1 1一一. 什么是物理学什么是物理学(Why and How to ?)(Why and How to ?)l 物理学物理学是研究物质世界最基本形态的科学是研究物质世界最基本形态的科学l 物理学研究的范围物理学研究的范围 物质世界的层次和数量级物质世界的层次和数量级物理学物理学 (Physics)物物 质质 结结 构构物质相互作用物质相互作用物质运动规律物质运动规律微观粒子微观粒子Microscopic介观物质介观物质mesoscopic宏观物质宏观物质macroscopic宇观物质宇观物质cosmological2 23 34 4E- -15E- -12E- -09E- -06E- -031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小最小 的细胞的细胞原子原子原子核原子核基本粒子基本粒子DNA长度长度星系团星系团银河系银河系最近恒最近恒星的距离星的距离太阳系太阳系太阳太阳山山哈勃半径哈勃半径超星系团超星系团人人蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次5 5物物理理现现象象 按空间尺度划分：按空间尺度划分： 量子力学量子力学 经典物理学经典物理学 宇宙物理学宇宙物理学 按速率大小划分：按速率大小划分： 非相对论物理学非相对论物理学 相对论物理学相对论物理学 按客体大小划分：按客体大小划分： 微观系统微观系统 宏观系统宏观系统 按运动速度划分：按运动速度划分： 低速现象低速现象 高速现象高速现象 实验实验物理物理理论理论物理物理计算计算物理物理今日物理学今日物理学l 物理学的发展物理学的发展6 6 牛顿力学牛顿力学 (Mechanics) 研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律 热力学热力学 (Thermodynamics) 研究物质热运动的统计规律及其宏观表现研究物质热运动的统计规律及其宏观表现电磁学电磁学 ( (Electromagnetism) 研究电磁现象、物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律研究电磁现象、物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律 相对论相对论 (Relativity) 研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律 量子力学量子力学 (Quantum mechanics) 研究微观物质运动现象以及基本运动规律研究微观物质运动现象以及基本运动规律二二. .物理学的五大基本理论物理学的五大基本理论物理学是一门最基本的科学物理学是一门最基本的科学; ;是最古老、但发展最是最古老、但发展最快的科学快的科学; ;它提供最多、最基本的科学研究手段。它提供最多、最基本的科学研究手段。7 7l 物理学是一切自然科学的基础物理学是一切自然科学的基础l 物理学派生出来的分支及交叉学科物理学派生出来的分支及交叉学科物理学构成了化学、生物学、材料科学、物理学构成了化学、生物学、材料科学、地球物理学等学科的基础，物理学的基本地球物理学等学科的基础，物理学的基本概念和技术被应用到所有自然科学之中概念和技术被应用到所有自然科学之中。l 物理学与数学之间有着深刻的内在联系物理学与数学之间有着深刻的内在联系粒粒子子物物理理学学原原子子核核物物理理学学原原子子分分子子物物理理学学固固体体物物理理学学凝凝聚聚态态物物理理学学激激光光物物理理学学等等离离子子体体物物理理学学地地球球物物理理学学生生物物物物理理学学天天体体物物理理学学宇宇宙宙射射线线物物理理学学三三. 物理学是构成自然科学的理论基础物理学是构成自然科学的理论基础8 8四四. 