大学物理普通物理学课件

1、第一篇 力 学 经典力学，研究力和机械运动的科学第1页，共74页。力学发展史阿基米德 (Archimedes, 约287212 B.C.) 主要贡献：“理论天才与实验天才合于一人的理想化身” “假如给我一个支点，我就能推动地球。” -古希腊物理学家、数学家 “能推动地球的人” 杠杆平衡、物体重心位置、浮力问题 - 静力学基础第2页，共74页。伽利略：(Galileo Galilei，1564-1642）意大利物理学家、天文学家和哲学家 “实验模型”思维方法成为至今实验科学研究的基石 “哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙” “近代科学之父” 主要贡献：摆的定律、惯性定律、自由落体运动的规律、

2、加速度、抛体运动；相对性原理、天文望远镜关于力学以及地上运动的两个新学科中的对话和数学证明 -力学对话 第3页，共74页。第谷 (Tycho Brahe) (1546-1601)天文学家丹麦贵族，拥有王室天文台，被称为天文学泰斗、近代天文学始祖二十年如一日精确测量和记录了行星的运行轨道第谷从不相信哥白尼体系，当他去世时，把毕生的天文观测资料传给了他的学生-德国天文学家开普勒（Johannes Kepler）。第4页，共74页。Johannes Kepler (1571-1630)与第谷不同的是，开普勒坚信哥白尼的日心说，但他不能解释为什么行星的圆周轨道与第谷的天文观测结果不同。他相信老师的观测

3、，更倾向于从理论上思考问题最终，他放弃了自己七十余次“圆上加圆”的方法构造的火星轨道曲线，放弃了匀速圆周运动这个一向为人们所钟爱的古老信念，建立了行星运动三定律。我曾测量过天空，而现在测量幽冥，灵魂飞向天国，肉体安息土中。 墓志铭，自撰“天空立法者”第5页，共74页。行星运动的三条定律 1.行星沿椭圆形轨道绕日运行，太阳在随圆的一个焦点上。 2.行星和太阳之间的连线在相等时间内扫过的椭圆的面积相等 3.行星绕日一周所需时间(公转周期T)的平方，与其和太阳平均距离R的立方成正比 新天文学, 1609年 宇宙的和谐, 1619年 第6页，共74页。牛 顿 :(Isaac Newton， 1642-

4、1727)英国物理学家、数学家经典力学之父主要贡献：发现了万有引力定律在笔尖下被发现的海王星第7页，共74页。提出物体运动的三定律-标志着力学开始成为一门科学发表了自然哲学的数学原理（1686） -从力学的基本概念(质量、动量、惯性、力)和基本定律(三定律)出发，运用他所发明的微积分数学工具，不但从理论上论证了万有引力定律，还建立了经典动力学完整、严密的理论体系，把天体力学和地面上物体力学统一起来，实现了物理学的第一次大综合。第8页，共74页。牛顿的光色散实验反射望远镜第9页，共74页。牛顿也有失误，但牛顿的成就远大于他的错误.威明斯特修道院牛顿的墓碑：nature of lightalche

5、myminting moneyGravity laws of motionreflecting telescope“他是人类真正的骄傲，让我们为之欢呼吧” 光的本性: 波 还是粒子? 惠更斯 1629-1695牛顿 1642-1727第10页，共74页。动力学基础 伽利略、牛顿的成果但是光明并不长久，魔鬼又出现了，上帝咆哮说，让爱因斯坦去吧，一切又恢复到如今的样子！英国诗人蒲伯(Pope ， 1688-1744)自然及其规律隐藏在黑暗中，上帝说，让牛顿去吧，于是一切都已明朗！相对论爱因斯坦的成果第11页，共74页。达朗贝尔(Jean Le Rond dAlembert,1717-1783)-法

6、国物理学家、数学家和天文学家提出“达朗贝尔原理”约瑟夫拉格朗日(Joseph Louis Lagrange)，法国数学家、物理学家和天文学家 引入了广义坐标概念，运用达朗贝尔原理，创立了分析力学 单个自由质点受约束质点、质点系第12页，共74页。欧 拉：(Euler，17071783)建立了刚体和理想流体的运动方程 连续介质力学的开端瑞士物理学家和数学家纳维、柯西、泊松、斯托克斯等 ： 建立了弹性力学和流体力学基本方程 弹性力学和流体力学形成了经典力学完整、严密的理论体系第13页，共74页。第一章 力 和 运 动 研究可简化为质点的物体的运动规律及其运动规律与所受力之间的关系本课程“力学”内容

7、：质点力学（1、2章）刚体和流体力学（3章）第14页，共74页。11 质点运动的描述 ！同一物体，对不同参照系，运动不同 -运动描述的相对性。一. 参照系！可根据研究问题的方便，选不同参照系ZXY日心系地心系地面系o第15页，共74页。参照系的数学抽象常用：直角坐标系极坐标系 球坐标系柱坐标系自然坐标系坐标系：第16页，共74页。（1）平动物体可简化为质点的情况：具有物体的全部质量，而不考虑其大小和形状的理想体。 二. 质点：第17页，共74页。太阳地球地球绕太阳公转（2）本身线度 其活动范围第18页，共74页。 三. 运动的描述 -给出任意时刻质点所在位置 运动快慢表格法曲线法解析法 运动方

