物理学的研究对象和研究方法

一、物理学的研究对象和研究方法１．物理学的研究对象物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科是自然科学的基础研究的对象十分广泛宇观宏观微观空间尺度(相差1045－1046)1026m(约150亿光年)(宇宙)－10－20m(夸克)时间尺度(相差1045)1018s150亿年(宇宙年龄)-10-27s(硬射线周期)速率范围0(静止)

-3x108m/s(光速)绪论物理学的分支及近年来发展的总趋势物理学经典物理现代物理力学热学电磁学光学相对论量子论非线性时间t关键概念的发展力学电磁学热学相对论量子论1600170018001900物理学近年来的发展：*粒子物理高能加速器产生新粒子，已发现300种。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。*天体物理运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球进行观测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。应用经典、量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。**太阳中微子短缺问题

**引力波存在的问题**物体的速度能否超过光速的问题

*

生物物理有机体遗传程序的研究**有机体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计物理、X射线、电子能谱和核磁共振技术等）。**非平衡热力学及统计物理物理学发展的总趋向：*学科之间的大综合。*相互渗透结合成边缘学科。生物物理、生物化学、物理化学、量子化学量子电子学、量子统计力学、固体量子论。二十世纪物理学中两个重要的概念：场和对称性从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出光电效应康普顿效应。黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难”。原子的稳定性和大小。提出命题修改理论推测答案理论预言实验检验应用演绎法－推理演算归纳法－假设模型定性和半定量直觉想象力洞察力２.物理学的研究方法二、物理学与科学技术

物理学为其他学科创立技术和原理重大新技术领域的创立总是经历长期的物理酝酿

如微电子技术的发展物理学满足人类所深刻认识到的最根本的程度上了解自然界的需要(美国物理学评

述委员会)卢瑟福a

粒子散射实验(1909)－核能利用(40年代以后)爱因斯坦受激辐射理论(1917)

－第一台激光器(1960)

(物理)

(技术)信息技术发生和发展的硬件部分－以物理学成果为基础

(技术)

(物理)量子力学费米狄拉克统计固体能带理论(20年代)(物理)－－晶体管诞生(1947)集成电路(1962)大规模集成电路(70年代后期)(技术)－－微结构物理(物理)三、物理学与高素质人才提高科学素质和能力以适应高新技术市场经济的发展、职业的变化现代工业技术工程师类型工程科学家型革新发明家型现场工程专家型管理规划专家型要求良好的科学素质!物理学的思想和观点

如建理想化模型从物理本质上提出和研究本专业问题创新能力在工程技术中引入物理学的新成果物理素质的表现

重视提高科学素质深厚的科学素养是发明创造的基础四、大学物理与中学物理的区别教学内容中学物理－－研究特殊性问题大学物理－－研究一般性问题数学工具中学物理－－以初等数学和几何学为工具大学物理－－以高等数学为工具学习方式中学物理－－讲授内容和知识的消化全部在课内进行大学物理－－课上以讲授知识为主，课下自已消化理解。所以，大学课堂，教学内容多，进行速度快， 作业数量少而精。物理学原理及生物应用生物流体力学基础振动和波动气体动理论热力学基础电场及其生物效应磁场及生物磁现象电磁场及其与生物体的相互作用泼动光学波粒二向性原子的量子理论质点力学中的基本概念和基本定律液体的表面张力

伯努力方程及应用粘滞流体的流动生物流体力学基础流体静力学流体的流动

§1.1质点力学中的基本概念和基本定律质点：具有一定质量没有大小或形状的理想物体。一、质点运动的描述(1)理想模型(为了简化问题)(2)条件

研究的问题中大小和形状不起显著作用小----质点?大----不是质点?地球R--106m

日地距离1011m研究地球公转——是质点研究地球自转——不是质点

可以作为质点处理的物体的条件：大小和形状对运动没有影响或影响可以忽略。研究地球公转地球上各点的公转速度相差很小，忽略地球自身尺寸的影响，作为质点处理。质点研究地球自转地球上各点的速度相差很大，因此，地球自身的大小和形状不能忽略，这时不能作质点处理。运动的相对性参考系位置矢量(位矢）·xzyz(t)y(t)x(t)r(t)P(t)0注意:位矢的相对性同一参考系,坐标原点不同,位矢也不同1、位置矢量位移坐标系P点位置:P点的位置可用直角坐标（x,y,z)来确定。也可用极坐标`球坐标等从O指向P方向：大小:(运动方程）

