fang第一章 质点运动学1

1、University physics AP Fang方爱平方爱平理学院应用物理系理学院应用物理系办公电话：办公电话：82663394 办公室：办公室：主楼主楼E1111E-mail：大学物理网址：大学物理网址：202.117.23.17课件下载：课件下载：“教学园地教学园地” 用户名：学号用户名：学号 密码：学密码：学号号一、什么是物理学？一、什么是物理学？ 物理学物理学 研究物质世界中研究物质世界中最基本形态和规律的科学最基本形态和规律的科学 物理学研究范围物理学研究范围 物质世界的层次和数量级物质世界的层次和数量级Physics质子质子: :m1510类星体类星体: :m2610空间尺度：

2、空间尺度：物质结构物质结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cosmological绪绪 论论University physics AP Fang基本粒子寿命基本粒子寿命S2510宇宙寿命宇宙寿命S1810时间尺度：时间尺度：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长度长度星系团星系团银河系银河系最近恒最近恒星的距离

3、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蛇吞尾图形象地表示了物质空间尺寸的层次形象地表示了物质空间尺寸的层次University physics AP Fang标准宇宙模型给标准宇宙模型给出的宇宙起源与出的宇宙起源与基本粒子标准模基本粒子标准模型给出的物质组型给出的物质组成是一致的成是一致的 物物理理问问题题 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运动速率大小划分：按运动速率大小划分： 相对论物理学相对论物理学 非相对论物理学非相对论物理学 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

4、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 物理学的发展物理学的发展Today PhysicsUniversity physics AP Fang二、物理学中的主要基本理论是什么？二、物理学中的主要基本理论是什么？ 牛顿力学牛顿力学（Newtonian 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 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 热力学热力学（Thermodynamics

5、） 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 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University physics AP Fang三、物理学构成所有自然科学的理论基础三、物理学构成所有自然科学的理论基础 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 物理学派生的分支：物理学派生的分支： 物理学构成了化学、生物学、材料科学、地球物理学物理学

6、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的等学科的基础，物理学的基本概念和技术被应用到所有的自然科学之中自然科学之中。 物理学与数学之间的关系物理学与数学之间的关系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电电子子物物理理学学University physics AP Fang四、物理学与技术四、物理学与技术二十世纪以来，物理学被公认为科技发展中最重要的带头学科二十世纪以来，物理学被公认

7、为科技发展中最重要的带头学科 第一种模式第一种模式 热机的发明热机的发明 第二种模式第二种模式 电气化的发展电气化的发展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)电子计算机电子计算机技术技术 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晶体管的发现晶体管的发现University physics AP FangUniversity physics AP Fang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

8、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University physic

9、s AP Fang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 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种模式并存，相互交叉，相互促进两种模式并存，相互交叉，相互促进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 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，事技术领域的创立，事先都在物理学中经过长期的酝酿。先都在物理学中经过长期的酝酿。University physics AP Fang五、怎样学习物理学五、怎样学习物理学? ? 著名物理学家费曼说：著

10、名物理学家费曼说：科学是一种方法。它教导人们：一些事物是科学是一种方法。它教导人们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了解到了什么程度，如何对待疑问和不确定性，解到了什么程度，如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如何思考事物，做出判证据服从什么法则；如何思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象断，如何区别真伪和表面现象 。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

11、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 。 学习的方法：学习的方法：从整体上逻辑地、协调地学习物理学，了解从整体上逻辑地、协调地学习物理学，了解 物理学中各个分支之间的相互联系。物理学中各个分支之间的相互联系。University physics AP FangOiriFifiiiiamfF取一质量元取一质量元iti

