第一章物理学导论

1、本课程学习说明：,1、不无故缺勤，不迟到，不早退。有事请假，假条须经辅导员或班主任签字同意。2、保持良好的课堂纪律和课堂秩序，注意关闭手机。3、认真按时完成课后作业（与平时表现合计占本门课程总成绩的20%），不抄袭。作业本每人两个(不许使用单页纸），每周交一次作业。4、半期测试占20%。5、期末考试占60%。6、课堂答问作为奖励得分记入总成绩。,参考书目,1、大学物理学张三慧清华大学出版社2、普通物理学教程力学漆安慎杜婵娟高教出版社3、力学基础学习指导漆安慎杜婵娟高教出版社4、普通物理学（第五版）第一册程守洙高教出版社,第一章物理学导轮,Mechanics,没有今日的基础科学,就没有明日的科技

2、应用,可以想象,我们现在的基础科学将怎样地影响21世纪的科技文明.,李政道,物理学属于基础科学范畴,是一门素质课,物理思想和物理方法是一个科学工作者灵感之所在,基础之所在.,力学学习物理学的开始.,在科学中物理学是最基本的和无所不包的，并对全部科学发展产生深刻的影响。Feynman,力学是物理学的有机组成部分。物理是百花园，力学是其中一丛花。,一、物理学概述,1、物理学的研究对象：物理学是研究物质的结构和相互作用以及它们的运动规律的科学。,（1）物质的两种形态：实物和场,（2）什么是物质,（3）物质的运动形式：机械运动、分子运动、电磁运动、原子和原子核内部的运动,（4）相互作用：引力相互作用、

3、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。,2、物理学分类：大体上可归纳为下面几种,（）按物质的运动形式分：有两类不同的划分按机械运动、热运动、电磁运动、光运动、原子和核运动等分类：力学研究机械运动，热学、电磁学、光学、原子物理、核物理。按规则、随机、混沌运动分类：确定论物理研究规则运动，随机论物理研究随机运动，混沌论物理研究混沌运动。,（）、按物质的组成及相互作用分类：可分为粒子、场粒子与场的相互作用。,（）、按物质存在的形态大小分：基本粒子物理、核物理、原子物理、分子物理、原子团簇物理、凝聚态物理、天体物理、宇宙学物理等。,（）、按物理常数，分类：,经典论,量子论,相对论,相对论性量子论,（）

4、、按理论建立的方式分类：分为普通物理学和理论物理。,二、物理学的研究内容、特点和发展,特点：以实验为基础的科学-实验科学,内容：物质存在的基本形式、性质、运动规律、相互作用及相互转化、各种物质形态内部结构等基本规律。,17世纪：机械运动规律-经典力学.,19世纪末:力、热、电和光等完整的基本理论体系-经典物理学,20世纪初:相继建立相对论和量子力学-近代物理学,20世纪后：物质微观结构和物质运动；物质大范围结构及运动；宏观物质结构复杂系统运动等的基本规律-近代物理学的发展,本科范围内所涉及的物理知识领域与相关课程分类,1.机械运动现象与规律：力学，理论力学,2.热运动现象与规律：热学，热力学统

5、计物理,3.电磁和光现象与规律：电磁学，电动力学，光学,4.物质微观结构和量子现象与规律：原子物理，量子力学,5.凝聚态物质结构及性质：固体物理,6.时空结构：狭义相对论，广义相对论，宇宙学,研究对象层次上分类提法：天体物理、凝聚态物理、原子分子物理、高能物理等,经典物理学与现代物理学,经典物理学,经典力学,经典热力学,经典统计物理学,经典电磁学,现代物理学基础,狭义相对论,量子力学,广义相对论,他们为经典电磁理论的建立做出贡献,X射线、电子、放射性的发现，物理学的研究由宏观转向微观.,伦琴发现X射线,J.J.Thomson发现电子,爱因斯坦,他们奠定了现代物理学基础,微观世界,1914年卢瑟

6、福发现射线,射线,建立了原子有核模型.,电子的发现，确认了原子是可分的，为探索原子结构以及为探索更深层次的结构开辟了道路.,物质是由轻子和夸克组成.,轻子有电子、子、子、电子中微子、子中微子和子中微子，每一种均有反粒子，共有12种.,夸克有6种味，即上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克.每味又分红、蓝和绿3种色.,粒子之间有四种基本相互作用：引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用.粒子之间的基本相互作用是通过交换某种粒子来传递的，即基本相互作用都是由媒介粒子传递的，这类媒介粒子统称为规范玻色子.,电磁力以光子为媒介，弱力的媒介为Z0和W粒子，强子的媒介有8种颜色的胶子.

