大一下物理PPT市公开课获奖课件

1、上海海事大学第1页第1页上海海事大学物理教研室大学物理学第2页第2页绪 论第3页第3页绪论一、物理学研究对象二、物理学研究办法三、物理学学习办法 目的：取得学习“大学物理”自觉意识和较高起点。第4页第4页一、物理学研究对象 研究物质基本结构、基本互相作用和基本运动规律。 物质抽象物质实物物质气体、液体、固体、等离子体等场等第5页第5页典型物理学典型力学宏观热力学气体分子动理论电磁学光学第6页第6页近代物理学基础分支狭义相对论广义相对论量子力学粒子物理原子核物理原子分子物理激光物理凝聚态物理等离子体物理电子物理等第7页第7页特点：1) 要以相对论、量子物理为基础 2) 观测和试验手段及设备越来越

2、精密 3) 交叉学科层出不穷 4) 与新技术革命密切相关 当代物理前沿：研究微观结构更深层次，研究单个粒子结构与性能及少数粒子间互相作用，最后希望统一四种互相作用力。从物质微观结构出发，揭开宏观多粒子系统复杂结构奥秘 - 当代统计物理及凝聚态物理。 少体问题 多体问题 天体问题摸索大尺寸宇观领域，揭开宇宙奥秘。第8页第8页交叉学科天体物理、地球物理、化学物理、生物物理等当今物理学研究领域两个尖端高能或粒子物理天体物理第9页第9页 物理学对科学技术和社会影响：是其它科学主要基础 规律含有普遍性 研究办法含有指导性含有导向作用 研究结果对科技发展含有预示性 对人类社会含有推动性第10页第10页二、

3、物理学研究办法提出命题推出答案理论预言试验检查修改理论第11页第11页三、物理学学习办法物理量意义物理公式、定律来龙去脉， 合用范围，会正确应用量纲帮助理解物理数据合理性第12页第12页教材结构和主线下册粒子热运动规律上册质点运动规律刚体运动规律流体运动规律高速运动规律电磁运动规律粒子周期运动近代物理基础波动光学第13页第13页第一篇 力学第14页第14页力学(mechanics)研究对象 宏观物体之间(或物体内各部分之间)相对位置(position)变动力学质点运动学质点动力学刚体力学基础狭义相对论机械运动第15页第15页第1章 质点运动学1-1 时间和空间 量纲1-2 质点运动描述1-3

4、相对运动 质点运动学任务：描述作机械运动物体在空间(space)位置(position)随时间(time)改变关系，不涉及运动改变原因。第16页第16页1-1 时间和空间 量纲一、时间（time）计量二、长度(length)计量三、国际单位制(SI)与量纲第17页第17页一、时间计量时间表征物质运动连续性 1967年,第十三届国际计量大会决定采用铯原子钟作为时间基准, 定义1秒长度等于铯133原子基态两个超精细能级之间跃迁相相应辐射周期9 192 631 770倍。an Atomic Clock精度达10-12 10-13共计跨越了43个数量级物理学研究时间数量级第18页第18页二、长度(le

5、ngth)计量空间中二点间距离空间反应物质运动广延性。在三维空间里位置可由三个互相独立坐标拟定。 米(meter)原则 1983年10月第十七届国际计量大会通过：米是光在真空中1 / 299 792 458秒时间间隔内运营路程(distance)长度。共计跨越了42个数量级。物理学研究长度数量级第19页第19页三、国际单位制(SI)与量纲基本物理量：长度(length) L 米 m时间(time) T 秒 s质量(mass) M 公斤 kg电流(electricity) I 安培 A热力学温度(thermodynamic temperature) 开尔文 K 物质量(amount of sub

6、stance) N 摩尔 mol发光强度(luminous intensity) J 坎德拉 cd导出量 ： 由基本物理量构成，1960年，第十一届国际计量大会通过了国际单位制。如速度第20页第20页 用L、M和T分别表示长度、质量和时间三个基本量量纲，其它力学量Q量纲与基本量量纲之间关系可按下列形式表示出来：注：量纲相同物理量才干相加减或用等号联接。 无量纲量能够有单位。如行星轨道周期变短速 率其单位是秒/世纪，但无量纲。 无量纲量经常有主要应用。 不考虑数字原因时，导出量(derived)与基本量(base)之间关系能够用量纲(dimension)来表示。其中p, q, s为量纲指数。如速

7、度dimV = L T-1。第21页第21页1-2 质点运动描述一、质点(particle)二、参考系和坐标系三、位置矢量与运动方程四、位移与路程五、速度(speed)六、加速度(acceleration)七、运动学两类问题八、自然坐标系中速度和加速度九、圆周运动角量描述第22页第22页一、质点(particle) 定义：含有质量几何点称质点。满足下列条件实物均能够抽象为一个质点： 物体上各点运动情况 相同(平动) 。 研究问题中物体形状 和大小能够忽略不计。 各点运动对总体运动影 响不大。 物体线度和形状在所研究问题中能够忽略时，这个物体能够被抽象为质点。第23页第23页 描述物体运动含有相