12、tiitFfma切线方向切线方向it iit iiit iF rf rma r对固定轴的力矩对固定轴的力矩2iirm对所有质元对所有质元2()ititi iiiF rf rmr合内力矩合内力矩 = 0合外力矩合外力矩 M刚体的转动惯量刚体的转动惯量 JimMJ刚体绕定轴转动定律刚体绕定轴转动定律 学习的关键：学习的关键：勤于思考勤于思考悟物穷理悟物穷理University physics AP Fang经典理论解释氢原子的线状光谱遇到困难经典理论解释氢原子的线状光谱遇到困难电子绕原子核做圆周运动电子绕原子核做圆周运动辐射电磁波辐射电磁波原子系统的能量逐渐减小原子系统的能量逐渐减小不可能有稳定的

13、原子不可能有稳定的原子原子光谱为连续的带状光谱原子光谱为连续的带状光谱University physics AP Fang电子双缝干涉实验电子双缝干涉实验仅缝仅缝A打开打开仅缝仅缝B打开打开双缝同时打双缝同时打开时实际得开时实际得到的干涉图到的干涉图电子源电子源AB双缝同时打双缝同时打开时所想象开时所想象的干涉图的干涉图实物粒子具有粒子性实物粒子具有粒子性实物粒子具有波动性实物粒子具有波动性伴随实物粒子的波到底是什么样的波。伴随实物粒子的波到底是什么样的波。 学习的重点：学习的重点： 物理模型物理模型 数学表述数学表述 研究方法与适用条件研究方法与适用条件University physics

14、AP Fangl不考虑分子的内部结构并不考虑分子的内部结构并忽略其大小忽略其大小标准状况下气体分子间平均距离标准状况下气体分子间平均距离32533230m107 . 2m104 .221002. 6n13901()3.3 10 mLn已知液氮的密度已知液氮的密度 33mkg108 . 0氮分子半径氮分子半径1033()2.4 10m4rnrL 理想气体的微观模型理想气体的微观模型理想气体的状态方程理想气体的状态方程RTMmpVmol实际气体的状态方程实际气体的状态方程RTbVVap)(2University physics AP Fang六、本学期的任务和要求六、本学期的任务和要求 任务任务：

15、经典力学经典力学狭义相对论狭义相对论电磁学电磁学 听课：听课：信息量较大，进度较快，范围较宽信息量较大，进度较快，范围较宽 要求：抓住主线，注重分析，学会总结要求：抓住主线，注重分析，学会总结 阅读：阅读：大学物理大学物理 吴百诗吴百诗 主编主编 科学出版社科学出版社 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 费曼物理学讲义费曼物理学讲义教教 材：材：大学物理大学物理 吴百诗吴百诗 主编主编 高等教育出版社高等教育出版社 参考书：参考书： 作业：作业： ( 两本两本 8. 00元，中二楼元，中二楼3216 ) 要求：独立完成，举一反三，一题多解，扎实练习要求：

16、独立完成，举一反三，一题多解，扎实练习 University physics AP Fang 答疑时间安排：答疑时间安排：2-16周周 周一至周四周一至周四 晚晚 7:30 10:00地点：中二楼地点：中二楼3224另每两周安排单独答疑一次：地点：主楼另每两周安排单独答疑一次：地点：主楼E1111，时间待定，时间待定关于学生成绩评定办法关于学生成绩评定办法平时成绩占总成绩平时成绩占总成绩10%: 根据根据作业完成情况作业完成情况和和随堂测验随堂测验评定成绩（注意：按学评定成绩（注意：按学校规定缺交作业校规定缺交作业1/3以上者，不能参加期末考试）。以上者，不能参加期末考试）。2. 期中考试占总

17、成绩期中考试占总成绩10%3. 期末考试占总成绩期末考试占总成绩80%: 题型及成绩分布：题型及成绩分布：(1)选择题选择题20分；分； (2) 填空题填空题30分；分； (3) 计算及证明题计算及证明题50分分第一篇第一篇 经典力学经典力学经典力学经典力学 物体机械运动现象与动力学规律物体机械运动现象与动力学规律 机械运动机械运动 物体相对于其他物体的位置随时间物体相对于其他物体的位置随时间发生的变化，或物体内部的各部分的相对位置发生的变化，或物体内部的各部分的相对位置随时间发生的变化。随时间发生的变化。物质运动最基本、最简单的运动形式物质运动最基本、最简单的运动形式 力学是物理学和许多工程

