第1章_大学物理.

1、大学物理大学物理教材：教材：物理学物理学（第五版）上、下册（第五版）上、下册 东南大学等七所工科院校编东南大学等七所工科院校编 马文蔚等改编马文蔚等改编/spires 斯坦福大学网站斯坦福大学网站两个重要的网站资源：两个重要的网站资源： 维基百科维基百科免费的网络百科全书，免费的网络百科全书，有中文翻译，可查一般评述和年代久远的文章。有中文翻译，可查一般评述和年代久远的文章。物理学：探索物质结构和运动规律的学科。物理学：探索物质结构和运动规律的学科。物质探源：分子物质探源：分子原子原子电子和原子核，电子和原子核， 原子核

2、原子核质子和中子质子和中子夸克夸克.不同层次的物质有不同层次的规律：不同层次的物质有不同层次的规律：原子模型，原子核模型，夸克模型，宇宙大爆炸模型原子模型，原子核模型，夸克模型，宇宙大爆炸模型自然界的基本规律非常简单，自然界所展示出的这种设计美自然界的基本规律非常简单，自然界所展示出的这种设计美表现在物理定律的表现在物理定律的“简单性、对称性和和谐性简单性、对称性和和谐性”。物理学包括：力学、热学、电磁学、声学、光学以及物理学包括：力学、热学、电磁学、声学、光学以及相对论、量子力学、核物理和粒子物理、天文学等。相对论、量子力学、核物理和粒子物理、天文学等。物理学简要历史：物理学简要历史：17世

3、纪，牛顿在开普勒、伽利略等人的基础上建立了完整的世纪，牛顿在开普勒、伽利略等人的基础上建立了完整的经典力学理论。经典力学理论。18-19世纪，卡诺、焦耳、开尔文、克劳修斯等人建立了宏观世纪，卡诺、焦耳、开尔文、克劳修斯等人建立了宏观热力学理论；麦克斯韦、克劳修斯、玻尔兹曼等人建立了热热力学理论；麦克斯韦、克劳修斯、玻尔兹曼等人建立了热现象的微观理论现象的微观理论分子动理论。分子动理论。与此同时，库仑、奥斯特、安培、法拉第、麦克斯韦等人建立与此同时，库仑、奥斯特、安培、法拉第、麦克斯韦等人建立经典电磁学。经典电磁学。20世纪初，爱因斯坦创立相对论；普朗克、爱因斯坦、玻尔、世纪初，爱因斯坦创立相对

4、论；普朗克、爱因斯坦、玻尔、徳徳布罗意、海森堡、薛定谔等人创立量子力学，这是现代物理布罗意、海森堡、薛定谔等人创立量子力学，这是现代物理学两大支柱。学两大支柱。物理学两大特点：物理学两大特点：1）数学是物理的语言。）数学是物理的语言。要将问题简化，去掉和所研究问题无关的属性，只保留那要将问题简化，去掉和所研究问题无关的属性，只保留那些关键的属性，然后将其量化些关键的属性，然后将其量化模型建立的过程。模型建立的过程。建模思想的本质就是建模思想的本质就是简化简化的思想的思想任何学科通用的解任何学科通用的解决问题的思路。决问题的思路。但自然现象并不是主动呈现出它的数学特征。但自然现象并不是主动呈现出

5、它的数学特征。股市期权定价模型股市期权定价模型量化经济学量化经济学建模的思想体现了一个观点：事物远比它们表面上看起来建模的思想体现了一个观点：事物远比它们表面上看起来的简单。的简单。2）物理学是一门实践检验的学科。）物理学是一门实践检验的学科。物理学所探讨的是用仪器和双手接触到的自然世界，它的物理学所探讨的是用仪器和双手接触到的自然世界，它的一切结论都可以通过实验检验一切结论都可以通过实验检验实证主义学科。实证主义学科。非实证主义科学非实证主义科学空想类学科，像神学等。空想类学科，像神学等。两个基本假设：两个基本假设：1）绝对时空观：空间和时间的测量不因观测者的）绝对时空观：空间和时间的测量不

6、因观测者的不同而不同；不同而不同；2）一切观测量原则上都可以无限精确地确定。）一切观测量原则上都可以无限精确地确定。经典力学经典力学适用范围：低速适用范围：低速vc和宏观现象和宏观现象。古希腊哲学家亚里士多德提出关于力和运动的观点。古希腊哲学家亚里士多德提出关于力和运动的观点。16世纪后，人们开始通过科学实验对力和天体现象进行研究，世纪后，人们开始通过科学实验对力和天体现象进行研究，包括哥白尼、布鲁诺、伽利略、开普勒等。包括哥白尼、布鲁诺、伽利略、开普勒等。英国物理学家牛顿总结前人经验，提出力学三定律和万有引英国物理学家牛顿总结前人经验，提出力学三定律和万有引力定律，建立经典力学体系。力定律，

