绪 论 Introduction一、物理学（一、物理学（PhysicsPhysics）研究内容：研究物质结构、相互作用、研究内容：研究物质结构、相互作用、 物质基本运动、物质基本运动、相互转换的规律。相互转换的规律。研究对象：物质（研究对象：物质（MatterMatter ）物质形态：实物和场物质形态：实物和场 实物：微观粒子和宏观物体实物：微观粒子和宏观物体场：引力场、电磁场、介子场场：引力场、电磁场、介子场物质属性：物质属性：运动：粒子和波动图象运动：粒子和波动图象相互作用：引力、电磁、强、弱相互作用：引力、电磁、强、弱 四种相互作用四种相互作用实物和场的相互作用是由场来传递的。实物和场的相互作用是由场来传递的。人类科技发展史上的工业革命与物理学的关系：第一次工业革命：工业的机械化-瓦特的蒸汽机基础： 牛顿力学和波尔兹曼等创立的热力学第二次工业革命：工业的电气化-发电机、电动机基础： 法拉第与麦克斯韦等建立的电磁学第三次工业革命：工业的自动化与核能的应用-计算机、光通讯、核弹、核能发电基础： 爱因斯坦的相对论，普朗克、爱因斯坦、 波尔、薛定鄂等创立的量子力学。第四次工业 革命：工业的信息化-纳米技术、基因工程、超导体应用、基础： 现代物理学研究的理论与技术。二、大学物理课程内容二、大学物理课程内容：力学力学mechanicsmechanics ：机械运动和时空性质：机械运动和时空性质电磁学电磁学electromagneticselectromagnetics ：电磁场运动规律和电磁相互作用：电磁场运动规律和电磁相互作用波动学：宏观领域的波动规律波动学：宏观领域的波动规律- 机械波、电磁波、光波机械波、电磁波、光波热学：大量分子组成的热力学系统的统计规律和宏观规律热学：大量分子组成的热力学系统的统计规律和宏观规律量子论量子论quantumquantum：微观粒子的波粒二象性和量子运动特征：微观粒子的波粒二象性和量子运动特征大学物理与中学物理的关系与差别（1）中学物理是学习大学物理的基础 ；大学物理是 中学物理 的继承与发展，但不是简单的重复。（2）有三点主要差别：1）研究的对象不同：由简单到复杂，由特殊到一般。如：由匀速到变速，由恒力到变力，由均匀到非 均匀，质点到刚体等2）研究的方法和使用的工具不同：如：由初等数学到高等数学，由标量到矢量、 由实数到 复数等3）研究的目的不同：如：由只知其然到知其所以然，由了解知识到 应用知识。大学物理的重要性（1）大学物理在培养动手能力与创新精神方面的作 用是任何其他学科不可替代的；（2）大学物理的基本知识是21世纪高科技人才的 知识结构中必不可少的；（3）大学物理的基本知识是理工科大学生学好专业 课与进一 步深造的基本保障。学习知识有个规律：懂 会 熟 巧。要求抓好以下几个环节：1、有针对性的预习，2、认真的听讲，3、必要的复习，4、按时、独立地完成作业。关键是要动手动脑，勤于思考，多加练习。第一篇第一篇 力学基础力学基础一、发展过程一、发展过程经典力学（牛顿力学）：适用于低速宏观领域，是经典力学（牛顿力学）：适用于低速宏观领域，是 整个物理学的基础，广泛应用于工程技术整个物理学的基础，广泛应用于工程技术相对论：高速领域必须考虑相对论：高速领域必须考虑量子论：微观领域必须考虑量子论：微观领域必须考虑二、研究方法二、研究方法实验结果实验结果 物理模型物理模型 推论、预言推论、预言 实验实验四、力学四、力学（MechanicsMechanics）研究对象研究对象: : 机械运动。机械运动。运动学运动学(kinematics) : (kinematics) : 物体位置随时间的变物体位置随时间的变化规律，只描述物体的运动，不涉及引起运动和改化规律，只描述物体的运动，不涉及引起运动和改变运动的原因。变运动的原因。动力学动力学(dynamics) (dynamics) ：物体在力的作用下的运：物体在力的作用下的运动规律。动规律。静力学静力学( (staticsstatics ) ) ：研究物体在相互作用下的：研究物体在相互作用下的平衡问题，不涉及运动，研究力、力矩。平衡问题，不涉及运动，研究力、力矩。五、矢量（五、矢量（vectorvector ）及其运算：及其运算：1、加法：平行四边形法则交换律 结合律2、数乘：矢量乘标量结果仍为矢量结合律分配律矢量：有大小、方向，并有下述运算规则有大小、方向，并有下述运算规则交换律分配律3、标量积：4、矢量积：AB不交换！AB【思考】下列运算“合法”吗？第一章 运动的描述1-1 参考系 坐标系 物理模型1-2 运动的描述1-3 相对运动（力学中的运动学问题，包括质点运动和刚体的定轴转动）（力学中的运动学问题，包括质点运动和刚体的定轴转动）同一运动的物体，在不同的参考系中对物体运动的描VAVB， VB=VC ，VD=0，则B车的运动情况如何？1、运动的绝对性运动是物质的基本属性。