理学类大学物理学.ppt

1、1,大学物理学,讲课教师：艾保全,Email: ,Homepage: http:/www.geocities.jp/aibq1976/,2,绪 论 ( Introduction ),物理学研究的物质包括一切实物物质和一切场物质。,绪 论 - 1,一、物理学的研究对象和内容:, 物理学：研究物质的最基本、最普遍的运动形式以及物质 的基本结构的科学。,时间尺度：从宇宙的诞生到无尽的未来。,空间尺寸：从亚核粒子到浩瀚的宇宙（微观、宏观、宇观）,3,物理学研究的物质无处不在，无时不有。从物理学研究的物质运动形式，包括机械运动，热运动，电磁运动；同时又分为宏观粒子运动和微观运动，低速运动和高速运动；由此

2、可将物理学分为多个分支。 （李政道：从深层次上看，物理学是相通的）,4, 物理学的分支：,绪 论 - 3,5, 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、化学物理、海洋物理、天体物理、地球物理、量子电子学、量子统计力学、固体量子论等。,二. 物理学的地位与作用：, 大学物理是高等学校的一门重要的必修基础课，这门课的开设，对学生打好必要的物理基础，学习科学的思想方法和研究问题的方法，提高科学文化素质起着十分重要的作用。, 物理学不仅是自然科学得以发展的基础，而且是高新 技术发展的主要源泉；它能推动人类社会的进步，与 人类的生产活动和日常生活密不可分。激

3、光与半导体,绪 论 - 4,6,物理学的发展经历了三次大的突破，导致了三次工业革命。,1)17、18世纪 牛顿力学、热力学,2)19世纪70年代 法拉第 麦克斯韦的电磁理论,第二次工业革命（电气化）,3)20世纪以来 相对论、量子力学,促进了原子能、计算机、激光、半导体等的广泛应用 玻色-爱因斯坦凝聚（BEC)：量子信息、量子计算机，原子激光,20世纪80年代以来，以高技术为核心的科技革命,六个高技术群：能源、材料、信息、生物、空间、海洋,物理学的研究成果源源不断地在高技术发展中得到应用，而高技术的发展又对物理学提出层出不穷的研究课题。,绪 论 - 5,第一次工业革命（蒸汽机）,7,三、如何学

4、好大学物理？,1、大学物理的特点:,内容：中学介绍特殊规律； 大学介绍普遍规律。,作业：中学作业量大；大学强调能力培养，作业量小。,预习：课前简单浏览教材，明确教学主要内容及难点。 上课：注意听讲，注重教师讲课的思路和基本概念、基本 原理、基本方法的理解。适当记笔记 复习：做作业前，认真阅读教材，并结合课堂教学的内容 进行复习。要自觉地看书（包括参考书）。 作业：认真独立完成全部作业，及时上交作业。 答疑：有问题及时答疑。,数学工具：中学应用初等数学； 大学应用高等数学。,进度：中学讲解细致、进度慢；大学强调自学、进度快。,2、学习方法与要求：,绪 论 - 7,8,四、成绩考核与作业要求：,1

5、、成绩考核:,期中考试 ： 20%,作 业： 10%,期 末考试： 70%,1）独立完成全部作业，及时交作业。全学期作业次数不满 三分之二者，不准参加期末考试。 作业纸上写上班级、姓名 及学号。 2）作业要整洁条理，不准抄袭作业。,2、作业要求：,总成绩：满分100分,绪 论 - 8,3、考勤要求： 三次点名不到，不准参加期末考试,9,力 学,10,力学(Mechanics),第一章 质点运动学,1.1 质点的运动函数,1.2 位移和速度,1.3 加速度,1.4 匀加速运动,1.5 匀加速直线运动,1.6 抛体运动,1.8 相对运动,1.7 圆周运动,11,1 质点 刚体 一、实际研究对象的简

6、化 理想模型 二、质点 刚体,12,一、实际研究对象的简化 理想模型 主要 次要因素,如研究对象是地球 A.公转,主要因素：太阳的引力而其他天体的作用力和形状均可忽略,B.自转 形状不可忽略这两种情况应作不同的简化,13,二、质点 刚体 1.质点 物体的形状可忽略，物体可看作有质量的点。 2.刚体 物体的形变可忽略， 即，在运动过程中，刚体上任两点间距离不变。 刚体由质点组成。,3.质点系 (一般物体均可看作质点系),质点 刚体,14,1） 模型的建立 视具体问题 如地球,公转 自转,质点模型 刚体模型,15,2） 质点力学是基础,如 N个沙粒组成的物质系统 - 质点系,方法：一个沙粒一个沙粒

7、地解决,如 连续体,方法： 切割无限多个质量元 一个质量元一个质量元地解决,16,思路 质点力学(模型) 牛顿运动定律(总结性的) 质点系 解决物体系的一般方法 (普遍) 刚体 (模型) 一般物体的一级简化 (特殊的质点系),17,2 质点运动的描述 一、位置矢量和位移矢量 二、 速度矢量 三、加速度矢量 四、其他物理量,18,一、位置矢量和位移矢量 时刻t 质点运动到P点,任选一参考点o (通常选坐标原点),为质点 t 时刻的 位置矢量,位置矢量也叫 运动函数,通常位矢是t 的函数 写成,称矢量,19,时间间隔内的,若质点在,时间间隔内，,由P点运动到Q点。则,t1时刻，位矢为,t2时刻，位