8、程第19页，共74页。四. 位置矢量（位矢） ：PyxzXYZ(x,y,z)0-确定质点空间位置第20页，共74页。 在直角系中的分量表达式： 大小：方向：第21页，共74页。 运动学方程-位置随 t 变的函数式空间运动分量式：=)(tzz=)(tyy=)(txx平面运动-矢量式第22页，共74页。轨迹：运动质点在空间经过的路径。运动方程分量式中消去t得轨迹方程。一段时间内位置的增量五. 位移 第23页，共74页。分量式：第24页，共74页。质点经历的实际路径长度 路程 ：讨论 ：-矢量S -标量且 与S 不同：特例：单向直线运动第25页，共74页。 与 不同：第26页，共74页。 极限情况下

9、 t=t2-t10方向-轨道切向大小：第27页，共74页。六. 速度 -位移随时间的变化率1.平均速度：时刻位置时间：位移：第28页，共74页。大小：-轨道切向方向：矢量 方向，-速率2. 瞬时速度(速度)： 时 的极限值定义平均速度：第29页，共74页。 在直角系中： 的大小：-速率第30页，共74页。速率 v 的两种定义：第31页，共74页。七.加速度-速度随时间的变化率1.平均加速度：O第32页，共74页。2.瞬时加速度（加速度）大小：方向：沿矢量 ，一般与 方向不同第33页，共74页。 在直角系中第34页，共74页。八. 质点运动学的两类问题1.已知 ，求 、 、 微分问题2.已知 和

10、初始条件（t=0时 、 ）求 、 积分问题第35页，共74页。由两边取定积分：得或 a=a(t)一维情况：分离变量第36页，共74页。 由得=toxxovdtdx积分：+=toovdtxx=-toovdtxx 或第37页，共74页。a=a(v)由得积分：得第38页，共74页。a=a( x)由得积分：得第39页，共74页。三维情况：三个相互垂直方向的一维运动的矢量和第40页，共74页。例1：一质点在（X,Y）平面内运动，运动方程为：求: （1）质点的轨道； （2）在最初2S内质点的位移和平均速度； （3）在第2S时质点的速度和加速度。第41页，共74页。解：（1）运动方程的分量形式：两式联立消去

11、 t ，得轨道方程：第42页，共74页。（2）在最初2S内质点的位移：在最初2S内质点的平均速度：第43页，共74页。（3）在第2S时质点的速度和加速度： 第44页，共74页。例2：已知一质点沿x轴运动，加速度为：求：质点的运动方程。解： 且 时分离变量两边积分第45页，共74页。质点的运动方程：得第46页，共74页。3.一类特殊的微分问题：xh 求当 为匀速时， =？O第47页，共74页。两边对 t 求导：而“” 表示 v 沿 x 轴反向第48页，共74页。问题：小船作的是加速还是减速运动？第49页，共74页。oS(t)-沿速度方向的单位矢量- 沿内法向的单位矢量一. 自然坐标系的选取： 取

12、轨道上任一点为坐标原点；质点的位置由轨道长度S(t) 确定；坐标轴选在运动的质点上。 1-2 圆周运动和一般曲线运动 第50页，共74页。 位置：速度：二.自然坐标系中圆周运动的描述加速度:=?第51页，共74页。第52页，共74页。-法向加速度改变速度方向-切向加速度改变速度大小第53页，共74页。三. 任意曲线运动： -曲线上任意点 的曲率半径 第54页，共74页。四. 圆周运动的角量描述 Rx-角位置-角位移-角速度-角加速度第55页，共74页。特例：匀速圆周运动：匀变速圆周运动：第56页，共74页。角量的单位：在 SI 制中，第57页，共74页。五. 线量与角量的关系： Rx第58页，

13、共74页。例3：一曲柄连杆机构，OA=r , AB=l ,当A点以匀 角速绕O转动时, 求点B(活塞)的运动方程.OAB解: 选坐标系如图并设t=0时, A在坐标轴上的P点此时,B点位置坐标:x0=r+lOABxrl任意时刻t, B点转过角度: =tB点坐标:-以O为原点B的运动方程 P第59页，共74页。当 时,忽略又代入, 可得,=xOABxrlxxO以O 为原点运动方程第60页，共74页。六.抛体运动的矢量描述 第61页，共74页。1 3 相对运动 力学的相对性原理 常见力和基本力 一质点在空间运动，在两有相对运动的参照系K、K 中观察，其运动方程、速度、加速度分别为：、一. 相对运动第

14、62页，共74页。K K：K 相对K的 牵连坐标空间测量的绝对性第63页，共74页。: K测得的质点速度-绝对速度: K 测得的质点速度-相对速度: K 相对K速度-牵连速度第64页，共74页。 二. 伽利略变换坐标变换特殊地,当两系相对眼x轴匀速运动时,第65页，共74页。速度、加速度变换:第66页，共74页。三. 经典力学时空观 力学的相对性原理绝对空间：KK-长度测量与参照系无关 绝对长度第67页，共74页。绝对时间:绝对质量:-时间测量与参照系无关.一切彼此作匀速直线运动的惯性系，对于描写机械运动的力学规律都是完全的等价的。-力学的相对性原理第68页，共74页。1.重力：2.万有引力：四. 常见力第69页，共74页。2.分子力和弹力：-原子间的作用0rFd半经验公式：第70页，共74