位移---描述质点位置变动的大小和方向的物理量r(t+Δt)r(t)Δrxyz

0ΔS

P1·

P2（位矢增量）(位移矢量)t时间内的位移大小:P1P2间的直线距离方向:由P1

P2

路程曲线长----内质点在轨道上经过的路径长度(1)平均速度(2)瞬时速度r(t+Δt)r(t)Δrxyz

0ΔS

P1·

P2·2速度---描写质点位置变动快慢和方向物理量大小：方向：的方向大小（速率）：方向：的极限方向即沿P1点的切线并指向前进方向单位：米/秒（m/s）

用直角坐标表示速度:xzyjkiprv速度的大小表示为(3)速率描写沿轨道运动的快慢瞬时速率:是路程对时间求导,表示该时刻速度的大小平均速率:注意:1.？？Δvv

(t)v

(t+Δt)xr(t+Δt)r(t)yz

P2

P1

0v

(t)v

(t+Δt)··3.加速度----描述质点运动速度变化快慢和方向的物理量(1)速度增量注意的方向(2)平均加速度大小方向的方向xr(t+Δt)r(t)yz

P2

P1

0v

(t)v

(t+Δt)··(3)瞬时加速度令t0方向是否一致？加速度等于速度对时间的一阶导数等于位矢对时间的二阶导数其方向是时的极限方向,指向曲线凹的一边.

用直角坐标表示加速度:的极限方向,方向:大小:指向轨迹曲线凹的一面单位:m/s2(SI制)角量：角位置：

角位移：角速度：

角加速度：S，

对应线量：S＝RvθRx0ΔSθΔ4.圆周运动的描述

R*曲线运动RR为瞬时曲率半径直线运动匀速率圆周运动改变速度大小改变速度方向切向加速度法向加速度质点作匀变速曲线运动时，其角量的变化规律与匀变速直线运动中线量的规律相似，表示如下：角量的单位为rad,rad/s,rad/s2。例1.1半径r=0.2m的飞轮，绕o轴转动。M点的运动方程，求M点1秒末的速度和加速度。vRx0M例1.2质点沿x轴作匀变速直线运动，加速度为a，t=0时坐标为,速度为，求运动方程及速度voxv由速度的定义例1.3已知:质点的运动方程(SI)求:(1)质点在第二秒末(2)质点作什么运动。（3）第二秒内位移及平均速度（4）第一秒内位移及第一秒内路程解:（1）瞬时速率：加速度：(2)令匀减速t=0.5sXxt=0st=0.5s匀加速（3）（4）xt=0.5sXt=1s5.5m5mt=0.5s5m5.5mt=0s2、冲量、动量定理时间的积累效果动量的变化冲量二、动量守恒定理元冲量1、动量质点动量定理质点系注意：1、矢量关系2、分量形式3、对应一个过程的始末状态动量是状态量，而冲量与过程有关4、系统的总动量的改变只与外力的冲量有关，与内力无关。可选择适当系统简化问题微分式积分式t1t2FI0Ft平均冲力例1.4篮球m=1kg，相对以v=6m/s,=60o撞在篮板上，撞后=60o。设碰撞时间t=0.01s求：篮板受到的平均作用力。解：球受力XYv1v2=600N=0篮板受平均作用力1.合外力为零，或外力与内力相比小很多；如碰撞问题、爆炸问题等2.合外力沿某一方向为零；3.只适用于惯性系；4.比牛顿定律更普遍的最基本的定律。注意：3、质点系动量守恒定律1、质点的角动量矢量m方向大小r(方向用右手螺旋法确定)O1.垂直于构成的平面。2.必须指明对那一固定点.注意：单位：J•s(kg•m2/s)平面圆周运动对圆心直线运动三、角动量守恒定律voa2、力矩(方向用右手螺旋法规定)矢量方向大小1.垂直于构成的平面。2.必须指明对那一固定点.单位：N·m3.3、角动量定理角动量守恒定律0角动量定理1.必须对同一点注意：2.—合外力矩3.惯性系成立角动量守恒定律rv1例1.5已知光滑的桌面上质量m的球以v1的速度作半径为r1的匀速圆周运动，问：当穿过小孔的绳子将桌面上的绳子拉成

r2

时v2=？解：力通过转轴力矩为0角动量守恒角动量守恒定律注意内力矩不改变质点系的总角动量，但可以改变各质点的角动量。2.必须对同一点。3.但不一定为零但可以为零1.功(1)恒力的功定义：矢量式作用在沿直线运动质点上的恒力F，在力作用点位移上作的功，等于力和位移的标积。单位：J焦耳abS四、机械能守恒定律ab0</2

dA>0/2<

dA<0功是标量，但有正负之分若=常矢量，物体作直线运动abS(2)变力的功例1.6质点在力F的作用下沿坐标轴ox运动，F=6x,试求质点从

到处的过程中，力F作的功。解：F在位移元dx上的元功在全路程上的功为所有单位均取国际单位制注意：1.Ek为状态量2.功是动能增量的量度3.在惯性系成立2.动能动能定理质点系的动能定理内力虽然成对出现，但相互作用的两质点位移并不相同，所以A内0合外力对质点所做的功=质点动能的增量动能:质点的动能定理动能定理的应用应用动能定理解题时步骤如下：（1）确定研究对象。（2）分析研究对象受力情况及各力的做功情况。（3）明确过程的初状态和末状态及两状态的动能（4）列方程。（5）解方程，求出结果。作功与路径无关，只与始末位置有关3.势能机械能守恒A（B）保守力沿任意闭合路径所做的功为零。

