大学物理力和运动 89页

任课教师：刘柏松liubs2002@sas.ustb.edu.cn课程名称：大学物理AI信箱：1\n《普通物理学》上册第一章力和运动2\n物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科,是自然科学的基础之一。一、物质世界与物理学研究的对象十分广泛：为人们描绘出一副五彩缤纷的图画宇观、宏观、微观空间尺度(相差1045－1046)1026m(约150亿光年)(宇宙)－10－20m(夸克)绪论3\n时间尺度(相差1045)1018s150亿年(宇宙年龄)-10-27s(硬射线周期)速率范围0-3x108m/s(光速)当今物理学的研究领域里有两个尖端，一个是高能物理或称粒子物理，另一个是天体物理。前者在最小尺度上探索物质更深层次的结构，后者在最大尺度上追寻宇宙的演化和起源。但是近十年的进展表明，这两个极端竟奇妙地衔接在一起，成为一对密不可分的姊妹科学。4\n物理学大蟒5\n二、物理学的研究对象1、研究物质的两种形态:实物包括微观粒子和宏观物体，它的范围是从基本粒子的亚核世界到整个宇宙。场包括电磁场、引力场、各种介子场等。2、研究物质最基本最普遍的运动形式物质的运动具有粒子和波动两种图象实物和场6\n微观领域内，场和实物都呈波、粒二象性.3、研究物质的相互作用物质间有四种相互作用:天体的、宏观的机械运动，分子的热运动(波、粒子性)(粒子性)引力作用、电磁作用、强作用、弱作用7\n三、物理学的阶段划分经典第一代：1543年以前，以亚里士多德为代表的物理学（如地心说，力是维持速度的原因等）.第二代：1543年～1900年以牛顿为代表的物理学.近代第三代：1900年～1928年以爱因斯坦的相对论和薛定谔、海森堡等的量子论为代表的近代物理学.第四代：1928年至今的现代物理学如激光、超导、混沌等.经典、近代物理8\n四、各种物理学的适用范围低速宏观:经典物理学高速宏观:相对论物理学高速微观:相对论量子物理学注:低速既远远小于光速;高速既接近光速;低速微观:量子物理学9\n标准宇宙模型给出的宇宙起源与基本粒子标准模型给出的物质组成是一致的从而体现了物理学的和谐、完美和对称。从遥远的过去宇宙产生于大爆炸、绝热膨胀至今，我们生活在这样的世界中。人们从自己开始通过各种实验手段(比如加速器)把物质打开，探索内部的由来。10\n提出命题修改理论推测答案理论预言实验检验应用演绎法－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五、物理学与科学思维1、物理学的研究方法11\n建立理论、证实理论、突破理论.2、物理学家的科学态度实验结果与已有理论不符合预示着重大突破爱因斯坦是典范1、物理学为其他学科创立技术和原理；2、重大新技术领域的创立总是经历长期的物理酝酿；如微电子技术的发展。3、物理学满足人类所深刻认识到的最根本的程度上了解自然界的需要。六、物理学与科学技术12\n卢瑟福a粒子散射实验(1909)－核能利用(40年代以后)爱因斯坦受激辐射理论(1917)－第一台激光器(1960)量子力学、费米狄拉克统计、－晶体管诞生(1947)、集成电路(1962)大规模集成电路(70年代后期)固体能带理论(20年代)（微结构物理）13\n六、如何学好物理学？不能仅仅掌握一些知识定律和公式更不要把注意力只集中在解题上,而应在学习过程中努力使自己逐步对物理学的内容、方法、工作语言、概念和物理图象,以及其历史、现状和前沿等方面,从整体上有个全面的了解。14\n关键:勤于思考悟物穷理勤于思考,就是对新的概念、定义、公式中的符号和公式本身的含义用自己的语言陈述出来。对于定理的证明、公式的推导，最好在了解了基本思路之后，自己背着书本把它们演算出来。这样才能对它们成立的条件、关键的步骤、推演的技巧等有深刻的理解。悟物穷理，就是要多向自己提问，明确哪些是事实？哪些是推论？推论是如何得来的？我为什么相信它等。15\n“科学是一种方法。它教导我们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了解到了什么程度，如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如何思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象”。——R.P费曼“我从不迷信权威，但命运捉弄了我——我自己变成了权威”——A.爱因斯坦给开始学习大学物理学的同学们：16\n以上是两位著名物理学家的话，我希望它们能成为大家学习物理的座右铭。学习课程除了掌握基本知识外，更重要的是学习一种科学的思维方法。