物理学研究自然界中最基本的现象和规律

1、引言引言 物理学研究自然界中最基本的现象和规律物理学研究自然界中最基本的现象和规律, , 一切物理现象都是物质运动的表现。一切物理现象都是物质运动的表现。 在物质的各种运动形式中，最简单、最基本的在物质的各种运动形式中，最简单、最基本的 一种运动是物体之间一种运动是物体之间( (或物体各部分之间或物体各部分之间) ) 相对位置的变化，称为机械运动。相对位置的变化，称为机械运动。 机械运动是一切物理运动中最简单的运动；机械运动是一切物理运动中最简单的运动； 质点的曲线运动是机械运动中最基本的形式。质点的曲线运动是机械运动中最基本的形式。 力学的研究对象是机械运动，力学的研究对象是机械运动， 力学

2、是一门研究机械运动的规律及其应用的学科，力学是一门研究机械运动的规律及其应用的学科， 是物理学和许多工程技术的理论基础。是物理学和许多工程技术的理论基础。 首先讨论质点运动的描述方法首先讨论质点运动的描述方法质点运动学；质点运动学； 然后，从现代物理的认识角度讨论然后，从现代物理的认识角度讨论 表征机械运动的三个基本量表征机械运动的三个基本量 动量、动能和角动量动量、动能和角动量， 以及与之对应的三个普适的守恒定律以及与之对应的三个普适的守恒定律动量守恒定律、能量守恒定律和角动量守恒定律动量守恒定律、能量守恒定律和角动量守恒定律， 并在此基础上研究刚体的平动并在此基础上研究刚体的平动 和绕定轴

3、转动的运动学和动力学问题。和绕定轴转动的运动学和动力学问题。 矢量矢量(附录附录1)一.矢量的表示法矢量的表示法aAa=|a |a ax、ay、az分别是矢量分别是矢量a 在在坐标轴坐标轴x、y、z上的投影上的投影(分量分量)。 i、j、k分别是沿分别是沿x、y、z轴轴正方向的正方向的单位矢量单位矢量(恒矢量恒矢量)。xaxayazyzoa图1-1A=|A |1kjikajaiaazyx222zyxaaaaa二.矢量的加、减法矢量的加、减法aba+b三角形法三角形法aba - bab+=？多边形法多边形法aca+b+cbbac=?-ab =？jia43 jib62 jiba10三.标量积标量积

4、(点积、数量积、内积点积、数量积、内积)cosabbabaabbacosbakajaiaazyxkbjbibbzyxzzyyxxbabababa四四.矢量积矢量积(向量积、叉积、外积向量积、叉积、外积) 积积C的方向垂直于矢量的方向垂直于矢量a 和和b组成组成的平面，的平面，baccbasinabbackajaiaazyxkbjbibbzyxbaijkxayazaxbybzbcosabbac指向由右手螺旋法则确定指向由右手螺旋法则确定。 1.矢量矢量函数的微商与函数的微商与标量标量函数的微商不同：函数的微商不同： 矢量矢量函数的微商函数的微商=矢量矢量大小大小的微商的微商+矢量矢量方向方向的微

5、商的微商 五.矢量函数矢量函数A(t)的微商的微商dtdAtAlim t0 2. 的方向，一般不同于的方向，一般不同于A 的方向。的方向。只有当只有当 t0时，时， A 的极限的极限方向，才是方向，才是 的方向。的方向。dtdAdtdA 特别是特别是,当当A的大小不变而只是方向改变时的大小不变而只是方向改变时,就时刻保持与就时刻保持与A垂直。垂直。dtdA 3. 在直角坐标系中在直角坐标系中,考虑到考虑到 是常量是常量,有有kji,kAjAiAAzyxkdtdAjdtdAidtdAdtdAzyx由于由于Ax(t), Ay(t), Az(t)是普通的函数，所以是普通的函数，所以就是就是普通函数的

6、微商。普通函数的微商。,dtdAx,dtdAydtdAz1.0 1.0 机械运动的基本特征及其描述方法机械运动的基本特征及其描述方法一一. . 运动的绝对性和描述的相对性运动的绝对性和描述的相对性宇宙膨胀宇宙膨胀星系远离地球而去星系远离地球而去地球自转和公转地球自转和公转太阳系绕银河系中心旋转太阳系绕银河系中心旋转银河系整体朝着麒麟座方向奔驰银河系整体朝着麒麟座方向奔驰运动作为物质存在的形式，也和物质本身一样是客运动作为物质存在的形式，也和物质本身一样是客观存在的，这就是运动的观存在的，这就是运动的绝对性和普遍性绝对性和普遍性。日出月落日出月落星移斗换星移斗换 坐井观天坐井观天运动描述的相对性