18、技术学科的基础力学是物理学和许多工程技术学科的基础University physics AP Fang 质点运动学质点运动学 质点动力学质点动力学 刚体力学刚体力学 运动规律的原因运动规律的原因质点集合（质点系）质点集合（质点系）刚体运动的基础刚体运动的基础第一章第一章 质点运动学质点运动学预备知识：预备知识：微积分，矢量代数，国际单位制（微积分，矢量代数，国际单位制（SI） 1-1 质点运动学的基本概念质点运动学的基本概念一、质点一、质点 质点系质点系 刚体刚体 质点质点：无大小与形状的空间几何点无大小与形状的空间几何点P 具有一定的质量具有一定的质量 m 质点系质点系 若干质点的集合体若干

19、质点的集合体 对实际物体有条件的、合理的抽象描述对实际物体有条件的、合理的抽象描述理理想想模模型型二、参照系二、参照系 位置矢量位置矢量1. 1. 参照系参照系描述物体的相对性描述物体的相对性描述物体的近似性描述物体的近似性 刚体刚体 大小、形状的变化可以忽略不计大小、形状的变化可以忽略不计University physics AP Fang 参照物参照物：xyz0P参照物参照物 选取的任意性，选取的任意性， 参照系：参照系：参照物参照物 + + 坐标系坐标系 + + 时钟时钟 极坐标系极坐标系 .2 . 位置矢量（位置矢量（Position Vector）222zyxrrzcosrycos,

20、rxcos运动的相对性运动的相对性 直角坐标系直角坐标系 自然坐标系自然坐标系rxiyjkz zP ( t )xzyo直角坐标系直角坐标系( )r t方向：方向：大小：大小：University physics AP Fang三、运动学方程三、运动学方程 ( Equations of motion )P(t)P(t)x xz zy yo oijk()r t( )rr t时刻时刻 1 1：时刻时刻 2 2：()rr tt ()r ttP直角坐标系直角坐标系：( )( )( )( )r tx t iy t jz t k 描述物体运动状态描述物体运动状态 运动叠加（合成）原理运动叠加（合成）原理 确

21、定物体运动轨迹确定物体运动轨迹 轨迹方程轨迹方程例：例：已知质点运动已知质点运动tRytRxsin,cos分析规律？分析规律？解：解：( )( )( )r tx t iy t jR)t (y)t (xr22质点做平面质点做平面圆周运动圆周运动物理物理意义意义( ),( ),( )xx tyy tzz tUniversity physics AP Fang1-2 位移位移 速度速度 加速度加速度一、位移一、位移（Displacement vector）r()( )r ttr tr P PP Px yzOPP 反映了物体运动中位置反映了物体运动中位置 （距离与方位）的变化。（距离与方位）的变化。

22、讨论讨论：( )r t()r ttrr1. 直角坐标系中直角坐标系中rxiy jzk 2. 位移与参照物位置的变化无关位移与参照物位置的变化无关3.r与与r的区别的区别rrOrO)()(tttrrr)()(tttrrrUniversity physics AP Fang 4. 自然坐标系自然坐标系OPQ s( )r t()r tt)tt ( s) t ( s前提：质点相对参考系的运动前提：质点相对参考系的运动轨迹已知轨迹已知r)(tss : ( ),: ()P s t Q s tt()( )ss tts t 路程路程5. 位移是位移是矢量矢量（有大小，有方向）（有大小，有方向）,路程是路程是标量标量rS 0t 当时，有drdS6. 位移仅与始、终两点有关，而与位移仅与始、终两点有关，而与运动的细节运动的细节无关无关一质点以半径一质点以半径R 作匀速圆周运动，以圆心为原点，半个作匀速圆周运动，以圆心为原点，半个周期内质点位移的大小周期内质点位移的大小 ，位矢大小的增，位矢大小的增量为量为 。例：例：2rR0RRrUnivers