7、,发展着的物理学,物理（physics）源于希腊文自然称为自然哲学。公元前420年：德莫克利特(Democritus)提出原子论，一切物质均由无限多个不可分割、看不见的原子所组成(只分水、火、土、气四种)。公元前300年：杠杆、轮轴、天文学。（代表人物：阿基米得）罗马灭亡后：人类在物理学，乃至整个科学进入一个停滞期，基督教的神学主宰一切，科学黑暗期。,文艺复兴时：科学才从神学禁锢中解放出来。1543年：哥白尼（波兰人，1473年1543年）对神学提出质疑，发表天体运行，说明天体运行是以太阳为中心。1609年1618年：开普勒归纳出行星运动三定律。1632年：伽利略发表两学派的对话，推翻地球中心

8、说。十九世纪：古典物理学发展已很完整。,古典物理学,力学：1687年牛顿集力学理论之大成。热学：早期：钻木取火。秦李冰父子利用岩石加热再骤冷会裂开的技术开凿都江堰。十七世纪：伽利略制造气体温度计。1662年：玻意耳发现定温时，定量气体的压力与体积成反比。,光学：公元前约一世纪光反射。17世纪光折射。1611年开普勒发现全反射。1615年斯奈尔（荷兰人）发现折射定律。1675年牛顿做光的色散实验。1678年惠更斯（荷兰人）首创波动学说。1801年杨格（英国人）发现光的干涉。1889年赫兹（德国人）发射电磁波。,电源自希腊文琥珀（elektron）。17世纪：吉尔伯特（英国人）发现地磁。18世纪：

9、静电、静磁、库仑定律。1800年：伏打电池。1820年：奥斯特发现电流产生磁。安培发现电流和磁场关系。1826年：欧姆发现欧姆定律。1830年：亨利(美国人)发现变动的电流和感应电压之关系。1831年：法拉第(英国人)发现电磁感应定律。1864年：麦克斯韦提出麦克斯韦方程式(Maxwellquation)。,电磁学：,近代物理学(两大基石:量子力学及相对论),二十世纪以后发展的物理称为近代物理。1900年普朗克(德国人)提出量子论，经20多年发展成量子力学。1905年爱因斯坦提出狭义相对论。近代物理以研究对象作为分类依据基本粒子物理(elementaryparticlephysics)原子核物

10、理(nuclearphysics)原子分子物理(atomicandmolecularphysics)凝态物理(condensedmatterphysics)表面物理(surfacephysics)等离子体物理(plasmaphysics),二十世纪以后-近代物理学的发展时期,二十世纪以来，近代物理学研究的三个重要方向：,物质微观结构和物质运动的基本规律；物质大范围结构及运动的基本规律；宏观物质结构复杂系统运动的基本规律。,需要待解决的重要基本问题：,四个基本相互作用力的统一、微观与宇观的统一、宇宙大爆炸以及暗物质和暗能量的起源等多种有可能对物理学产生革命性影响的问题；复杂体系和极端条件下物质新

11、的效应及规律的物理问题。,总之，人类的可持续发展需要物理学，力学是物理学的基础。,物理学是一门以实验为基础的科学物理学是一门逻辑严密的理论科学物理学是一门精密的定量科学物理学是一门应用广泛的基础科学物理学是一门带有方法论性质的科学,物理学的特点,物理学特点：普遍性、基本性、相关性。,观察:,实验:,假设:,理论:,在有充分实验事实的基础上归纳出来的原理、定律、规律等.,基本方法,抽象:,应用:,对现象的考察和研究.,在人工控制下，使现象重演.,抓住本质，建立物理模型.如质点、刚体.,对于现象的本质所提出的一些说明方案或基本论点等.,将物理学理论用于实际.,物理学的研究方法,观察实验假设理论,物