8、对性。 物体运动含有绝对性。默认：地面参考系二、参考系和坐标系 1. 参考系(frame of reference) 为了描述一个物体运动而选定另一个作为参考物体。 注: 1:任何实物物体均可被选作 参考系，任何形式场都不可选作参考系。2：参考系不同，物体运动性质可能被描述不同。第24页第24页常见坐标系：极坐标系O极轴径向角向P(r,) 2. 坐标系(system of coordinates) 用以标定物体空zxyOP(x,y,z)直角坐标系 自然坐标系OP(n,) 球坐标系P(r, , )注:1：坐标系不会改变物体运动描述结果。2：选取适当坐标系能够使解析过程快捷、以便。 数学抽象，是定

9、量分析工具。间位置而设置坐标系统，是固结于参考系上一个第25页第25页 1. 位置矢量(矢径，位矢) (position vector)：从坐标原点O出发，指向质点所在位置P 一有向线段 描述质点在空间位置。直角坐标系位矢表示为：三、位置矢量与运动方程P(x,y,z)zyxOkji单位矢量：大小：方向：特性：矢量性、瞬时性、相对性第26页第26页矢量形式：参数方程： 2. 运动方程(equation of motion): 质点运动时位置随时间改变规律。xOzyPQkji消去参数 t质点运动轨迹方程第27页第27页解：(1) 先写参数方程：xPy42Q-2O(2) 位置矢量： t = 0 时，

10、x = 0 y = 2 t = 2 时，x = 4 y = -2例1-1.已知质点运动方程求：(1) 质点轨迹。 (2) t = 0 及t = 2s 时，质点位置矢量。第28页第28页位置矢量大小：位置矢量方向：xPy42Q-2O第29页第29页1. 位移(displacement) 在t 时间内，位矢改变量称为位移。设质点作曲线运动，t 时刻位于A点，位矢t +t 时刻位于B点，位矢四、位移与路程zyxOBA即A到B有向线段。在直角坐标系中：kji第30页第30页zyxOBAkji方向: A B大小:位移(矢量)：质点在某段时间内，始、末位置变动总效果。注: 1) 位移是矢量，满足平行四边形

11、法则。 2) 位移与实际经过路径不同。 3) 矢量问题，标量处理。 三维分解 一维 “+”、“-”表示。 4) 位移含有相对性。特性：矢量性相对性第31页第31页矢量改变大小。szyxOBAO讨论?路程：质点通过实际路径长度，是标量，与运动轨迹相关。何时取等号？2. 路程(path) 质点实际行程长度(正标量)称为路程。矢量大小改变。？相等！位移：表示质点位置改变效果，是矢量，只与始末位置点相关。普通不相等！量变引起质变！第32页第32页平均速度：平均速度方向与t时间内位移方向一致。五、速度(speed)-描述质点运动快慢和方向。zyxOBA定义：单位时间内质点所发生位移。1. 平均速度(me

12、an speed)设质点：位移:单位：ms-1第33页第33页2. 瞬时速度(速度) 能精细地描述质点在某时刻运动情况。 速度方向为轨道上质点所在处切线方向。zyxOBAAB速度大小：第34页第34页3. 瞬时速率(速率)(velocity)在 t 时间内，质点所通过路程 s 对时间改变率。平均速率：瞬时速率：zyxOBAs普通情况：当t 0时:速度特性：矢量性、瞬时性、相对性速度与速率关系：速度是矢量，速率是标量。第35页第35页注意：瞬时速度与瞬时速率关系 当质点做曲线运动时, 质点在某一点速度方向就是沿该点曲线切线方向。当 时,第36页第36页t1时刻，质点速度为t2时刻，质点速度为t

13、时间内，速度增量为：平均加速度平均加速度方向与速度增量方向一致。xOzy六、加速度(acceleration)-描述质点速度改变单位：ms-21. 平均加速度(mean acceleration)第37页第37页当t 0时，平均加速度极限即为瞬时加速度。2. 瞬时加速度大小：方向：当 t 趋向零时，速度 增量 极限方向特性：矢量性、瞬时性、相对性第38页第38页思考:BCA加速度方向始终指向曲线轨道 侧？凹因此不相等！第39页第39页例1-2.已知一质点运动方程 求：(1) 质点速度和加速度。 (2) 找一个质点运动相应实例。解: (1) 斜抛运动(2)射程：射高:第40页第40页矢量标量描述

14、法：质点运动在X轴投影 矢量在某座标轴投影方向用投影值正、负号表示。注意(1) x 是位移，普通不是路程。 (2) 所求矢量还需把求得各个投影值进行合成。（标量）来描述办法。 将矢量向拟定若干座标轴投影，用投影值第41页第41页 运动方程是运动学问题关键 1. 已知运动方程，求质点任意时刻位置、速度以及加速度。 2. 已知运动质点速度函数(或加速度函数)以及初始条件求质点运动方程。七、运动学两类问题第42页第42页一维运动方程(a = 常数)速度与位移关系用变量转换法：tx第43页第43页例1-3. 已知质点运动方程为求：(1) 轨道方程； (2) t=2秒时质点位置、速度以及加速度； (3)