物理学与技术物理学与技术2020世纪，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科世纪，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科 热机的发明和使用，提供了第一种模式：热机的发明和使用，提供了第一种模式： 电气化的进程，提供了第二种模式：电气化的进程，提供了第二种模式：核能的利用核能的利用激光器的产生激光器的产生层析成像技术层析成像技术(CT)(CT)超导电子技术超导电子技术技术技术 物理物理 技术技术物理物理 技术技术 物理物理 粒子散射实验粒子散射实验X 射线的发现射线的发现受激辐射理论受激辐射理论低温超导微观理论低温超导微观理论9 9电子计算机的诞生电子计算机的诞生 1947年年 贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克来发明了贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克来发明了晶体管晶体管，标志着，标志着信息时代信息时代的开始的开始 1962年年 发明了发明了集成电路集成电路 70年代后期年代后期 出现了出现了大规模集成电路大规模集成电路 1925 26年年 建立了建立了量子力学量子力学 1926年年 建立了建立了费米费米狄拉克统计狄拉克统计 1927年年 建立了建立了布洛赫波的理论布洛赫波的理论 1928年年 索末菲提出索末菲提出能带能带的猜想的猜想 1929年年 派尔斯提出派尔斯提出禁带禁带、空穴空穴的概念的概念 同年贝特提出了同年贝特提出了费米面费米面的概念的概念 1957年年 皮帕得皮帕得测量测量了了第一个费米第一个费米面面 ?1010超晶格材料超晶格材料纳米材料纳米材料光子晶体光子晶体晶体管的发明晶体管的发明大规模集成电路大规模集成电路电子计算机电子计算机信息技术与工程信息技术与工程 几乎所有的重大新几乎所有的重大新(高高)技术领域的创立，事先都在物理学中技术领域的创立，事先都在物理学中经过长期的酝酿。经过长期的酝酿。 当今物理学和科学技术的关系当今物理学和科学技术的关系两两种种模模式式并并存存，相相互互交交叉叉，相相互互促促进进“没有昨日的基础科学就没有今日的技没有昨日的基础科学就没有今日的技术革命术革命”。 李政道李政道量子力学量子力学能带理论能带理论人工设计材料人工设计材料1111五五. 物理学的方法和科学态度物理学的方法和科学态度提提出出命命题题推推测测答答案案理理论论预预言言实实验验验验证证修修改改理理论论现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学 从新的从新的观测事实观测事实或实验事或实验事实中提炼实中提炼出来，或出来，或从已有原从已有原理中推演理中推演出来出来 建立模建立模型；用已型；用已知原理对知原理对现象作定现象作定性解释，性解释，进行逻辑进行逻辑推理和数推理和数学演算学演算 新的新的理论必理论必须提出须提出能够为能够为实验所实验所证伪的证伪的预言预言 一切一切物理理物理理论最终论最终都要以都要以观测或观测或实验事实验事实为准实为准则则 当一当一个理论与个理论与实验事实实验事实不符时，不符时，它就面临它就面临着被修改着被修改或被推翻或被推翻 1212六六. 怎样学习物理学怎样学习物理学物理学学习理念之一物理学学习理念之一 爱因斯坦：爱因斯坦：“兴趣是最好的老师。兴趣是最好的老师。” 既要理解物理学习的基础性，又要注意它的时代性和前既要理解物理学习的基础性，又要注意它的时代性和前沿性；沿性； 既要深入探知物理规律的内涵和意义，又要适既要深入探知物理规律的内涵和意义，又要适当联系它在高新技术中的应用。感受物理学新颖、深当联系它在高新技术中的应用。感受物理学新颖、深刻、有用，从而提高学习物理的兴趣。