(zhì)點所在位置〔場點〕的有向線段。2.對直角坐標(biāo)系：大?。菏鞘噶俊彩噶啃浴硑xzP（x，y，z）

o式中、、分別為x、y、z

方向的單位矢量.位矢的方向余弦PP2運動方程質(zhì)點相對參考系運動時，質(zhì)點位置隨時間變化，質(zhì)點位置矢量是時間函數(shù)。分量式從中消去參數(shù)得軌跡方程

二位移質(zhì)點末位置矢量與初位置矢量之差，稱為位移矢量。它是描述質(zhì)點位置變動情況的物理量。BABA經(jīng)過時間間隔后,質(zhì)點位置矢量發(fā)生變化,由始點A指向終點B的有向線段AB稱為點A到B的位移矢量.位移矢量也簡稱位移.

位移的大小為BA所以位移

若質(zhì)點在三維空間中運動，則在直角坐標(biāo)系中其位移為4路程（）:質(zhì)點實際運動軌跡的長度.又位移的物理意義A)

確切反映物體在空間位置的變化,與路徑無關(guān)，只決定于質(zhì)點的始末位置.B〕反映了運動的矢量性和疊加性.注意位矢長度的變化位移與路程〔B〕一般情況,位移大小不等于路程.〔D〕位移是矢量,路程是標(biāo)量.（C）什么情況？不改變方向的直線運動;當(dāng)時.討論（A）P1P2

兩點間的路程是不唯一的,可以是或而位移是唯一的.三速度描述質(zhì)點位置變化快慢的物理量。

1平均速度在

時間內(nèi),質(zhì)點從點A運動到點B,其位移為時間內(nèi),質(zhì)點的平均速度平均速度與

同方向.平均速度大小或BA2瞬時速度

當(dāng)質(zhì)點做曲線運動時,質(zhì)點在某一點的速度方向就是沿該點曲線的切線方向.

當(dāng)時平均速度的極限值叫做瞬時速度,簡稱速度當(dāng)時,瞬時速率：速度的大小稱為速率假設(shè)質(zhì)點在三維空間中運動,其速度為平均速率BA瞬時速率討論

一運動質(zhì)點在某瞬時位于矢徑的端點處，其速度大小為（A）（B）（B）（B）（C）（D）1〕平均加速度B與同方向.〔反映速度變化快慢的物理量〕

單位時間內(nèi)的速度增量即平均加速度2）（瞬時）加速度四加速度A加速度大小加速度加速度大小質(zhì)點作三維運動時加速度為類型1由質(zhì)點的運動方程可以求得質(zhì)點在任一時刻的位矢、速度和加速度；類型2質(zhì)點的加速度以及初始速度和初始位置,可求質(zhì)點速度及其運動方程.根本問題〔1〕勻速直線運動〔2〕勻變速直線運動討論：質(zhì)點在xy平面內(nèi)運動，運動函數(shù)為x=Rcost，y=Rsint,R和為常量?！?〕因規(guī)道方程rRV故知規(guī)道為一半徑為R的圓，即質(zhì)點作圓周運動。求：〔1〕質(zhì)點的運動規(guī)道；任一時刻質(zhì)點的位矢、速度和加速度。（2）解：〔2〕位矢其中

xyo速度xyor

VR

〔2〕位置矢量解：即速度的方向總是與位矢的方向垂直,即速度沿規(guī)道的切線方向。速度xyor

VR

〔2〕解：加速度故加速度的方向總是與位矢的方向相反,即加速度的方向沿半徑指向圓心。加速度的大小§1.7圓周運動P特點：不是固定坐標(biāo)系，而是運動坐標(biāo)系。1.自然坐標(biāo)系：在質(zhì)點運動軌跡上的任意點，均可建立如下坐標(biāo)系，其中一根坐標(biāo)軸沿該點的切線方向，單位矢量為；另一條坐標(biāo)軸沿該點軌跡的法線并指向曲線的凹側(cè)，單位矢量為稱為自然坐標(biāo)系。一、曲線運動的自然坐標(biāo)表示法2.圓周運動的自然坐標(biāo)表示法〔2〕速度〔3〕加速度的大?。?1)運動方程的方向：故有所以2.圓周運動的自然坐標(biāo)表示法切向加速度：表示速度大小變化的快慢。法向加速度：表示速度方向變化的快慢。2.圓周運動的自然坐標(biāo)表示法總加速度的大小為方向為（與間的夾角）：通常不指向圓心。2.圓周運動的自然坐標(biāo)表示法討論：對于勻速圓周運動有只有法向加速度，也稱向心加速度。2.圓周運動的自然坐標(biāo)表示法3．一般曲線運動的自然坐標(biāo)表示法〔2〕速度〔3〕加速度〔1〕運動方程平面極坐標(biāo)

A設(shè)一質(zhì)點在平面內(nèi)運動，某時刻它位于點A.矢徑與軸之間的夾角為.于是質(zhì)點在點A的位置可由來確定.以為坐標(biāo)的參考系為平面極坐標(biāo)系.它與直角坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系為二、圓周運動的極坐標(biāo)描述及角量與線量的關(guān)系(1)角位置θOXYP單位：rad(2)角位移1、圓周運動的極坐標(biāo)〔角量〕描述單位：rad其中R為常量(3)平均角速度單位：ｒａｄ／ｓ〔4〕平均角加速度單位：ｒａｄ／ｓ2OXYP瞬時角速度瞬時角加速度：1、圓周運動的極坐標(biāo)〔角量〕描述2.勻速圓周運動的角量描述:ω=const，α＝0運動方程為:θ＝θ0＋ωｔ3.勻變速圓周運動的角量描述ω為變量，α=const運動方程：類比法4.圓周運動中線量和角量的關(guān)系（1.速度2.加速度3.運動方程4.飛行時間5.最大高度及射程6.軌道函數(shù)

§1.4拋體運動例1.5一列火車靜止開始速率均勻增大。其軌道半徑為R=800m的圓弧，啟動后3秒時列車速率為20m/s，求啟動后2秒時列車切向加速度，法向加速度和總加速度。§1.5運動描述的相對性伽利略變換運動本身是絕對的，但對運動的描述是相對的，對于不同的參照系，對同一運動的描述是不同的，這就是運