15、 什么时候位矢正好与速度矢量垂直？解：(1)(2)(SI)消去时间参数第44页第44页方向沿y轴负方向(3)两矢量垂直第45页第45页 例1-4.设某一质点以初速度 作直线运动，其加速度为 。问：质点在停止前运动路程有多长？解：两边积分：第46页第46页解法二:本题实质上是求速度与位移关系，用变量转换法试试。是不是很以便！第47页第47页 例1-5. 路灯距地面高度为h，身高为l人以速度v0在路上匀速行走。求：(1)人影头部移动速度。(2) 影子长度增长速率。 解：(1)两边求导：hlxOx1x2(2)令影长为第48页第48页本节要求： 1、掌握各运动学基本物理量定义。 2、纯熟掌握第一类运动

16、学问题求解。 3、理解第二类运动学问题求解。 4、熟悉和掌握运动量矢量表示和运算。 5、知道 (矢量之差大小) 普通不等于 (矢量大小之差) 。第49页第49页结束返回作业1-3, 1-4, 1-7. 第50页第50页自然坐标系：把坐标建立在运动轨迹上坐标系统。(natural coordinate system) 在质点运动轨迹上，任取一点O作为坐标原点。从原点O到轨迹曲线上任意一点P弧长定义为P点坐标s。切向坐标轴沿质点迈进方向切向为正，单位矢量为法向坐标轴沿轨迹法向凹侧为正，单位矢量为要求：1. 自然坐标中位置、路程和速度。质点运动方程为s=s(t)，位移为s。在质点上作互相垂直两个坐标

17、轴其方向分别取切线和法线两正交方向八、自然坐标系中速度和加速度sOPQs第51页第51页位置：运动质点坐标表示质点位置。路程：自然坐标之差。速度：速率：自然坐标中速度沿切线方向，无法向分量。sOPQs第52页第52页2. 自然坐标中法向加速度和切向加速度设：某一质点作普通曲线运动t 时刻位于P1点，速度为通过t时间位于P2点,速度为s速度增量：平均加速度：瞬时加速度：第53页第53页切向加速度反应速度大小改变,其方向沿轨道切线方向法向加速度反应速度方向改变,其方向沿法向,指向曲率中心切向加速度:法向加速度：(1) a = 0 匀速运动; a 0 变速运动。(2) an = 0 直线运动; an

18、 0 曲线运动大小：方向：第54页第54页例：抛体运动运动方程速度方程加速度方程yu0 xuxuyO动画模拟抛体运动 第55页第55页练习: 一物体做抛体运动, 已知v0 , ,讨论。第56页第56页 圆周运动(circle motion)是普通曲线运动一个特例，曲率半径恒为R。普通圆周运动：匀速圆周运动： 3. 圆周运动角量描述R思考：“匀速圆周运动”是恒定速度吗？第57页第57页线量(linear measures):自然坐标系下基本参量以运动曲线为基准。角量(angular measures):极坐标系下以旋转角度为基准基本参量。九、圆周运动角量描述 2. 角位移(angular dis

19、placement)逆时针转向为正，顺时针转向为负。OP (t+t)P(t)xR1. 角位置(angular position)单位：反常要求：逆时针为正第58页第58页3. 角速度(angular speed)平均角速度:角速度:角速度矢量: 方向按右手螺旋要求OR旋转方向P大小:方向: 右手螺旋法则角速度与线速度关系：第59页第59页4. 角加速度(angular acceleration)平均角加速度:角加速度:5. 角量与线量关系OP (t+t)P(t)xR第60页第60页6. 角量表示匀变速圆周运动基本公式OP (t+t)P(t)xR第61页第61页解: (1) 例1-6. 某发动机

20、工作时，主轴边沿一点作圆周运动方程为(1) t = 2s时，该点角速度和角加速度为多大？(2) 若主轴直径D = 40 cm，求t = 1s时该点速度和 加速度。第62页第62页(2) 由角量和线量关系，得边沿一点速度、 切向加速度和法向加速度。第63页第63页作业1-13, 1-14第64页第64页A 坐标系S固定于地面坐标系S固定于行车，随车一起运动。 绝对运动(utterly motion)：物体相对于静止参考系(S系)运动, 位移为 相对运动(relatively motion)：物体相对于本身参考系(S系)运动, 位移为 牵连运动(embroil motion)：运动参考系S相对静止参考系S运动, 位移为SxyyxS1-3 相对运动第65页第65页绝对速度牵连速度相对速度绝对运动相对运动牵连运动ASxyyxS伽利略速度变换第66页第66页a0电梯以加速度a0相对于地向上运动物体A、B相对于地加速度物体A、B以加速度a 相对于电梯运动BAaa第67页第67页注意：1. 暗含