刻、有用，从而提高学习物理的兴趣。物理学习理念之二物理学习理念之二 海森堡：海森堡：“科学扎根于讨论。科学扎根于讨论。”讨论是科学赖以生长、繁荣的土壤。讨论可以使讨论是科学赖以生长、繁荣的土壤。讨论可以使学习深入，讨论能够激发创新的火花。学习深入，讨论能够激发创新的火花。物理学习理念之三物理学习理念之三 李政道：李政道：“物理学的精髓在于创新。物理学的精髓在于创新。”物理学是在不断探索、不断发现、不断创新中发展物理学是在不断探索、不断发现、不断创新中发展起来的，没有创新就没有今天的物理学。起来的，没有创新就没有今天的物理学。1313著名物理学家爱因斯坦说：著名物理学家爱因斯坦说： 发展独立思考和独立判断地一般能力，应当始终发展独立思考和独立判断地一般能力，应当始终放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化人来，他一定会更好地适应进步和变化 。七七. 教材与参考书教材与参考书大学物理学大学物理学 张三慧张三慧 主编主编 清华大学出版社清华大学出版社 大学物理学习指导大学物理学习指导 张孝林张孝林 主编主编 科学出版社科学出版社费曼物理学讲义费曼物理学讲义教教 材：材：物理学物理学 马文蔚马文蔚 主编主编 高等教育出版社高等教育出版社 参考书：参考书：1414请允许我说明我讲这门课的主要目的。请允许我说明我讲这门课的主要目的。我的目的不是教你们如何应付考试，我的目的不是教你们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些知识，以便甚至不是让你们掌握这些知识，以便更好地为今后你们面临的工作或军事更好地为今后你们面临的工作或军事工作服务。我最希望的是，你们能够工作服务。我最希望的是，你们能够像真正的物理学家一样，欣赏到这个像真正的物理学家一样，欣赏到这个世界的美妙。物理学家们看待这个世世界的美妙。物理学家们看待这个世界的方式，我相信，是这个现代化时界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵的主要部分。也许你代真正文化内涵的主要部分。也许你们学会的不仅仅是如何欣赏这种文化，们学会的不仅仅是如何欣赏这种文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟大的探索中来。以来最伟大的探索中来。 R.P.Feynman (1918-1988)美国物理学家，美国物理学家，诺贝尔物理奖获得者诺贝尔物理奖获得者1515本学期教学内容本学期教学内容: : 力学力学+ +电学电学 课前预习课前预习 ：培养自学能力，（看第一遍书）培养自学能力，（看第一遍书）听课：听课：弄懂有疑问的部分，（记笔记）弄懂有疑问的部分，（记笔记） 看书看书 ： 进一步弄懂课堂讲授内容，（看第二遍书）进一步弄懂课堂讲授内容，（看第二遍书） 辅导答疑：辅导答疑：解决问题，加深对教材的理解。解决问题，加深对教材的理解。 总复习：总复习： 通读全书，将所学内容串为一体。通读全书，将所学内容串为一体。(看第三遍书）看第三遍书）做作业：做作业： 养成踏踏实实、一丝不苟良好习惯。养成踏踏实实、一丝不苟良好习惯。1. 掌握正确的学习方法掌握正确的学习方法1616 2 2、注意与中学物理的区别、注意与中学物理的区别 标量标量 矢量；恒量为主矢量；恒量为主 变量为主；定性分析变量为主；定性分析 定量计算定量计算 3、打好数学基础打好数学基础 要想学好物理，必须有良好的数学知识作为基要想学好物理，必须有良好的数学知识作为基础。尤其要注意以下几个方面：础。尤其要注意以下几个方面：坐标系的建立和使坐标系的建立和使用；导数和积分的意义；标量积；矢量积。用；导数和积分的意义；标量积；矢量积。 4.4.纪律要求纪律要求 不得无故旷课，不迟到、早退。不得无故旷课，不迟到、早退。 