物理疑难问题课件

1、物理疑难问题物理疑难问题我的目的不是教你们如何应付考试，甚至不是让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，以便更好地为今后你们面临你们掌握这些知识，以便更好地为今后你们面临的工业或军事工作服务。我最希望的是，你们能的工业或军事工作服务。我最希望的是，你们能够像真正的物理学家一样，够像真正的物理学家一样，欣赏到这个世界的美欣赏到这个世界的美妙妙。物理学家们看待这个世界的方式，我相信，。物理学家们看待这个世界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵的主要部分。是这个现代化时代真正文化内涵的主要部分。 理查德理查德费恩曼（费恩曼（Feynman）物理疑难问题物理学在物理学在2

2、020世纪取得了令人惊讶的成功。世纪取得了令人惊讶的成功。它改变了我们对空间和时间、存在和认识的它改变了我们对空间和时间、存在和认识的看法，也改变了我们看法，也改变了我们描述自然的基本语言描述自然的基本语言。 温伯格温伯格物理疑难问题赵凯华赵凯华:力学力学物理学是探讨物理学是探讨物质结构物质结构 和和运动基本规律运动基本规律的学科。的学科。物理疑难问题第第2323届国际纯粹物理与应用物理联合大会指出：届国际纯粹物理与应用物理联合大会指出：物理学物理学 研究研究物质、能量物质、能量和它们的和它们的相互作用相互作用的学科。的学科。物理疑难问题物理学研究的范围物理学研究的范围空间尺度空间尺度10-1

3、5m (核子）核子） 1026m（约（约150亿光年）（哈勃半径）亿光年）（哈勃半径）时间尺度时间尺度10-25s(Z0粒子寿命粒子寿命） 1018s（约（约150亿年）（宇宙年龄）亿年）（宇宙年龄）速度范围速度范围0（静止）（静止） 3 108m/s（光速）（光速）微观微观宏观宏观宇观宇观物理疑难问题 物理学的基本框架物理学的基本框架经经典典物物理理学学力学（实力学（实物粒子）物粒子）电磁学电磁学（场）（场）热力学统热力学统计物理计物理相对论相对论力学力学量子力量子力学学量子统量子统计力学计力学相对论量相对论量子力学子力学相对论量相对论量子场论子场论激光物理、半导体物理、原子物理、核物理激光

4、物理、半导体物理、原子物理、核物理生物物理、化学物理、地球物理、海洋物理生物物理、化学物理、地球物理、海洋物理物理疑难问题当代物理学的特点当代物理学的特点以以相对论相对论、量子理论量子理论为基础为基础观察观察和和实验实验的手段及设备越来越精密的手段及设备越来越精密学科交叉学科交叉与新技术密切相关与新技术密切相关物理疑难问题怎样学怎样学“物物”物质世界物质世界“理理”普遍规律普遍规律知识、方法、科学观念知识、方法、科学观念勤于思考，悟物穷理。勤于思考，悟物穷理。 赵凯华赵凯华物理疑难问题物理书都充满了复杂的数学公式，可是思想物理书都充满了复杂的数学公式，可是思想及理念，而非公式，才是每一物理理论

5、的开端。及理念，而非公式，才是每一物理理论的开端。如果一个人掌握了他的学科基础理论，并且如果一个人掌握了他的学科基础理论，并且学会了独立思考与工作，他必定会找到自己的学会了独立思考与工作，他必定会找到自己的道路。道路。 爱因斯坦爱因斯坦怎样学怎样学物理疑难问题我没有什么别的才能，我没有什么别的才能， 只不过喜欢刨根问底地只不过喜欢刨根问底地追究问题追究问题罢了。罢了。 怎样学怎样学 时间、空间是什么，别人在很小的时候就搞时间、空间是什么，别人在很小的时候就搞清楚了，我智力发展迟缓，长大了还没有搞清清楚了，我智力发展迟缓，长大了还没有搞清楚，于是一直揣摩这个楚，于是一直揣摩这个问题问题，结果也就

6、比别人，结果也就比别人钻研得更深一些。钻研得更深一些。 爱因斯坦爱因斯坦物理疑难问题二、如何理解牛顿第一定律二、如何理解牛顿第一定律牛顿第一定律的表述牛顿第一定律的表述表述表述1 1：一切物体在没有受到外力的作用时，总保持一切物体在没有受到外力的作用时，总保持 静止状态或匀速直线运动状态。静止状态或匀速直线运动状态。表述表述2 2：任何物体，只要没有外力改变它的状态，便任何物体，只要没有外力改变它的状态，便 会永远保持静止或匀速直线运动的状态。会永远保持静止或匀速直线运动的状态。表述表述3 3：自由粒子永远保持静止或匀速直线运动的状态。自由粒子永远保持静止或匀速直线运动的状态。物理疑难问题牛顿