一、运动的绝对性(Absolutivity)和相对性(Relativity) 1-1 参考系 坐标系 物理模型 2、运动描述的相对性对于同一种运动，由于参照的物体选择的不同而有不同的描写。若有 A、B、C 三车，沿平直公路水平向左行驶，且述不同。 参考系为了描述一个物体的运动，必须选择另一日心系地面系zxy地心系o二、参考系(Reference system)在大多数情况下，以地球为参考系在大多数情况下，以地球为参考系基本参考系基本参考系个物体作为参考，被选作参考的物体称为参考系。3、参考系选定后，选用不同的坐标系对运动的描写是相同的。2、参考系与坐标系的区别对物体运动的描写决定于参考系而不是坐标系。1、坐标系为了定量地确定质点的空间位置而固定在参考系上的一个计算系统。三、坐标系(Coordinate system)四、物理模型(Physics model)1、质点(Particle) 可以不计其形状与大小的物体.可以将物体简化为质点的两种情况： 物体不变形，不作转动（平动）（此时物体上各点的速度及加速度都相同，物体上任一点可以代表所有点的运动，包括质点系。）（此时物体的变形及转动显得并不重要） 物体本身线度和它活动范围相比小得很多d太阳地球 = 1.5108kmR地球 6.4102kmR地球d太阳地球aantava并不指向圆心。一般加速度近日点加速区域900远日点v太阳aaaaaa vvvvvvv地球太阳aaad dt=tv对于任意曲线运动曲率半径a2n=vovtanaCurvature radiusox 角位置 角位移角位置角位移2、圆周运动A.t B. t+t 角速度-angular velocity=limt0t=d dt(rad.s-1)= t平均角速度瞬时角速度lim tt= 0 角加速度=dd t=dd t22= t平均角加速度瞬时角加速度(rad.s-2)R=s 线量和角量的关系ttttR00= slimlimR sR=R=vR sR=v=vRat=R ttt=limlim0 vR t0 t=Rd da2=v nR22 =RRRa2=n2=v RR2=例 一质点作圆周运动，其路程与时间的关系为 求质点在 t 时刻的速度; t 为何值时，质点的切向加速度和法向加速度的大小相等。解：svd=td1 2b2 0()d=tdv tt=b0vta=tvd td()d=tdb0vt=bs = v0t-b t 2/2, v0 和b 都是正的常数。a=nv R2()=b0vt2R=+atan22a()=+()b0vt2R2 b2arc tg()b0vt2bR=a= arc tgatanatan ava()=bb0vt2R()=bR b0vt 由前面得到：at=ba=tan根据题意得到：a=n()b0vt2R解得：刚体:特殊的质点系平动:各点运动完全相同三、刚体定轴转动的描述1. 1. 刚体：在任何情况下都不发生变形的物体。刚体：在任何情况下都不发生变形的物体。2. 2. 刚体运动的基本形式：刚体运动的基本形式：平动：刚体中任意两点的连线在运动中始终保持彼平动：刚体中任意两点的连线在运动中始终保持彼此平行。此平行。3.定轴转动的描述:特点: 各点都做圆周运动相因此:刚体上任一点的角速转动：刚体围绕某一固定直线作圆周运动。转动：刚体围绕某一固定直线作圆周运动。同时间内转过相同的 角度.有相同的角速 度和角加速度.度和角加速度就称为刚体的角速度和角加速度. 角速度矢量:右手螺旋法则说明:角速度矢量叠加时服从平行四边形法则.角加速度也是矢量.12= +12=dtd 在定轴情况下, 和 只有两个方向,可用正, 正方向121200负来区别.第一类问题：(求导问题)第二类问题：(积分问题)rr =( )t已知：a =(t )a 已知：v=(t )rr =(t )v求：、=a a =vv( )t(t )求：轨迹、四、运动学中的两类问题在求解第二类问题过程中还必须已知在t = 0 时刻初始条件：t = 0=vvvvv v000xxyyzzx yy zzx=000质点的速度及位置坐标，这一条件称为初始条件 。avd=tdavd=td解：0=t0=vv设时，将上式积分得avd=td 0v vt0a=tdt0+0=vvat=xd td+0=vvat度为一常量 a ，求其运动规律。第二类问题的例子：一质点作直线运动，其加速0t = 0 时刻，vxx=0v、。已知在+0=vv2a(x0x)220=t0=xx设时，将上式积分得运动方程从、两式中消去 t 得到=xd td+0=vvat+0=xx0v t1 2at21-3 相对运动研究同一质点在有相对运动的两个参照系中的两个相对平动参照系rrr0 oxySoxySABuS相对S平动，速度为u位移、速度和加速度之间的关系。AA绝对位移相对位移牵连位移rrr =+0r0rAABrAooxxy ySSuS相对S平动，速度为u两边除t，取极限即绝对速度相对速度牵连速度绝对加速度相对加速度牵连加速度uvv =+aaa=+0vv地雨雨 v,车地车v车,地v,雨 地vvv=+车车地地雨雨,例：