7、建立经典力学体系。杨振宁：杨振宁：“如果一定要选出某一天作为近代科学诞生的标志，那如果一定要选出某一天作为近代科学诞生的标志，那么我选牛顿的么我选牛顿的自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理在在1687年出版的那一天年出版的那一天”。之后人们将牛顿力学推广到刚体、流体运动、天体问题等，之后人们将牛顿力学推广到刚体、流体运动、天体问题等，并将动力学问题转化为静力学问题，提出达朗贝尔原理。并将动力学问题转化为静力学问题，提出达朗贝尔原理。19世纪初经典力学这一宏伟建筑巍然矗立，无论外部造型世纪初经典力学这一宏伟建筑巍然矗立，无论外部造型之雅致，还是内部藏品之精美，在当时的科学建筑群中都是之雅致，还是

8、内部藏品之精美，在当时的科学建筑群中都是无与伦比的。直到现在，经典力学所取得的成就仍让人惊叹。无与伦比的。直到现在，经典力学所取得的成就仍让人惊叹。力学体系的总动量和总能量扮演至关重要的角色！力学体系的总动量和总能量扮演至关重要的角色！任何一个孤立的体系，无论经历任何过程，其总动量和总能量任何一个孤立的体系，无论经历任何过程，其总动量和总能量都是守恒的。这种守恒性质至今仍没有发现违背的现象。都是守恒的。这种守恒性质至今仍没有发现违背的现象。经典力学是人类第一次以科学理性的眼光看待他们所处的经典力学是人类第一次以科学理性的眼光看待他们所处的世界，代表了人类最初理性的萌芽。世界，代表了人类最初理性

9、的萌芽。相关历史人物：相关历史人物：1）亚里士多德：古希腊人，哲学家。认为：天体都是物质的）亚里士多德：古希腊人，哲学家。认为：天体都是物质的实体，地球是球形的，是宇宙的中心。地球上的物体由水火土实体，地球是球形的，是宇宙的中心。地球上的物体由水火土气四种元素组成，天体由第五种元素气四种元素组成，天体由第五种元素“以太以太”组成（五行组成（五行论）论） 。代表了力学早期认识的最高水平。代表了力学早期认识的最高水平。2）尼古拉）尼古拉哥白尼：波兰人哥白尼：波兰人。对地球形状的理性思考：海上。对地球形状的理性思考：海上船只返航时为什么不能一下子看到整只船呢？船只返航时为什么不能一下子看到整只船呢？

10、但如果地球是球形的，为什么海洋没有飞散？如果地球在旋转，但如果地球是球形的，为什么海洋没有飞散？如果地球在旋转，为什么人们没有感觉到呢？为什么人们没有感觉到呢？在认识不足的情况下，直觉的判断很重要：海洋、大地有相同在认识不足的情况下，直觉的判断很重要：海洋、大地有相同的重心，地球自转带动着海水和地面上的一切物体旋转。的重心，地球自转带动着海水和地面上的一切物体旋转。谦虚：谦虚：“在许多问题上，我的说法和前人大不相同，但我的知识在许多问题上，我的说法和前人大不相同，但我的知识得归功于他们，也得归功于那些最先为这门学科开辟道路的人得归功于他们，也得归功于那些最先为这门学科开辟道路的人”3）伽利略：

11、意大利人，近代实验物理学鼻祖。上课喜欢质疑，）伽利略：意大利人，近代实验物理学鼻祖。上课喜欢质疑，喜欢观察自然现象，发现（教堂的吊灯）单摆的周期和摆幅、喜欢观察自然现象，发现（教堂的吊灯）单摆的周期和摆幅、摆重无关，只与摆长有关。摆重无关，只与摆长有关。由此联想到自由落体的速度应该和物体的重量无关。由此联想到自由落体的速度应该和物体的重量无关。研究自由落体过程中为提高测量精度，设计了斜面实验，让物研究自由落体过程中为提高测量精度，设计了斜面实验，让物体在斜面上下滑代替自由落体体在斜面上下滑代替自由落体 替代的思想。替代的思想。引入了引入了“加速度加速度”的概念，为人们研究物质的运动打开了一扇的