7、第一定律：牛顿第一定律：（1 1）说明物体具有惯性）说明物体具有惯性（2 2）确定了力的概念（定性定义）确定了力的概念（定性定义）注意：注意：经验的概括，不能实验证明。经验的概括，不能实验证明。只成立于只成立于惯性系惯性系。所涉及的物体都是所涉及的物体都是质点质点。二、如何理解牛顿第一定律二、如何理解牛顿第一定律物理疑难问题牛顿第一定律在经典力学中的地位牛顿第一定律在经典力学中的地位 1.经典力学基本原理经典力学基本原理 （1）力与运动的关系：牛顿第一定律和第二定律。）力与运动的关系：牛顿第一定律和第二定律。 （2）普遍力的规律：牛顿第三定律和力的叠加原理。）普遍力的规律：牛顿第三定律和力的叠

8、加原理。 （3）具体力的规律：万有引力定律、胡克定律等。）具体力的规律：万有引力定律、胡克定律等。2. 牛顿第一定律是其他原理的前提和基础牛顿第一定律是其他原理的前提和基础二、如何理解牛顿第一定律二、如何理解牛顿第一定律物理疑难问题问题问题1：牛顿第一定律是第二定律的特例（：牛顿第一定律是第二定律的特例（a=0）吗？）吗？问题问题2：牛顿第一定律应当表述为物体在平衡力作用下：牛顿第一定律应当表述为物体在平衡力作用下 保持静止或匀速运动的状态。保持静止或匀速运动的状态。问题问题3：由牛顿第一定律可知，转动物体存在转动惯性。：由牛顿第一定律可知，转动物体存在转动惯性。问题问题4：物体只有在运动状态

9、变化时，才存在惯性。：物体只有在运动状态变化时，才存在惯性。二、如何理解牛顿第一定律二、如何理解牛顿第一定律物理疑难问题如图，将一玻璃瓶装水后密封，平放在水平桌面上，在如图，将一玻璃瓶装水后密封，平放在水平桌面上，在瓶的中部有一小气泡，处于静止状态。现用力突然将瓶瓶的中部有一小气泡，处于静止状态。现用力突然将瓶向前推动一下，使其在桌面上向前运动一段距离后停止，向前推动一下，使其在桌面上向前运动一段距离后停止，则气泡相对于瓶的运动情况是则气泡相对于瓶的运动情况是A.向前向前 B.向后向后 C.先向前，再向后，最终回到原来位置先向前，再向后，最终回到原来位置 D.先向后，再向前，最终回到原来位置先

10、向后，再向前，最终回到原来位置 二、如何理解牛顿第一定律二、如何理解牛顿第一定律物理疑难问题春暖河开，冰面上一块石头逐渐下陷。有人说春暖河开，冰面上一块石头逐渐下陷。有人说“冬天冰冬天冰硬，冰面对石头的作用力等于石头的压力，石头不下陷。硬，冰面对石头的作用力等于石头的压力，石头不下陷。春天冰面变软，它对石头的作用力达不到石头的压力，春天冰面变软，它对石头的作用力达不到石头的压力，所以，石头下陷。所以，石头下陷。”，这种解释对吗？，这种解释对吗？二、如何理解牛顿第一定律二、如何理解牛顿第一定律物理疑难问题重力重力 摩擦力摩擦力 弹力弹力 拉力拉力 推力推力 电力电力 磁力磁力动力动力 阻力阻力

11、压力压力 浮力浮力 吸力吸力 斥力斥力 风力风力水力水力 分子力分子力 牵引力牵引力 三、力与力的分类三、力与力的分类力的本质力的本质万有引力万有引力电磁力电磁力强力相互作用力强力相互作用力弱力相互作用力弱力相互作用力力的宏观力的宏观性质性质重力重力摩擦力摩擦力弹力弹力电场力电场力力的作力的作用效果用效果拉力拉力推力推力压力压力阻力阻力磁场力磁场力浮力浮力力的来源力的来源风力风力水力水力分子力分子力动力动力物理疑难问题重力：由于地球的吸引而使物体受到的力。重力：由于地球的吸引而使物体受到的力。F GFn问题：重力与万有引力是否是一回事？问题：重力与万有引力是否是一回事？物理疑难问题问题问题：弹