5.总评成绩总评成绩: 期终考试，结合平时表现。期终考试，结合平时表现。1717第第1 1章章 质点运动学质点运动学 主要内容：主要内容：1. 质点位置的确定方法质点位置的确定方法2. 质点的位移、速度和加速度质点的位移、速度和加速度3. 圆周运动的角量描述圆周运动的角量描述 角量与线量的关系角量与线量的关系4. 不同参考系中的速度和加速度变换定理简介不同参考系中的速度和加速度变换定理简介18181.1 质点位置的确定方法质点位置的确定方法一一. 质点运动学的基本概念质点运动学的基本概念质点质点：有质量而无形状和大小的几何点。：有质量而无形状和大小的几何点。 突出了突出了质量质量和和位置位置质点系质点系: : 若干质点的集合。若干质点的集合。xyzO参照物参照物参考系参考系：参照物：参照物 + + 坐标系坐标系(1) 运动学中参考系可任选运动学中参考系可任选。参照物参照物：用来描述物体运动而选作参考的物体或物体系。用来描述物体运动而选作参考的物体或物体系。P(2) 参参照物照物选定后，坐标系可任选。选定后，坐标系可任选。(3) 常用坐标系常用坐标系直角坐标系直角坐标系（ x , y , z ） 球坐标系球坐标系（ r, ）柱坐标系柱坐标系（ , , z ） 自然坐标系自然坐标系 ( s )1919二二. 确定质点位置的常用方法确定质点位置的常用方法1. 直角坐标法直角坐标法 P(x, y, z)2. 位矢法位矢法表示。表示。位矢的位矢的大小大小为：为：位矢的位矢的方向方向用方向余弦表示，则有：用方向余弦表示，则有：参考物参考物质点某时刻位置质点某时刻位置P (x, y, z) 由由位矢位矢 20203. 自然坐标自然坐标法法已知质点相对参考系的运动轨迹时，常用自然法。已知质点相对参考系的运动轨迹时，常用自然法。4. 运动学方程运动学方程( (函数函数) )直角坐标下直角坐标下自然坐标下自然坐标下已知运动学方程，可求质点运动轨迹、速度和加速度已知运动学方程，可求质点运动轨迹、速度和加速度意义意义:2121一质点作匀速圆周运动，半径为一质点作匀速圆周运动，半径为 r ，角速度为，角速度为 。以圆心以圆心O 为原点。建立直角坐标为原点。建立直角坐标系系Oxy ，O 点为起始时刻，设点为起始时刻，设t 时时刻质点位于刻质点位于P（x , y），用直角坐，用直角坐标表示的质点运动学方程为标表示的质点运动学方程为位矢表示为位矢表示为自然坐标表示为自然坐标表示为例例解解求求 用用直角坐标直角坐标、位矢、自然坐标表示的质点运动学方程。、位矢、自然坐标表示的质点运动学方程。2222求求解解hx坐标表示为坐标表示为例例如图所示，以速如图所示，以速度度v 用绳跨一定用绳跨一定滑轮拉湖面上的滑轮拉湖面上的船，已知绳初长船，已知绳初长 l 0 0，岸高，岸高 h取坐标系如图取坐标系如图依题意有依题意有质点运动学的基本问题之一，是确定质点运动学方程。为质点运动学的基本问题之一，是确定质点运动学方程。为正确写出质点运动学方程，先要选定参考系、坐标系，明正确写出质点运动学方程，先要选定参考系、坐标系，明确起始条件等，找出质点坐标随时间变化的函数关系。确起始条件等，找出质点坐标随时间变化的函数关系。O船的运动方程船的运动方程说明说明23231.2 质点的位移、速度和加速度质点的位移、速度和加速度一一. 位移位移位移矢量反映了物体运动中位置位移矢量反映了物体运动中位置 ( 距离与方位距离与方位 ) 的变化。的变化。讨论讨论(1) 位移是矢量（有位移是矢量（有大小大小，有，有方向方向）位移不同于路程位移不同于路程(2) 位移与参照系位置的变化无关位移与参照系位置的变化无关(3)与与r 的区别的区别OPPOO分清分清 2424二二. 速度速度( 描述物体运动状态的物理量描述物体运动状态的物理量 )1. 平均速度平均速度O2. 瞬时速度瞬时速度ABB讨论讨论(1) 速度的速度的矢量性矢量性、瞬时性瞬时性和和相对性相对性。