12、概念，为人们研究物质的运动打开了一扇大门。罗素说：大门。罗素说：“加速度的基本重要性，也许是伽利略所有发加速度的基本重要性，也许是伽利略所有发现中最具永久价值和最有效果的一个发现现中最具永久价值和最有效果的一个发现”。4）牛顿：英国物理学家。白光组成：白光通过三棱镜呈现一条）牛顿：英国物理学家。白光组成：白光通过三棱镜呈现一条彩带，当时认为这是白光和三棱镜发生作用的结果，白光本身是彩带，当时认为这是白光和三棱镜发生作用的结果，白光本身是一种纯粹的物质。牛顿发现无论怎么转动三棱镜，形成的彩带中一种纯粹的物质。牛顿发现无论怎么转动三棱镜，形成的彩带中色彩的顺序都不变。色彩的顺序都不变。牛顿意识到白

13、光有可能就是由七色光组成的。牛顿让三棱镜形成牛顿意识到白光有可能就是由七色光组成的。牛顿让三棱镜形成的彩带中的一束颜色的光通过第二个三棱镜，发现光束只是变宽的彩带中的一束颜色的光通过第二个三棱镜，发现光束只是变宽了，没有再分解出其他色光。了，没有再分解出其他色光。命运在每个人面前都是公平的。牛顿也有他的不幸。一天清晨牛命运在每个人面前都是公平的。牛顿也有他的不幸。一天清晨牛顿去教堂做礼拜，回来时痛苦地发现书桌上的手稿全部被蜡烛焚顿去教堂做礼拜，回来时痛苦地发现书桌上的手稿全部被蜡烛焚毁。毁。光学光学基本完成了，基本完成了，化学化学是他多年心血的结晶。后重是他多年心血的结晶。后重写光学，写光学，

14、12年后才发表。年后才发表。一门学科中，一个好概念的发现远比某个定律、定理的发现重要。一门学科中，一个好概念的发现远比某个定律、定理的发现重要。第一章第一章 运运 动动 学学质点：有质量的一个点。关键：质点：有质量的一个点。关键：忽略物体的大小和形状忽略物体的大小和形状。物体在什么情况适用质点的概念？物体在什么情况适用质点的概念？物体的大小和形状和所研究的问题无关时，如物体的大小和形状和所研究的问题无关时，如物体平动，物体距离观察者非常远。物体平动，物体距离观察者非常远。物理模型的内在之美物理模型的内在之美简洁之美简洁之美：把握所研究问题的本质：把握所研究问题的本质特征，而将非本质特征加以舍弃

15、，进行合理的抽象。特征，而将非本质特征加以舍弃，进行合理的抽象。库珀说：库珀说：“虽然物体本身可能很复杂，但当我们研究这个物虽然物体本身可能很复杂，但当我们研究这个物体的行为时，完全可以用一些简化的模型来代替它，而这些体的行为时，完全可以用一些简化的模型来代替它，而这些简化模型在具体情况下恰恰具有我们所感兴趣的、并且在相简化模型在具体情况下恰恰具有我们所感兴趣的、并且在相互作用过程中保持不变的性质互作用过程中保持不变的性质”。一个事物有很多方面的属性，你关注哪方面的属性，其它方一个事物有很多方面的属性，你关注哪方面的属性，其它方面的属性就可以忽略面的属性就可以忽略抽象的含义。抽象的含义。单独任

16、何一个方面的属性的基本规律都是简单的，所以任何单独任何一个方面的属性的基本规律都是简单的，所以任何学科都推崇简单、纯粹的美。学科都推崇简单、纯粹的美。美的画卷和美的诗句展现出作者心中纯粹的境界，不糅杂一美的画卷和美的诗句展现出作者心中纯粹的境界，不糅杂一点功利思想。点功利思想。美的人生应该向美的人生应该向幽窗小记幽窗小记中的对联那样：中的对联那样：“宠辱不惊，宠辱不惊，看庭前花开花落；去留无意，望天空云卷云舒看庭前花开花落；去留无意，望天空云卷云舒”，达到淡泊，达到淡泊名利、物我两忘的境界。名利、物我两忘的境界。美的东西都是纯粹的。美的东西都是纯粹的。一一 质点运动方程质点运动方程1、参考系：

17、描写物体的运动需要一个参照物，物体的位置由、参考系：描写物体的运动需要一个参照物，物体的位置由相对参照物的位置来确定，这个参照物称为参考系。相对参照物的位置来确定，这个参照物称为参考系。参考系就是该物体运动的观察者。参考系就是该物体运动的观察者。注意：同一个物体，参考系不同，物体的运动状态就不同注意：同一个物体，参考系不同，物体的运动状态就不同 称为运动的相对性称为运动的相对性 。2、坐标系：建立在参考系上的坐标系，如直角坐标系，球坐、坐标系：建立在参考系上的坐标系，如直角坐标系，球坐标系等。标系等。1.1 质点运动描述质点运动描述位置矢量的方向位置矢量的方向: : 位置矢量的大小：位置矢量的

