中国石油大学大学物理第1章

1、大大 学学 物物 理理 学学( (上上) )教教 师：师： 刘素美刘素美联系方式：联系方式：两个黄鹂鸣翠柳两个黄鹂鸣翠柳一行白一行白 鹭上青天鹭上青天窗含西岭千秋雪窗含西岭千秋雪门泊东吴万里船门泊东吴万里船绝句绝句 杜甫杜甫 爱因斯坦追光爱因斯坦追光日常生活物体日常生活物体天体天体光速光速原子尺度原子尺度增加质量增加质量增加速度增加速度缩减大小缩减大小牛顿力学牛顿力学狭义相对论狭义相对论量子力学量子力学广义相对论广义相对论一、什么是物理学一、什么是物理学?l 物理学是研究物质世界最基本形态的科学。物理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

2、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质子质子 1010-15-15 m空间尺度：空间尺度：类星体类星体 10 26 m时间尺度：时间尺度：基本粒子寿命基本粒子寿命 10-25 s宇宙寿命宇宙寿命 1018 s微观粒子微观粒子介观物质介观物质宏观物质宏观物质宇观物质宇观物质E- -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

3、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 牛顿力学：牛顿力学： 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： 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 ： 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： 研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律。研究

4、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： 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、物理学的五大基本理论二、物理学的五大基本理论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。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、物理学是构成自然

5、科学的理论基础三、物理学是构成自然科学的理论基础物理学构成了化学、生物学、材料科学、地球物理学等学科物理学构成了化学、生物学、材料科学、地球物理学等学科的基础，物理学的基本概念和技术被应用到所有自然科学之中。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。l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。 3) 20世纪以来世纪以来 相对论、量子力学相对论、量子力学促进了原子能、计算机、激光等的广泛应用（信息化）促进了原子能、计算机、激光等的广泛应用（信息化）2)19世纪世纪70年代年代 法拉第法拉第 麦克斯韦的电磁理论麦克斯韦的电磁理论第二次工业革命（电气化）第二次工业革命（

6、电气化）物理学的发展经历了三次大的突破，导致了三次工业革命。物理学的发展经历了三次大的突破，导致了三次工业革命。1)17、18世纪世纪 牛顿力学、热力学牛顿力学、热力学第一次工业革命（蒸汽机）第一次工业革命（蒸汽机）四、物理学与技术四、物理学与技术 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：五、物理学的方法和科学态度五、物理学的方法和科学态度4）逻辑推理与数学演算：逻辑推理与数学演算：用数学语言描述物理概念和物理用数学语言描述物理概念和物理 规

7、律，用数学演算进行物理计算和物理推导。规律，用数学演算进行物理计算和物理推导。 物理学是一门实验科学，物理学的研究方法是自然科学最常用物理学是一门实验科学，物理学的研究方法是自然科学最常用最科学的方法。物理学的方法包括：最科学的方法。物理学的方法包括：1）观察与实验：观察与实验：从新的观测和实验事实提出命题；或用从新的观测和实验事实提出命题；或用 观察与实验的方法验证理论。观察与实验的方法验证理论。3）建立理想模型：建立理想模型：用已知的原理和事实，突出主要因素，用已知的原理和事实，突出主要因素， 建立理想的唯象的物理模型。建立理想的唯象的物理模型。2）假假 说：说：当实验事实与旧理论不相符时

8、，根据事实提当实验事实与旧理论不相符时，根据事实提 出新的假说和原理。出新的假说和原理。六、怎样学习物理学六、怎样学习物理学爱因斯坦：爱因斯坦： “兴趣兴趣是是 最好的最好的 老师。老师。”海森堡：海森堡：“科学扎科学扎根于根于讨论讨论。”李政道：李政道：“物理学物理学的精髓的精髓在于在于创创新新。”著名物理著名物理学家费曼学家费曼说：科学说：科学是一种是一种方方法法。“境自远尘皆入咏，物含妙理总堪寻。境自远尘皆入咏，物含妙理总堪寻。”学什么学什么 物理概念物理概念1 物理框架物理框架2 物理思路物理思路3 物理方法物理方法4物理概念是物理学的精髓和核心。物理概念是物理学的精髓和核心。观点观点