正如一个古老的故事所讲的那样，学生从老师那里得到的，应该是一个点石成金的法则，而不是一堆金子。17\n1.1质点运动的描述1.2圆周运动和一般曲线运动1.3相对运动伽里略相对性原理1.4牛顿运动定律第一章力和运动1.5伽里略相对性原理非惯性系惯性力18\n一、理想模型1.1质点运动的描述如研究对象是地球A.公转主要因素：太阳的引力而其他天体的作用力和形状均可忽略B.自转地球形状不可忽略SE这两种情况应作不同的简化对实际研究对象的简化（主要、次要因素）19\n二、质点、刚体1.质点物体的形状可忽略，物体可看作有质量的点。将物体简化为质点的两种情况：（1）物体平动时可视为质点，物体上任一点的运动都可以代表所有点的运动。（2）物体本身线度和它活动范围相比小得很多时可视为质点.（此时物体的变形及转动显得并不重要）20\n物体平动时可视为质点任一点的运动都可以代表物体的运动21\n研究地球公转物体自身线度与其活动范围相比小得很多时可视为质点SE研究地球自转地球上各点的速度相差很大，地球自身的大小和形状不能忽略，地球不能作为质点处理。22\n3.质点系质点刚体特殊的质点系物体的形变可忽略，即，在运动过程中，刚体上任两点间距离不变。刚体刚体由质点组成。多个质点组成的系统（离散型、连续型）一般物体均可看作质点系2.刚体23\n（1）模型的建立讨论公转自转质点模型刚体模型ES地球（2）质点力学是基础质点系一个质点一个质点地解决连续体分割为无限多个质量元质点模型的数学描述24\n1.参考系为了描述一个物体的运动，必须选择另一个物体作为参考，被选作参考的物体称为参考系。三、参考系和坐标系日心系ZXY地心系o地面系25\n对于同一种运动，由于参照系选择的不同而有不同的描写。运动描述的相对性：车厢内的人：竖直下落地面上的人：抛物运动例如匀速运动车厢内某人竖直下抛一小球，观察小球的运动状态.孰是孰非？26\n为了定量地确定质点在空间的位置而固定在参照系上的一个计算系统。2.坐标系xyzozR参考方向zoRxy直角坐标(x,y,z)、自然坐标(n,t)、球坐标(R,,)极坐标(,)、柱坐标(R,,z)等27\n参照系与坐标系的区别：对物体运动的描写决定于参照系而不是坐标系。参照系选定后，选用不同的坐标系对运动的描写是相同的。四、位置矢量（位矢）描述质点在空间的位置P28\n五、运动学方程描述质点位置随时间变化的关系质点的轨道函数：由运动函数消去时间t，得：29\nQP六、位移描写质点位置的变化描写质点位矢对时间的变化率平均速度七、速度30\n速度QP描写速度随时间的变化八、加速度xyz0·31\n平均加速度··加速度瞬时加速度令t0xyz032\n用直角坐标表示位移、速度和加速度位移位置矢量AB33\nAB0速度34\n速率0加速度35\n例题1已知质点的运动方程：求质点的速度、速率和加速度。解：36\n例题2一质点以初速度作直线运动，其加速度为。求质点运动的路程与时间的关系。解：分离变量积分得37\n求：船靠岸的速率v例题3hSl解：先建立运动方程由图可知求导方向向左38\nP1.2圆周运动和一般曲线运动自然坐标系随时间变化的正交坐标系曲线运动圆周运动39\n1.圆周运动的角量描述o角坐标角速度角加速度40\n2.圆周运动的速度xOR某点处速度的方向沿该点处轨迹的切线方向41\n3.圆周运动的加速度xOR42\n43\no曲率半径4.一般曲线运动讨论描写质点速率的变化可以改变速度的大小（方向与平行）44\n描写质点运动方向的变化可以改变速度的方向（方向与垂直）方向指向凹面注意45\n例题4已知质点的运动方程求质点的切向加速度和法向加速度。解：46\n例题5质点作半径为R、角加速度为的匀角加速圆周运动。已知t=0时，=0，=0。求:（1）任意时刻的角速度=(t)；（2）任意时刻的角坐标=(t)；（3）任意时刻角坐标与角速度的关系:=()解（1）（2）47\n（3）任意时刻角坐标与角速度的关系：=()48\n运动的描述是相对的。本节将给出：同一物体在不同参考系中各自测量的状态量之间的定量关系。设参考系S′为动参考系，参考系S为静参考系。S′系相对S系平动，平动速度为。1.3相对运动49\n研究的问题是：t时刻质点运动到P点坐标系如图S系S'系S系描述的物理量是:S'系描述的物理量是:50\n引入矢量由图得两个参考系中位矢之间的关系：S系S'系而且或者伽里略坐标变换式51\n通常为了记忆，将上式写为：伽里略速度变换式对时间t求导,得同理,加速度变换式为52\n例如：S系（地）；S'系（汽车）由伽里略速度变换，得：53\n1）以上结论是在绝对时空观下得出的只有假定“长度的测量不依赖于参考系”（空间的绝对性），才能给出：只有再假定“时间的测量不依赖于参考系”（时间的绝对性），才能给出：绝对时空观只在u<G,这种情况叫做“超重”;当电梯加速下降时，N