(2) 注意速度与速率的区别注意速度与速率的区别 2525三三. 加速度加速度1. 平均加速度平均加速度2. 瞬时加速度瞬时加速度讨论讨论(1) 加速度反映速度的变化（加速度反映速度的变化（大小大小和和方向方向）情况。）情况。ABO(2) 加加速度的方向总是指向轨迹曲线速度的方向总是指向轨迹曲线凹凹的一面。的一面。 2626ABO结论：结论：27271.3 用直角坐标表示位移、速度和加速度用直角坐标表示位移、速度和加速度一一. 位移位移x yzO时刻时刻 t ，质点位于，质点位于P ，位矢为，位矢为时刻时刻 t + t ，质点位于，质点位于 Q ，位矢为，位矢为时间时间 t 内质点的位移为内质点的位移为建如图所示坐标，则建如图所示坐标，则 2828二二. 速度速度1. 平均速度平均速度2. 瞬时速度瞬时速度速度的大小为速度的大小为速度的方向用方向余弦表示为速度的方向用方向余弦表示为2929三三. 加速度加速度大小为大小为方向用方向余弦表示为方向用方向余弦表示为3030四四. 运动学的二类问题运动学的二类问题1. 第一类问题第一类问题已知运动学方程，求已知运动学方程，求(1) t =1s 到到 t =2s 质点的位移质点的位移(3) 轨迹方程轨迹方程(2) t =2s 时时已知一质点运动方程已知一质点运动方程求求例例解解 (1)(2)(3)当当 t =2s 时时由由运动方程得运动方程得轨迹方程为轨迹方程为3131解解已知已知求求和运动方程和运动方程代入初始条件代入初始条件代入初始条件代入初始条件2. 第二类问题第二类问题已知加速度和初始条件，求已知加速度和初始条件，求例例, t =0 时，时，由已知有由已知有32321.4 用自然坐标表示平面曲线运动用自然坐标表示平面曲线运动中的速度和加速度中的速度和加速度一一. 速度速度速度矢量在切线上的投影速度矢量在切线上的投影 3333二二. 加速度加速度第一项：第一项：方向方向为为意义：意义：第二项：第二项：反映反映速度大小速度大小变化的快慢变化的快慢大小大小为为叫叫切向加速度切向加速度叫叫法向加速度法向加速度 3434当当 时时因而因而法向加速度：法向加速度： 大小大小为为方向方向为为反映反映速度方向速度方向变化的快慢变化的快慢意义：意义：加速度加速度曲率半径曲率半径3535一一汽汽车车在在半半径径R=200 m 的的圆圆弧弧形形公公路路上上行行驶驶，其其运运动动学学方方程为程为s =20t - - 0.2 t 2 (SI) . .根据速度和加速度在自然坐标系中的表示形式，有根据速度和加速度在自然坐标系中的表示形式，有例例汽车在汽车在 t = 1 s 时的速度和加速度大小。时的速度和加速度大小。求求解解3636讨论讨论在一般情况下在一般情况下其中其中 为曲率半径，为曲率半径，引入曲率圆后，整条曲线就可看成是由许多不同曲率半引入曲率圆后，整条曲线就可看成是由许多不同曲率半径的圆弧所构成径的圆弧所构成 的方向指向曲率圆中心的方向指向曲率圆中心 3737求抛体运动过程中的曲率半径？求抛体运动过程中的曲率半径？如如B 点点思考思考 3838已知质点运动方程为已知质点运动方程为求求之间的路程之间的路程 。例例解解质点运动质点运动速度速度为为速率速率为为路程路程有有3939已知质点的运动方程为已知质点的运动方程为在自然坐标系中任意时刻的速度在自然坐标系中任意时刻的速度解解例例求求4040将一根光滑的钢丝弯成一个竖直平面内的曲线，质点可沿将一根光滑的钢丝弯成一个竖直平面内的曲线，质点可沿钢丝向下滑动。已知质点运动的切向加速度为钢丝向下滑动。已知质点运动的切向加速度为g 为重力加速度为重力加速度， 为切向与水平方向的夹角为切向与水平方向的夹角. .由题意可知由题意可知从图中分析看出从图中分析看出例例质点在钢丝上各处的运动速度质点在钢丝上各处的运动速度. .求求解解4141