12、力是电磁相互作用吗？：弹力是电磁相互作用吗？当物体发生形变时，物体中分子原子间的距离当物体发生形变时，物体中分子原子间的距离发生改变，原子或分子间的电磁力就要反抗物发生改变，原子或分子间的电磁力就要反抗物体发生形变，这就形成了通常所说的弹力。体发生形变，这就形成了通常所说的弹力。物理疑难问题 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力当相互接触的物体作相对运动或有相对运动的当相互接触的物体作相对运动或有相对运动的趋势时趋势时, , 它们之间就有它们之间就有摩擦力摩擦力。 摩擦摩擦湿摩擦（内摩擦）：液体内部的摩擦湿摩擦（内摩擦）：液体内部的摩擦 或液体和固体的摩擦或液体和固体的摩擦 干摩擦（外摩擦）：

13、固体表面之间的摩擦干摩擦（外摩擦）：固体表面之间的摩擦干摩擦：静摩擦、滑动摩擦、滚动摩擦干摩擦：静摩擦、滑动摩擦、滚动摩擦物理疑难问题当物体有滑动趋势但尚未滑动时当物体有滑动趋势但尚未滑动时, , 作用在物体上的作用在物体上的摩擦力称为摩擦力称为静摩擦力静摩擦力。 1. 1. 静摩擦力静摩擦力 0 0是静摩擦系数。是静摩擦系数。 静摩擦力的大小：静摩擦力的大小：0 0 f0 0 = = 0 0 N N静摩擦力的大小由外力的大小决定静摩擦力的大小由外力的大小决定NFf 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理疑难问题2. 2. 滑动摩擦力滑动摩擦力一个物体在另一个物体表面上滑动时一个物体在另一个

14、物体表面上滑动时, ,接触面上产生接触面上产生的摩擦力的摩擦力, , 称为称为滑动摩擦力滑动摩擦力。 f = N 是滑动摩擦系数是滑动摩擦系数, 它与接触物它与接触物体的质料、表面状况和相对速体的质料、表面状况和相对速度有关。度有关。 ff0v0 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理疑难问题问题：滑动摩擦力跟接触面积的大小是否有关？问题：滑动摩擦力跟接触面积的大小是否有关？ 实际接触面积属于原子尺度，它只占总的几何接触面积的一个实际接触面积属于原子尺度，它只占总的几何接触面积的一个极微小部分，而摩擦力的出现是由于在原子接触的这些微小区极微小部分，而摩擦力的出现是由于在原子接触的这些微小区域

15、内原子之间的相互作用力。域内原子之间的相互作用力。原子接触面积占几何接触面积的原子接触面积占几何接触面积的比例，正比于法向力除以几何接触面积比例，正比于法向力除以几何接触面积。法向力增大一倍，原。法向力增大一倍，原子接触面积也增大一倍，摩擦力也增大一倍。但如果几何接触子接触面积也增大一倍，摩擦力也增大一倍。但如果几何接触面积增大一倍，而法向力不变，则原子接触面积占几何接触面面积增大一倍，而法向力不变，则原子接触面积占几何接触面积的比例减小一半，即原子接触面积的实际面积不变，因而摩积的比例减小一半，即原子接触面积的实际面积不变，因而摩擦力不变。擦力不变。 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理

16、疑难问题问题：问题：使百米赛跑运动员加速的是什么力？使百米赛跑运动员加速的是什么力？ 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理疑难问题流体的阻力流体的阻力 物体在气体或液体中相对运动时，受到的阻力作用。物体在气体或液体中相对运动时，受到的阻力作用。阻力大小：与流体的密度、粘滞性有关，还与运动物阻力大小：与流体的密度、粘滞性有关，还与运动物 体的速度、形状等因素有关。体的速度、形状等因素有关。球形物体在流体中的阻力：球形物体在流体中的阻力： F=6 r v （斯托克斯公式）（斯托克斯公式）速度较小时，速度较小时，F=k v速度较大时，速度较大时，F=k v2 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力