重力、弹性力、万有引力.静电力保守力场:m1m2保守力引入势能系统受力外力内力保守内力非保守内力A外+A非保内+A保内=Ek-EPA外+A非保内=Ek+EP=（Ek+EP）机械能功能原理当A外+A非保内=0Ek+EP=常量机械能守恒定律条件1-2流体静力学一、静止流体内的压强1.静止流体内一点的压强应力：压强：静止流体内部应力的大小流体静压力垂直器壁静止流体内一点的压强等于该点任意假想面元上正压力大小与面元面积之比当面元面积趣于零时的极限。单位：SI“帕”“Pa”2.静止流体内压强分布(1)等高的地方压强ABPAPBBCPBPC静止流体中所有等高的地方压强相都等(2)高度相差h的两点间压强差为相等二、帕斯卡原理1.原理的表速及推证A点：B点:对活塞加力f:A点：B点:A点、B点都增加流体各处和器壁上的压强都增加了作用在密闭容器中流体上的压强等值地传到流体各处和器壁上-------帕斯卡原理2.夜压机p三、阿基米得原理1.原理的表述及推证物体在流体中所受的浮力等于该物体排开同体积流体的重量。面元ds受力铅直方向分力即浮力ds2.原理应用举例比重计1-3液体的表面性质一、液体的表面现象由液体与其它物质存在接触界面而产生的有关现象二、表面张力及表面张力系数1.表面张力:两种不相容液体或液体与气体分界面上存在的应力2.表面张力系数标志着通过单位长度分界线两边液面之间的相互作用力W外力作功表面张力系数的意义表面能增量三、球形液滴内外的压强差半球的平衡条件液体内外压强差（附加压强）凹形液面凸形液面四、毛细现象一.润湿与不润湿现象接触角：接触液处面与固体表面切线之间的夹角与固体、液体的性质有关取固体表面的切线指向液体的内部液体润湿固体液体不润湿固体完全润湿完全不润湿2.毛细现象毛细管:管径很细的管子毛细现象:液体在毛细管中上升(或下降)高度3.气体栓塞现象当液体在毛细管中流动时，如果管中出现了气泡，液体的流动就要受到阻碍，气泡产生多了，就能堵住毛细管，使液体不能流动，这种现象称为气体栓塞现象1-4流体的流动一、理想流体的概念完全不可压缩的无粘滞性流体称为理想流体二、定常流动、流线和流管1.定常流动流速场稳定流动2.流线和流管AB三、连续性方程如果流体不可压缩常量质量流量连续性方程在物理实质上它体现了流体在流动中质量守恒伯努利方程是流体动力学的基本定律，它说明了理想流体在管道中作稳定流动时，流体中某点的压强p、流速v和高度h三个量之间的关系为式中是流体的密度，g是重力加速度。试用功能原理导出伯努利方程。我们研究管道中一段流体的运动。设在某一时刻，这段流体在a1a2位置，经过极短时间t后，这段流体达到b1b2位置v1v2p2S2p2S2h1h2a1b1a2b21-5伯努力方程及应用一、方程的推导现在计算在流动过程中，外力对这段流体所作的功。假设流体没有粘性，管壁对它没有摩擦力，那么，管壁对这段流体的作用力垂直于它的流动方向，因而不作功。所以流动过程中，除了重力之外，只有在它前后的流体对它作功。在它后面的流体推它前进，这个作用力作正功；在它前面的流体阻碍它前进，这个作用力作负功。因为时间t极短，所以a1b1和a2b2是两段极短的位移，在每段极短的位移中，压强p、截面积S和流速v都可看作不变。设p1、S1、v1和p2、S2、v2分别是a1b1与a2b2处流体的压强、截面积和流速，则后面流体的作用力是p1S1，位移是v1t，所作的正功是p1S1v1t

，而前面流体作用力作的负功是-p2S2v2

t，由此，外力的总功是其次，计算这段流体在流动中能量的变化对于稳定流动来说，在b1a2间的流体的动能和势能是不改变的。由此，就能量的变化来说，可以看成是原先在a1b1处的流体，在时间t内移到了a2b2处，由此而引起的能量增量是因为流体被认为不可压缩。所以a1b1