12、理定律：一般是指实验定律，是实验事实的总结，说明某些现象间的相互联系，或说明某些物理量之间的关系，常用文字或数学公式的形式来表述。物理学理论：是通过许多不同的而相互有关的现象的研究，从已建立起的定律中，经过更深的概括而得到的系统化的知识。假说：是在一定的观察、实验的基础上提出来，用来说明现象本质的一些基本点或未成熟的方案。,二、力学学习物理学的开始,力学是物理学的有机组成部分.力学在物理学的发展乃至整个人类认识发展中具有重要的地位.它也是高新技术发展的源泉和先导.,质点组动量定理（守恒）,质点组机械能定理（守恒）,质点组角动量定理（守恒）,特殊质点组：刚体、流体,特殊运动形式：振动、波动,基本

13、规律,质点运动学,惯性系下质点动力学,非惯性系下质点动力学,质点动力学,导出规律,解决问题,力学知识体系,力学简单介绍研究对象：物体位置变动规律性,根据问题的性质可将力学分为运动学和动力学,运动学：只研究物体运动的几何特性，不考虑物体本身固有属性（如质量）和外来影响（如作用力），将物体的运动用数学语言来描述。,动力学：研究物体作机械运动的内在因素（如质量）和外来影响（如作用力）之间的关系。,从运动形式上分，运动又可分为：,平动、转动、振动、波动,基本内容：质点和质点组力学刚体力学振动和波动弹性力学、流体力学,4.数学工具微积分知识和矢量知识5.力学在物理学中地位力学是最早发展起来的学科经典力学

14、是整个物理学大厦的基石,3.使用范围：宏观低速,学习力学的方法及要求,必须改变中学形成的完全依赖教师的学习方式教师课堂上讲授的基本概念、基本规律、基本方法，必须理解准确，掌握牢固，运用灵活。认识和运用牛顿力学的关键参照系的选择、物体与研究对象的确认和外界作用的正确理解充分正确地利用学习指导书,三、单位制和量纲,物理学中,物理公式总是和一定的“单位制”相联系,“单位制”就是各物理量间相互配套的一组单位.,1、基本单位和导出单位,基本单位：选定几个物理量作为基本量,人为地规定其单位，称为基本单位制.,导出单位：从基本量导出的量称为导出量，其单位是基本单位的组合，称为导出单位.,根据同一规律写出的公

15、式，采用的单位不同，公式中出现的因子不同。如s=kvt.,2、国际单位制(SI),基本量:长度质量时间电流温度物质的量光强度,单位:mkgsAKmolcd,导出量:速度加速度力动量,单位:m/sm/s2Nkgm/s,辅助单位:平面角立体角,单位：radsr（球面度）,辅助单位可以参与导出单位，如角速率rad/s,3、量纲式,量纲：表示一个物理量由基本量的幂次组合的式子.,基本量选定后,导出量的量纲可由基本量的量纲的组合而得.,在国际单位制中,表示力学量A的量纲式为,如：,L为长度的量纲，,M为质量的量纲，,T为时间的量纲.,p、q、r为量纲指数,（1）.量纲,速度的量纲,加速度的量纲,力的量纲

16、,(c)为推导某些复杂公式提供线索.,(a)用量纲检查等式的正误.因为只有量纲相同的量才能彼此相等，所以等式两边的量的量纲必须相同.,(b)用量纲分析方程中比例系数的单位.,（2）.应用,四、数量级估计,1、有效数字,1.520有四位有效数字567.23有五位有效数字,1.35cm有三位有效数字0.0135m有三位有效数字1.0035有五位有效数字1.000cm有四位有效数字,注意：有效数字的位数与十进制单位的变换无关,即与小数点的位置无关.用以表示小数点位置的“0”不是有效数字,当“0”不表示为小数点位置时是有效数字.数据最后的“0”不能随便加上,也不能随便去掉.,某一数中可靠数字称作有效数

17、字，它的个数称作有效数字的位数.例如：,2、数量级估计,在对未知现象的探索中，数量级估计常常是很有意义的。例如，研究对象的空间尺度若属于不同的数量级，便可能属于不同的研究领域1026m宇宙学领域，10-1110-15粒子物理领域如何做数量级估计？这需要对有关事实和规律有很好的了解，并在此基础上提出一些假设。,用10的若干次方表示的数，常称为数量级估计某数的数量级时,常取整为一位有效数字乘以10的若干幂次.例如：88920取9104称“数量级估计”,数量级估计举例,试估算地球周围大气的质量（地球半径R=6.4106m）p=Mg/4R2，p取标准大气压105帕，g取10m/s2，地球周围大气质量：