7、运动描述的相对性原因：地球自转原因：地球自转2.2.矢量性：一是运动的方向性矢量性：一是运动的方向性, ,因此描述物因此描述物体运动的许多物理量必须用矢量来表示；体运动的许多物理量必须用矢量来表示；二是运动可以叠加，而且符合矢量的加法二是运动可以叠加，而且符合矢量的加法法则，运动叠加原理就是矢量叠加性的具法则，运动叠加原理就是矢量叠加性的具体表现。体表现。 二二. .运动的瞬时性和矢量性运动的瞬时性和矢量性1.1.瞬时性：所有描述运动状态的物理量均瞬时性：所有描述运动状态的物理量均为时间的函数。为时间的函数。1-1 参考系参考系 质点质点1. 1. 质点质点物体：具有大小、形状、质量和内部结构

8、的物质形态。物体：具有大小、形状、质量和内部结构的物质形态。 一般情况下，物体各部分的运动不相同，在运动一般情况下，物体各部分的运动不相同，在运动的过程中大小、形状可能改变，这使得运动问题变得的过程中大小、形状可能改变，这使得运动问题变得复杂。复杂。 某些情况下，物体的大小、形状不起作用，或某些情况下，物体的大小、形状不起作用，或者起次要作用而可以忽略其影响者起次要作用而可以忽略其影响简化为质点模简化为质点模型。型。质点：质点：具有一定质量没有大小或形状的理想物体。具有一定质量没有大小或形状的理想物体。可以作为质点处理的物体的条件：可以作为质点处理的物体的条件：大小和形状对运动大小和形状对运动

9、没有影响或影响可以忽略。没有影响或影响可以忽略。研究地球公转研究地球公转38104 . 6105 . 1EESRR1104 . 24地球上各点的公转速度相差很小，忽略地球自身尺地球上各点的公转速度相差很小，忽略地球自身尺寸的影响，作为质点处理。寸的影响，作为质点处理。质质 点点研究地球自转研究地球自转Rv地球上各点的速地球上各点的速度相差很大，因度相差很大，因此，地球自身的此，地球自身的大小和形状不能大小和形状不能忽略，这时不能忽略，这时不能作质点处理。作质点处理。质质 点点2. 2. 参考系和坐标系参考系和坐标系 静止是相对的，运动是绝对的，地心学说被日静止是相对的，运动是绝对的，地心学说被

10、日心说取代，让人们明白，判断物体运动与否，首先心说取代，让人们明白，判断物体运动与否，首先要选择统一的物体作参考。即使是太阳，在银河系要选择统一的物体作参考。即使是太阳，在银河系中其它恒星系统观察，仍然运动着的。中其它恒星系统观察，仍然运动着的。参考系和坐标系参考系和坐标系银河系银河系指南针指南针参考系：参考系：描述物体运动时，被选作参考的物体，称描述物体运动时，被选作参考的物体，称为参考系为参考系。 要定量描述物体的位置与运动情况，就要运用要定量描述物体的位置与运动情况，就要运用数学手段，采用固定在参考系上的坐标系。数学手段，采用固定在参考系上的坐标系。 常用的坐标系有直角坐标系常用的坐标系

11、有直角坐标系( (x,y,z) )，极坐标系，极坐标系( ( , ) )，球坐标系，球坐标系( (R, , ) )，柱坐标系，柱坐标系( (R, ,z ) )。 xyzoz R参考方向参考方向zo Rxy 参考系和坐标系参考系和坐标系3. 3. 空间和时间空间和时间 空间空间反映了物质的广延性，与物体的体积和位反映了物质的广延性，与物体的体积和位置的变化联系在一起。置的变化联系在一起。 时间时间反映物理事件的顺序性和持续性，与物理反映物理事件的顺序性和持续性，与物理事件的变化发展过程联系在一起。事件的变化发展过程联系在一起。各个时代有代表性的时空观：各个时代有代表性的时空观： 墨子：墨子：空间

12、是一切不同位空间是一切不同位置的概括和抽象；时间是一切置的概括和抽象；时间是一切不同时刻的概括和抽象。不同时刻的概括和抽象。空间和时间空间和时间墨墨 子子 莱布尼兹：莱布尼兹：空间和时间是物质上空间和时间是物质上下左右的排列形式和先后久暂的持续下左右的排列形式和先后久暂的持续形式，没有具体的物质和物质的运动形式，没有具体的物质和物质的运动就没有时空间和时间，强调时间空间就没有时空间和时间，强调时间空间的客观性而忽略与运动的联系。的客观性而忽略与运动的联系。 牛顿：牛顿：空间和时间是不依赖于空间和时间是不依赖于物质的独立的客观存在，强调与运物质的独立的客观存在，强调与运动的联系忽略客观性。动的联系忽略客观性。莱布尼兹莱布尼兹牛牛 顿顿 爱因斯坦：爱因斯坦：相对论时空观，相对论时空观，时间与空间客观存在，与运动时间与空间客观存在，与运动密不可分。密不可分。 目前的时空观范围：宇宙的尺度目前的时空观范围：宇宙的尺度