18、大小：rzryrx cos ,cos , coskzjyixr位矢222zyxrr 3、质点运动方程：位矢关于时间的函数。、质点运动方程：位矢关于时间的函数。ktzjtyitxr)()()( 可以看成是三个分运动的叠加可以看成是三个分运动的叠加4 4、质点轨迹方程：、质点轨迹方程：描写质点位置的三个坐标之间满足的方程。描写质点位置的三个坐标之间满足的方程。)(),(),(tzztyytxx消去时间参数消去时间参数t，得到，得到x、y、z之间满足的方程。之间满足的方程。例、已知质点运动方程为例、已知质点运动方程为 ， 求其轨迹。求其轨迹。jir)6cos(3)6sin(3tt思考题：求下面质点的

19、轨迹方程思考题：求下面质点的轨迹方程jirjir)2( (2)42 (1)2tttt二二 位移和速度位移和速度1、位移：位置的移动，或者位矢的改变，、位移：位置的移动，或者位矢的改变，12rrr 位移矢量的大小位移矢量的大小222zyxr kzj yixr 注意注意: (1) 位移大小不等于位矢大小的增量位移大小不等于位矢大小的增量)| (|rrrrrr (2) 位移大小也不等于所走过的路程位移大小也不等于所走过的路程s,r一般。但但srdd 2 2、速度、速度: : 表示表示质点运动快慢及运动方向质点运动快慢及运动方向0 t令令 rrr 12 平均速度平均速度速度（瞬时速度）速度（瞬时速度）

20、trtrvddlim0t方向沿轨迹的切向，并指向前进方向。方向沿轨迹的切向，并指向前进方向。在直角坐标系中：在直角坐标系中：ktzjtyitxtrvdddddddd tzvtyvtxvzyxdd,dd,dd 定义：定义：trv kvjvivvzyx速度线性叠加原理速度线性叠加原理222zyxvvvvv 速度大小称为速率：速度大小称为速率：tstrvdddd位移和速度从时间属性上看属于两种不同类型的物理量：位移和速度从时间属性上看属于两种不同类型的物理量：过程量过程量：像位移，是在某个过程中累积发生的量，需要在：像位移，是在某个过程中累积发生的量，需要在一段时间内才能生成，不能瞬间完成或瞬间具有

21、。一段时间内才能生成，不能瞬间完成或瞬间具有。状态量状态量：像速度，不需要在一个过程中累积生成，瞬间就能：像速度，不需要在一个过程中累积生成，瞬间就能生成或者具有，通常会反映物体在这个瞬间的状态。生成或者具有，通常会反映物体在这个瞬间的状态。通常，某些过程量等于在这一过程中与之相联系的某种状通常，某些过程量等于在这一过程中与之相联系的某种状态量的改变。态量的改变。课前作业课前作业1：5、“加速度加速度”这个概念想描写什么？若已知物体的运动曲这个概念想描写什么？若已知物体的运动曲线，加速度的方向能确定吗，为什么？线，加速度的方向能确定吗，为什么？2、以、以“质点质点”概念为例，说明什么是物理学中

22、的模型以概念为例，说明什么是物理学中的模型以及模型的价值。及模型的价值。 1、理工学科注重具体的量化分析，但直觉同样非常重要，、理工学科注重具体的量化分析，但直觉同样非常重要，良好的直觉可以一下子抓住问题的核心和整体趋势，并良好的直觉可以一下子抓住问题的核心和整体趋势，并做出一个正确的判断。举你身边或者你听说的任何一个做出一个正确的判断。举你身边或者你听说的任何一个例子（不限物理学）说明良好的直觉的重要性。例子（不限物理学）说明良好的直觉的重要性。 3、什么是参考系？参考系不同，同一个物体的运动状态、什么是参考系？参考系不同，同一个物体的运动状态一定相同吗、举例说明。一定相同吗、举例说明。4、

23、“过程量过程量”和和“状态量状态量”区别的关键在哪里？区别的关键在哪里？6、有必要再提出一个、有必要再提出一个“加加速度加加速度描写加速度变化的快慢描写加速度变化的快慢”的概念吗？说明原因。的概念吗？说明原因。7、理工学科中，运动或力通常按照直角分解原则进行分解，、理工学科中，运动或力通常按照直角分解原则进行分解，然后再分析。该方法（原则）有什么好处？举例说明。然后再分析。该方法（原则）有什么好处？举例说明。8、什么是自然坐标系？此种坐标系为什么没有直角坐标系通用？、什么是自然坐标系？此种坐标系为什么没有直角坐标系通用？但它的好处在哪里？它适用于描写哪种运动形式，为什么？但它的好处在哪里？它适