17、物理疑难问题1.1.凹凸说凹凸说 固体表面存在凹凸，两个表面固体表面存在凹凸，两个表面的凹凸部分以彼此啮合的状态的凹凸部分以彼此啮合的状态相接触，当两物体相对滑动时，相接触，当两物体相对滑动时，必须顺着其凸部反复抬起，或必须顺着其凸部反复抬起，或者使凸部产生形变，于是便产者使凸部产生形变，于是便产生摩擦。生摩擦。问题：接触面越光滑摩擦力就越小吗？问题：接触面越光滑摩擦力就越小吗？ 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理疑难问题2.2.黏合说黏合说德萨古利埃的分子说：德萨古利埃的分子说：产生摩擦的真正原因在于摩擦面的分子力的作用。产生摩擦的真正原因在于摩擦面的分子力的作用。固体表面越光滑，表面

18、更接近，分子力影响越大，固体表面越光滑，表面更接近，分子力影响越大， 摩擦力就越大。摩擦力就越大。他预言他预言: :只要把平面无止境地研磨得很光滑，摩擦只要把平面无止境地研磨得很光滑，摩擦 会增大的。会增大的。 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理疑难问题哈迪：充分研磨和洗净的玻璃表面实验哈迪：充分研磨和洗净的玻璃表面实验结论：充分研磨了的表面摩擦力大，而且，摩擦的结论：充分研磨了的表面摩擦力大，而且，摩擦的 痕迹也扩大。痕迹也扩大。2.2.黏合说黏合说哈迪哈迪: :用实验证实了预言。用实验证实了预言。 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理疑难问题二接触面的凹凸部分主要是在凸部上以互压

19、在一起状态二接触面的凹凸部分主要是在凸部上以互压在一起状态相接触。二物体相接触。二物体实际接触部分只为外观面积的几百分之实际接触部分只为外观面积的几百分之一到几万分之一。即使表观压力不大（一到几万分之一。即使表观压力不大（1N/cm2），在接），在接触的凸部产生高达数百到数万触的凸部产生高达数百到数万N/cm2的压力，使凸部发的压力，使凸部发生形变。表面的极薄的污染膜被破坏，发生二固体基质生形变。表面的极薄的污染膜被破坏，发生二固体基质本身的黏合。这种黏合是分子本身的黏合。这种黏合是分子原子力的表现。当二原子力的表现。当二面相对运动时，黏合面被剪切而断裂，剪切力就是宏观面相对运动时，黏合面被剪

20、切而断裂，剪切力就是宏观表现的摩擦力。表现的摩擦力。2.2.黏合说黏合说 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理疑难问题表面污染对摩擦的影响。表面污染对摩擦的影响。表面多层污染膜：氧化膜、吸附分子膜、普通脏污膜表面多层污染膜：氧化膜、吸附分子膜、普通脏污膜凹凸说：表面污染膜不影响摩擦凹凸说：表面污染膜不影响摩擦黏合说：污染膜将阻隔分子间的作用，减小摩擦黏合说：污染膜将阻隔分子间的作用，减小摩擦实验证明：污染膜要减小摩擦，干净的固体表面摩擦实验证明：污染膜要减小摩擦，干净的固体表面摩擦 系数增大。系数增大。 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理疑难问题现代摩擦理论中，在因黏合而导致的摩擦现

21、象的解释现代摩擦理论中，在因黏合而导致的摩擦现象的解释中，表面的塑性变形有很大作用，而塑性变形又直接依中，表面的塑性变形有很大作用，而塑性变形又直接依赖于凹凸的大小。赖于凹凸的大小。除黏合说外，在极光滑表面摩擦机理解释中，还有静除黏合说外，在极光滑表面摩擦机理解释中，还有静电作用。电作用。由于分子力的电磁本性，摩擦力也是由电磁相互作用由于分子力的电磁本性，摩擦力也是由电磁相互作用引起的。引起的。 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理疑难问题 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理疑难问题F1F2f2f1 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理疑难问题vcrOCf当物体在支承面上有滑动时

22、当物体在支承面上有滑动时, ,受受到滑动摩擦力：到滑动摩擦力： f = N，方向与，方向与滑动方向相反滑动方向相反 vO= vC r 0 当：当：vO 0，O点向前滑，汽车刹车，点向前滑，汽车刹车，f 向后向后当：当：vO O 0 0，O点向后滑，汽车打滑，点向后滑，汽车打滑，f 向前向前 滚动物体的摩擦滚动物体的摩擦 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理疑难问题滚动物体与支承面都是刚体，作纯滚动，受滚动物体与支承面都是刚体，作纯滚动，受 到静摩擦力到静摩擦力vcMrOc主动轮主动轮vcrOc从动轮从动轮ff 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理疑难问题fv0GOcNvOcNGOcNG