18、M=4R2p/g=43(6106)2105/104.321018kg1018kg,旧金山需要多少调音师？,估算旧金山共有多少台，每年有多少台需要调试：70万居民，4口人1家，3家1台，则12人1台，取10人1台，旧金山约有7万台。取1年调1次，7万台每年都需调1次。一个调音师一年能调多少台调好1台需12小时（取2），1天可调45台（取4）调音师一年工作365/750周，每周工作5天，1个调音师一年可调4550=1000台。旧金山需调音师：7104/103=70102这个估计虽不精确，但表明所需调音师远多于10个，又远小于1000个。,请大家估算:毛发生长速率是每小时多少厘米？,有使用剃须刀经验

19、的人：0.1cm/24h10-3cm/h有理发经验的人：2cm/(3024h)10-3cm/h,数学知识,1函数、导数与微分变量、常量和函数定义基本初等函数幂函数y=xn(n为任意实数)三角函数y=sinx,cosx,tgx,ctgx等指数函数y=ex,ax对数函数y=logax,lnx反三角函数y=arcsinx,arccosx等,复合函数,复合函数就是用基本初等函数复合而成的函数设y=f(u),u=(x),则y就是x的复合函数，记作：y=f(x),u是中间变量中间变量可以有若干，如x=cos2t,x是t的复合函数，有两个中间变量：x=u2，u=cos，=t,初等函数,能用一个解析式子表示，

20、且这一解析式子是由常数和基本初等函数经过有限次四则运算和复合而成的函数例如：,导数与微分,极限对y=f(x)，若x无限趋近某一数值x0，f(x)则无限趋近某一确定数值a，则a就是函数f(x)在x趋近x0时的极限，记作：,在有函数值的情况下,极限就是函数值;在无函数值的情况下,极限就显得格外重要了，例如：,导数,若函数y=f(x)在某一区间内各点均可导，则其导数f(x)也是自变量x的函数，称为导函数。导函数f(x)对x的导数叫做y对x的二阶导数，记作,函数y=f(x)对自变量x的导数，就是y对x的变化率，定义为：,微分,若函数y=f(x)在点x处可导,则导数f(x)与自变量增量x的乘积，就叫做函

21、数y=f(x)在点x处的微分，记作：dy=f(x)x=f(x)dx,ydy,当dx很小时，dy是y的线性主要部分,y=dy+高阶无穷小dy,极值点的充要条件是在该点的一阶导数为零，因此，令f(x)=0即可求出极值点x0若f(x0)0，则为极大值点若f(x0)0，则为极小值点若f(x0)=0，则为拐点,函数的极值点和极值,导数的运算,导数定义给出了求导方法例如，求y=x2的导数：,基本函数的求导公式,导数的基本运算法则,(uv)=uv(uv)=uv+vu(u/v)=(uv-vu)/v2设y=f(x)的反函数为x=(y)则(y)=1/f(x)复合函数的导数设y=f(u),u=(x)，则,一定要把这

22、些公式、法则牢牢记住，拜托了！,例题,2不定积分与定积分,不定积分的概念定义若F(x)=f(x),则F(x)+c=f(x),F(x)+c就叫做f(x)的原函数,有无穷多个；函数f(x)的所有原函数，就叫f(x)的不定积分，记为：f(x)dx=F(x)+c,性质(f(x)dx)=f(x)(先积后导等于自身)f(x)dx=f(x)+c(先导后积等于自身加上任意常数),基本积分公式,adx=ax+caf(x)dx=af(x)dx(uv)dx=udxvdxxndx=xn+1/(n+1)+c(n-1)x-1dx=lnx+caxdx=ax/lna+cexdx=ex+csinxdx=-cosx+ccosxdx=sinx+csec2xdx=tgx+ccsc2xdx=-ctgx+c,换元积分法与分部积分法,换元积分法适当变换积分变量，把被积表达式化成基本积分公式中的形式（又称凑积分）,分部积分法,分部积分公式d(uv)=(uv)dx=uvdx+vudx=vdu+udv两边同时积分，得uv=vdu+udv