9、 观念观念 规律规律 定律定律 物理图像等物理图像等物理框架物理框架 知识的整体性知识的整体性知识结构、来龙去脉、相互联系知识结构、来龙去脉、相互联系物理思路物理思路 解决问题的途径解决问题的途径如何观察、分析、思考、研究处理问题如何观察、分析、思考、研究处理问题类比法类比法 演绎法演绎法 归纳法归纳法反证法反证法 模型化法等模型化法等科学就是一种方法科学就是一种方法 费曼费曼过渡三：过渡三：抱着走抱着走扶着走扶着走指着走指着走大学教师扮演的角色大学教师扮演的角色 交通警察交通警察要在要在“交警交警”的引导下，学会自己走路（学习）！的引导下，学会自己走路（学习）！过渡一：过渡一：应试考试应试考

10、试 重视学习过程重视学习过程积累知识积累知识培养能力培养能力提高素质提高素质大学生大学生努力培养自我获取知识的能力！努力培养自我获取知识的能力！（选拔性（选拔性合格性）合格性）过渡二：过渡二：特殊（特殊（对象、状态、过程对象、状态、过程）一般（一般（对象、状态、过程对象、状态、过程）中学物理讨论特殊情况的结论；大学物理讲一般规律。中学物理讨论特殊情况的结论；大学物理讲一般规律。概念、思路、方法等均要发生变化！概念、思路、方法等均要发生变化！尽快完成由中学向大学的三个过渡尽快完成由中学向大学的三个过渡成绩考核与作业要求成绩考核与作业要求1、成绩考核、成绩考核2、作业要求、作业要求期中考试期中考试

11、 ： 10%作作 业：业： 20%期期 末考试：末考试： 70%总成绩：满分总成绩：满分100分分 2）要求说明已知条件并画图，注明解决问题的思路和所）要求说明已知条件并画图，注明解决问题的思路和所采用的基本物理规律。采用的基本物理规律。 1）独立完成全部作业，及时上交作业。）独立完成全部作业，及时上交作业。全学期作业次数全学期作业次数不满三分之二，不准参加期末考试不满三分之二，不准参加期末考试。 作业纸上写上班级、姓作业纸上写上班级、姓名、点名册序号。名、点名册序号。 3）每周第一次课前交作业，每个班均按班级学号排序。）每周第一次课前交作业，每个班均按班级学号排序。 4）答疑地点为）答疑地点

12、为*，每周一次，时间，每周一次，时间*七、教学计划七、教学计划 大学物理教程大学物理教程 贾瑞皋贾瑞皋 主编主编 科学出版社科学出版社 大学物理学习指导大学物理学习指导 任兰亭任兰亭 主编主编 石油大学出版社石油大学出版社 费曼物理学讲义费曼物理学讲义 力学世界力学世界、力学以外的世界力学以外的世界 北京大学出版社北京大学出版社教材：教材：大学物理学大学物理学 李元成李元成 主编主编 中国石油大学出版社中国石油大学出版社 参考书：参考书： 内内 容容参考学时参考学时 绪论绪论1 第第 1 章章 质点运动学质点运动学4 第第 2 章章 牛顿运动定律牛顿运动定律4 第第 3 章章 功和能功和能4

13、第第 4 章章 动量和角动量和角动量动量6 第第 5 章章 刚体力学基础刚体力学基础6 第第 6 章章 狭义相对论狭义相对论6 第第 7 章章 气体动理论气体动理论4 第第 8 章章 热力学基础热力学基础6 第第 9 章章 机械振动和机械波机械振动和机械波10 第第10章章 波动光学波动光学13请允许我说明我讲这门课的主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要目的。我的目的不是教你们如何应付考试，甚至不是让你如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些知识，以便更好地们掌握这些知识，以便更好地为今后你们面临的工作或军事为今后你们面临的工作或军事工作服务。我最希望的是，你工作服务。我最希望