23、f 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理疑难问题r滚动摩擦力矩：滚动摩擦力矩：M=N， 具有长度的量纲具有长度的量纲NvCcrGN 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理疑难问题NFfr若轮匀速前进：若轮匀速前进：f r=NF=f =(/r ) N = N(/r ) N滚动摩擦力滚动摩擦力实际上，是把滚动简化为实际上，是把滚动简化为“等效的平动等效的平动”来处理了来处理了 四、如何理解摩擦力四、如何理解摩擦力物理疑难问题sFFs1FsW=F sW=F (s+s1)W=F s五、如何理解功五、如何理解功物理疑难问题问题问题1 1：功的大小依赖于参照系的选取吗？：功的大小依赖于参照系的选取吗

24、？问题问题2 2：滑动摩擦力总是作负功吗？：滑动摩擦力总是作负功吗？vfF五、如何理解功五、如何理解功物理疑难问题问题问题3 3：人走路过程中摩擦力做功吗？：人走路过程中摩擦力做功吗？若脚与地面没有相对滑动，地面对人的摩擦若脚与地面没有相对滑动，地面对人的摩擦力是静摩擦力。力是静摩擦力。问题问题4 4：人走路过程中地面支持力做功吗？：人走路过程中地面支持力做功吗？五、如何理解功五、如何理解功物理疑难问题问题问题6 6：作用力的功等于反作用力的功吗？：作用力的功等于反作用力的功吗？fsf地对物地对物：f物对地物对地：做功做功不做功不做功地面为参照物地面为参照物例例1：物块在地面上滑动：物块在地面

25、上滑动五、如何理解功五、如何理解功物理疑难问题F2对对1F2对对1：做功：做功0F1对对2：做功做功0q1q2F1对对2若若m1与与m2不同，则不同，则W1与与W2不同。不同。例例2：两个同号电荷：两个同号电荷问题问题6 6：作用力的功等于反作用力的功吗？：作用力的功等于反作用力的功吗？五、如何理解功五、如何理解功物理疑难问题F人对车人对车：做功：做功0F车对人车对人：做功做功0人与车始终保持接触，人与车在如何时间间隔通过路人与车始终保持接触，人与车在如何时间间隔通过路程相等。程相等。作用力与反作用力的功等大而异号。作用力与反作用力的功等大而异号。问题问题6 6：作用力的功等于反作用力的功吗？

26、：作用力的功等于反作用力的功吗？例例3：人推车，地面参照物：人推车，地面参照物作用力的功与反作用力的功不存在确定的关系。作用力的功与反作用力的功不存在确定的关系。五、如何理解功五、如何理解功物理疑难问题六、电能是如何传输的？六、电能是如何传输的？解释：解释：开关一接通，导线中的自由电子在电压开关一接通，导线中的自由电子在电压的作用下流向负载，形成电流。在流动的电子的作用下流向负载，形成电流。在流动的电子达到负载时，负载就得到能量，亮了起来。达到负载时，负载就得到能量，亮了起来。问题：电磁能是怎样沿导线传输的？问题：电磁能是怎样沿导线传输的？电电源源开关开关物理疑难问题E金属导电的微观图像金属导

27、电的微观图像经典电子论经典电子论自由电子平均热运自由电子平均热运动速率：动速率：10105 5m/sm/s自由电子漂移速自由电子漂移速率：率：1010-4-4m/sm/s这种宏观上的漂移运动形成了宏观电流。这种宏观上的漂移运动形成了宏观电流。物理疑难问题恒定电路恒定电路：电路中的电流分布不随时间变化。：电路中的电流分布不随时间变化。恒定电路：电路中电荷分布或电场分布不随时恒定电路：电路中电荷分布或电场分布不随时 间变化。间变化。六、电能是如何传输的？六、电能是如何传输的？物理疑难问题+-外电路断开外电路断开电电 源源+-电电 源源外电路接通外电路接通EEK+六、电能是如何传输的？六、电能是如何传输的？物理疑难问题六、电能是如何传输的？六、电能是如何传输的？在电场力作用下，把电在电场力作用下，把电能转化为其他形式的能能转化为其他形式的能EEK+用电器用电器III在非电力作用下，克服在非电力作用下，克服电场力做功，把其他形电场