24、用于描写哪种运动形式，为什么？9、惯性是描写物体的什么属性的？如何确定一个物体的惯性？、惯性是描写物体的什么属性的？如何确定一个物体的惯性？什么是伽利略的惯性定律？伽利略根据他的两个斜面的实验什么是伽利略的惯性定律？伽利略根据他的两个斜面的实验提出了惯性定律，其成功的思维模式是什么？提出了惯性定律，其成功的思维模式是什么？10、几个力同时作用到一个物体上的效果，和每个力单独作、几个力同时作用到一个物体上的效果，和每个力单独作用到同一个物体上的效果之间是什么关系？用到同一个物体上的效果之间是什么关系？定义：平均加速度定义：平均加速度 = =tv zyxzyxtaaaktvjtvitvtvtvad

25、dddddddlim0瞬时加速度瞬时加速度: :1vvv 2 方向：方向： t t0 0 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 三、加速度：表示三、加速度：表示速度变化的快慢。速度变化的快慢。“加速度加速度”概念的意义：概念的意义：1）使人们对物体的运动有一个更全）使人们对物体的运动有一个更全面、更准确的了解；面、更准确的了解；2）加速度和物体所受外力密切相关。）加速度和物体所受外力密切相关。好概念的重要性好概念的重要性让人们一下子抓住问题的本质特征。让人们一下子抓住问题的本质特征。海森堡说：海森堡说：“为了理解现象，首先要引入适

26、当的概念。只有为了理解现象，首先要引入适当的概念。只有借助正确的概念，我们才能真正知道观察到了什么借助正确的概念，我们才能真正知道观察到了什么”。问题：有必要再提出一个问题：有必要再提出一个“加加速度加加速度”的概念吗？的概念吗？运动按加速度分类：运动按加速度分类：变加速运动曲线运动匀加速直线匀速直线运动或静止/)(0taCa质点运动学问题分为两大类：质点运动学问题分为两大类：1）已知运动方程，求速度和加速度，用微分方法求解；）已知运动方程，求速度和加速度，用微分方法求解；例例1、已知质点在、已知质点在Oxy平面做运动，运动方程为：平面做运动，运动方程为： （SI单位），求（单位），求（1）质

27、点从）质点从1s到到2s内内的位移；（的位移；（2）轨迹方程；（）轨迹方程；（3）2s时的速度和加速度。时的速度和加速度。jtitr)15(22例例2、质点以加速度、质点以加速度a（a为常量）沿为常量）沿x轴运动，开始轴运动，开始t=0时位于时位于x0 位置，速度为位置，速度为v0 ，求质点在任一时刻的位置和速度。，求质点在任一时刻的位置和速度。2）已知加速度和初始条件，求运动方程，用积分方法求解。）已知加速度和初始条件，求运动方程，用积分方法求解。1.2 匀加速运动匀加速运动定义：定义：恒矢量a若已知若已知t=0时的时的，和00vrtavtavvt000d2000000021d)(dtatv

28、rttavrtvrrtt不一定在一条直线和其中av0不在一条直线上和）匀加速曲线运动，在一条直线上和）匀加速直线运动，由此分类：avav0021如平抛运动，可理解成物体同时参与了两个互相垂直的分运如平抛运动，可理解成物体同时参与了两个互相垂直的分运动动水平的匀速直线运动和竖直的自由落体运动。水平的匀速直线运动和竖直的自由落体运动。oxyv0 g2021tgtvr建立如图直角坐标系建立如图直角坐标系2021gtytvx运动的垂直分解：把运动沿互相垂直的方向进行分解，得到运动的垂直分解：把运动沿互相垂直的方向进行分解，得到各个方向上的分运动，即建立直角坐标系，求坐标分量。各个方向上的分运动，即建立直角坐标系，求坐标分量。垂直分解原则垂直分解原则：互相垂直的分运动彼此独立，互不影响，可：互相垂直的分运动彼此独立，互不影响，可分别进行研究分别进行研究简化分析。简化分析。1.3 圆周运动圆周运动一一 两种描述：两种描述：1）角量：转过的角度，角速度）角量：转过的角度，角速度2）线量：走过的路程，线速度）线量：走过的路程，线速度tsvtddddRtRvdd2T周期tdd角加速度自然坐标系：以运动轨迹上