14、的是，你们能够像真正的物理学家一样，们能够像真正的物理学家一样，欣赏到这个世界的美妙。物理欣赏到这个世界的美妙。物理学家们看待这个世界的方式，学家们看待这个世界的方式，我相信，是这个现代化时代真我相信，是这个现代化时代真正文化内涵的主要部分。也许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你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种文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟大这个人类思想诞生以来最伟大的探索中来。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 潮汐：沿海地区的一种自然现象，指海水

15、在天潮汐：沿海地区的一种自然现象，指海水在天体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周期性运动。一般每日涨落两次。期性运动。一般每日涨落两次。 农历每月的十五农历每月的十五或十六附近，太阳或十六附近，太阳和月亮在地球的两和月亮在地球的两侧，太阳和月球的侧，太阳和月球的引潮力你推我拉也引潮力你推我拉也会引起会引起“大潮大潮”。农历的初八和二十农历的初八和二十三时，太阳引潮力三时，太阳引潮力和月球引潮力互相和月球引潮力互相抵消了一部分所以抵消了一部分所以就发生了就发生了“小小潮潮”。每天涨潮的。每天涨潮的时刻也推迟时刻也推迟50分钟分钟左右。左右。每天

16、涨潮落潮时间往后拖延每天涨潮落潮时间往后拖延4848分钟分钟最通俗易懂的方式给你讲讲最通俗易懂的方式给你讲讲什么是引力波什么是引力波http:/ 力学力学( (mechanics) )是研究物体是研究物体机械运动机械运动的规律及其应用的的规律及其应用的科学。通常把经典力学分为科学。通常把经典力学分为运动学运动学（kinematics) )、动力学动力学( (dynamics) )和静力学和静力学( (statics) )。运动学：研究物体运动学：研究物体运动的描述运动的描述。动力学：研究物体运动与物体间动力学：研究物体运动与物体间相互作用相互作用的联系及其规律。的联系及其规律。静力学：研究物体

17、在相互作用下的平衡问题。静力学：研究物体在相互作用下的平衡问题。 第第 1 篇篇 力力 学学本章主要内容：本章主要内容：1 1、了解运动学的基本概念（质点，参考系，坐标系）、了解运动学的基本概念（质点，参考系，坐标系）2 2、掌握描述质点运动的基本物理量、掌握描述质点运动的基本物理量3 3、平面曲线运动、平面曲线运动4 4、了解运动的相对性、了解运动的相对性第第1章章 质点运动学质点运动学1.1 运动学的一些基本概念运动学的一些基本概念一、参考系和坐标系一、参考系和坐标系参考系参考系：为了描述物体的运动而选取的标准物体。：为了描述物体的运动而选取的标准物体。 坐标系坐标系：为了定量描述物体的运

18、动，在参考系上固定为了定量描述物体的运动，在参考系上固定一个坐标系。一个坐标系。运动描述的相对性：运动描述的相对性： 所选参考系不同，对同一物体的描述也不同。所选参考系不同，对同一物体的描述也不同。 最常见的坐标是最常见的坐标是直角坐标系直角坐标系、自然坐标系、极坐标系等、自然坐标系、极坐标系等xOzy)z ,y,x(P直角坐标系直角坐标系Ox),(P 极坐标系极坐标系POtene自然坐标系自然坐标系 二、时间和空间的计量二、时间和空间的计量 1、时间及其计量时间及其计量时间表征时间表征物理事件的顺序性物理事件的顺序性和和物质运动的持续性物质运动的持续性。 1秒的长度等于铯秒的长度等于铯133

19、原子基态两个超精细能级之间跃迁相对原子基态两个超精细能级之间跃迁相对应的辐射周期的应的辐射周期的9 192 631 770倍。倍。 微观粒子的最短寿命是微观粒子的最短寿命是10-24 s，宇宙的年龄大约是，宇宙的年龄大约是1018 s。2、空间及其计量空间及其计量空间反映空间反映物质运动的广延性物质运动的广延性。 1米是米是1299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。 宇宙范围的尺度宇宙范围的尺度1027m，微观粒子尺度，微观粒子尺度10-15m。三、质点三、质点忽略了物体大小和形状，只具有物体的质量的几何点。忽略了物体大小和形状，只具有物体的质

20、量的几何点。相对性；理想模型；质点运动是研究物质运动的基础。相对性；理想模型；质点运动是研究物质运动的基础。注意注意1.2 描述质点运动的基本物理量描述质点运动的基本物理量方向方向: :大小：大小：rzryrx cos ,cos , cos在直角坐标系中在直角坐标系中: :kzjyixr 222zyxrr r定义定义：从参考点：从参考点O 到质点所处位置到质点所处位置 P 所引的矢量所引的矢量 叫做叫做 质点的位置矢量，质点的位置矢量，简称位矢。简称位矢。rr 表示质点到参考点的距离。表示质点到参考点的距离。 的的方向方向表示质点相对参考点的方位。表示质点相对参考点的方位。r一、位置矢量一、位

21、置矢量Ozyx As r 1r B2r12rrr- - 在直角坐标系中在直角坐标系中从质点初位置到质点末位置所引的矢量从质点初位置到质点末位置所引的矢量 定义为位移。定义为位移。r kzjyixr 二、运动方程二、运动方程质点的位置随时间变化的函数关系，称为质点的位置随时间变化的函数关系，称为质点的运动方程。质点的运动方程。ktzjtyitxr)()()( 在直角坐标系中，在直角坐标系中，或：或：)(),(),(tzztyytxx 三、位移矢量和路程三、位移矢量和路程 位移矢量的大小位移矢量的大小222zyxr 位移矢量的方向位移矢量的方向rz ,ry ,rxcoscoscosOzyx As

22、r 1r B2r路程是从路程是从 A A 到到B B的轨迹长度，用的轨迹长度，用s s表示。表示。)|(|1212rrrrrr - - - - , sr 一一般般和和是两个不同的概念是两个不同的概念r r4）位移只取决于初末位置，与原点的选择无关。位移只取决于初末位置，与原点的选择无关。 但是，位矢与原点的选择有关。但是，位矢与原点的选择有关。2）位移与路程的区别：位移与路程的区别：3）位移大小位移大小 与与位矢大小的增量位矢大小的增量 的区别：的区别： r r 。但但srdd 注意注意四、速度矢量四、速度矢量: : 表示表示质点运动快慢及方向质点运动快慢及方向的物理量的物理量0 t令令trv

23、 1、平均速度、平均速度定义：平均速度定义：平均速度2、速度（瞬时速度）、速度（瞬时速度）trtrtvdd0lim 方向沿切向，并指向前进方向。方向沿切向，并指向前进方向。在直角坐标系中在直角坐标系中tzvtyvtxvzyxdd,dd,dd 速度是位置矢量随时间的变化率。速度是位置矢量随时间的变化率。ktzjtyitxtrvdddddddd 质点在质点在 内内12ttt- - 12rrr- - 位移是位移是222zyxvvvvv 大小大小vv ,vv ,vvzyx coscoscos 方向方向五、加速度矢量五、加速度矢量 表示表示速度变化的快慢速度变化的快慢的物理量的物理量定义：平均加速度定义

24、：平均加速度tva 大小：大小：tvaadd 瞬时加速度瞬时加速度12 vvv- - 方向：方向： t0 时时 的的极限方向极限方向。在曲线运动中，。在曲线运动中， 总是指向曲线的总是指向曲线的凹侧凹侧。v 220trtvtvatddddlim 瞬时加速度是速度随瞬时加速度是速度随时间的变化率。时间的变化率。 , , 21vttvt质点在质点在在直角坐标系中：在直角坐标系中：kajaiaazyx 222zyxaaaaa 加速度的方向加速度的方向加速度的大小加速度的大小aaaaaazyx cos ,cos ,cos222222dddd,dddd,ddddtztvatytvatxtvazzyyxx

25、 其中分量为其中分量为六、运动学中的两类问题六、运动学中的两类问题 1、已知质点的已知质点的运动学方程运动学方程求质点的求质点的速度、加速度速度、加速度等问题等问题称为运动学称为运动学第一类问题。第一类问题。trvdd 22ddddtrtva 解法：求导解法：求导kzj yixr ),()()()(zyxxttzztyytxx ）约约去去（ 2、由由加速度和初始条件加速度和初始条件求求速度方程和运动方程速度方程和运动方程的问题的问题称为运动学的称为运动学的第二类问题。第二类问题。 21d0tttavv 21d0tttvrr解法：积分解法：积分tavdd tvvtav0dd0解：根据质点解：根据

26、质点速度的定义速度的定义jtRitR)cos()sin( - - 则有则有tRv tRvyxcossin- ;速度的大小速度的大小根据质点根据质点加速度的定义加速度的定义rjtRitR222)sin()cos( - - - - - - tvadd 例题例题1-1 已知质点的运动方程是已知质点的运动方程是jtRitRr)sin()cos(式中式中R R， 都是正值常量。都是正值常量。求质点的速度和加速度的大小，并讨论它们的方向。求质点的速度和加速度的大小，并讨论它们的方向。RtRtRvvvyx2222)cos()sin(dtrdv加速度的大小加速度的大小则有则有tRatRayx sin ;cos

27、22- - - - 2222222)sin()cos( RtRtRaaayx - - - - 根据根据矢量的点积运算矢量的点积运算，分别计算，分别计算0 -)sin()cos()cos()sin(jtRitRjtRitRrv0 22-)sin()cos()cos()sin(jtRitRjtRitRav 质点做匀速率圆周运动。质点的速度沿圆的切线方质点做匀速率圆周运动。质点的速度沿圆的切线方向，加速度沿半径指向圆心；速度和加速度互相垂直。向，加速度沿半径指向圆心；速度和加速度互相垂直。结论结论 例题例题1-1-2一质点作平面运动，已知加速度为一质点作平面运动，已知加速度为 ，其中，其中A A、B

28、 B、 均为正常数，且均为正常数，且A AB B, , A A0, 0, B B00。初始条件为。初始条件为 时，时， 。求该质点的运动轨迹。求该质点的运动轨迹。 , tcosAax 2- - tsinBay 2- - 0t, 00 xv,Bvy 0,Ax 000y 解解: :由由222222dddd dddd ddddtztvatytvatxtvazzyyxx,可得可得 - - - - ttxxxtAttAtavv0200sindcos0d - - ttyyytcosBttsinBBtavv0200dd - - ttxtcosAttsinAAtvxx000dd ttytsinBttcosBt

29、vyy000d0d 从从 的表示式中消去的表示式中消去 ，即可得质点的运动轨迹方，即可得质点的运动轨迹方程为程为: : yx,t12222 ByAx质点的运动轨迹为质点的运动轨迹为椭圆椭圆。 例例1-3 1-3 一质点沿一质点沿 轴正向运动，其加速度与位置的关系为轴正向运动，其加速度与位置的关系为 。若在。若在 处，其速度处，其速度 ， 求质点运动到求质点运动到 处时所具有的速度。处时所具有的速度。 xa23 0 x10sm5- - vm3 xx 解：解： 已知已知 ，由加速度的定义式得：，由加速度的定义式得： xa23 xatv23dd xxvvtxxvtv23ddddddddx)x(vvd

30、23d 根据初始条件作定积分根据初始条件作定积分 3 0 5 d23dx)x(vvv1sm81. 7-v速度的方向沿速度的方向沿 轴正向。轴正向。 xv解解 选取选取竖直向上为轴的正方向竖直向上为轴的正方向，坐标原点在抛点处。，坐标原点在抛点处。kvf- - 设小球上升运动的瞬时速率为设小球上升运动的瞬时速率为v，阻力系数为，阻力系数为k，则则空气空气阻力阻力为为此时小球的此时小球的加速度加速度为为vmkga- - - 即即)(ddkmgvmktv - - 作作变换变换整理则得整理则得yvkmgvkmgkmdd)/1(- - - - 例题例题1-4 以初速度以初速度v0由地面竖直向上抛出一个质量为由地面竖直向上抛出一个质量为 m 的的小球，若上抛小球受到与其瞬时速率成正比的空气阻力，求小球小球，若上抛小球受到与其瞬时速率成正比的空气阻