8、矢为,定义矢量,为质点在,位移 （displacement）,位移,基本定义式,由矢量三角形，知,20,二、 速度矢量 1)平均速度,2 )瞬时速度 （instantaneous velocity）,21,1）位矢与参考点有关 位移与参考点无关 2）平均速度与时间间隔有关 方向是该时间间隔内的位移的方向,o,22,瞬时速度的方向就是位移t0 的方向。 由图可知，在t0 的过程中，位移由割线切线。,所以：速度方向是路径运动的切线方向。 另外注意到：,所以速度大小与速率值相等,3）瞬时速度的大小和方向,23,三、加速度矢量,从P点画速度矢量三角形,1)平均加速度,2)瞬时加速度,24,1）矢量物理

9、量全面地反映物体的运动状态， 便于理论推导和一般性的定义。 在 t 时刻，描述运动的物理量是,三者之间的关系是,运动学问题的基本定义式,即解决问题的基本出发式,25,2）通常，在具体解题时，需根据解题方便选取合适的正交坐标系。 常用的坐标系有： 直角坐标系 平面极坐标系 球坐标系 柱坐标系等等,26,在直角坐标系中可写成：,分别是x、y、z方向的单位矢量,直角坐标系,27,质点运动学两类基本问题,一 由质点的运动方程可以求得质点在任一时刻的位矢、速度和加速度；,二 已知质点的加速度以及初始速度和初始位置, 可求质点速度及其运动方程 .,28,一 加速度为恒矢量时质点的运动方程,已知一质点作平面

10、运动, 其加速度 为恒矢量, 有,积分可得,写成分量式,加速运动,29,积分可得,30,二 斜抛运动,当子弹从枪口射出时，椰子刚好从树上由静止自由下落. 试说明为什么子弹总可以射中椰子 ?,31,求斜抛运动的轨迹方程和最大射程,已知 时,32,消去方程中的参数 得轨迹,最大射程,由于空气阻力，实际射程小于最大射程.,求最大射程,33,例 1 设质点的运动方程为 其中 （1）求 时的速度.（2） 作出质点的运动轨迹图.,解 （1）由题意可得速度分量分别为,时速度为,速度 与 轴之间的夹角,34,（2） 运动方程,由运动方程消去参数 可得轨迹方程为,35,例1 如图所示, A、B 两物体由一长为

11、的刚性细杆相连, A、B 两物体可在光滑轨道上滑行. 如物体A以恒定的速率 向左滑行, 当 时, 物体B的速率为多少？,解 建立坐标系如图,OAB为一直角三角形，刚性细杆的长度 l 为一常量,36,两边对t求导得,沿 轴正向, 当 时,(1)(2)式代入得,37,h,s,例 1,求：船速靠岸的速率,解：,l,38,例3 路灯距地面高度为h，身高为l的人以速度v0在路上匀速行走。求：（1）人影头部的移动速度。（2）影长增长的速率。,两边求导：,（2）,设人影头部移动速度为,39,一、匀速圆周运动,称向心加速度。,1-7 圆 周 运 动,沿半径指向圆心,40,二、变速圆周运动,在三角形CDE中,取

12、CE上一点F,使CF = CD = vA,则FE = vB - vA,改变了速度方向,改变了速度大小,41,- 速度方向的变化率,- 速度大小的变化率,42,1.角坐标 角位移 角速度 角加速度,角速度,角加速度,描述质点转动的位置,描述质点转动位置的变化,描述质点转动的快慢,描述质点转动角速度变化的快慢,三、圆周运动的角量描述：,角坐标,角位移,单位：,单位：,43,2. 线量和角量的关系,44,3. 匀变速率圆周运动,与匀变速直线运动类比,45,四、一般曲线运动,在自然坐标系中:,46,对于作曲线运动的物体，以下几种说法中哪一种是正确的： （A）切向加速度必不为零； （B）法向加速度必不为

13、零（拐点处除外）； （C）由于速度沿切线方向，法向分速度必为零，因此法向加速度必为零； （D）若物体作匀速率运动，其总加速度必为零； （E）若物体的加速度 为恒矢量，它一定作匀变速率运动 .,47,例4 已知质点作半径为R=0.1m的圆周运动, 其相对于圆心的角坐标为=2+t3 rad, 求t=2s时的切向加速度at 和法向加速度an 。,解:,48,解:,曲率半径 最大出现在何处?,例5 已知抛体运动速度为 (如图),求最高点处的曲率半径 。,49,例6 碟盘是一张表面覆盖一层信息纪录物质的塑性圆片，若碟盘可读部分的内外半径分别为2.50cm 和5.80cm，在回放时，碟盘被以恒定的线速度由

14、内向外沿螺旋扫描线（阿基米德螺线）进行扫描。(1)若开始时读写碟盘的角速度为50.0 rads-1，则读完时的角速度为多少？(2)若螺旋线的间距为1.60m，求扫描线的总长度和回放时间。,解：,(1)近似的将螺线视为同心圆,50,在盘上任取一同心圆环带 ,带宽dr ,(2)单位长度的圈数:,回放时间:,含圈数:,扫描的总长度：,51,一 时间与空间,在两个相对作直线运动的参考系中， 时间的测量是绝对的，空间的测量也是绝对的， 与参考系无关， 时间和长度的的绝对性是经典力学或牛顿力学的基础 .,A,B,小车以较低的速度 沿水平轨道先后通过点 A 和点 B . 地面上人测得车通过 A、B 两点间的

15、距离和时间与车上的人测量结果相同 .,相对运动,52,物体运动的轨迹依赖于观察者所处的参考系,二 相对运动,53,速度变换,位移关系,质点在相对作匀速直线运动的两个坐标系中的位移,S 系 系,54,伽利略速度变换,加速度关系,绝对速度,相对速度,牵连速度,55,例 如图示，一实验者 A 在以 10 m/s 的速率沿水平轨道前进的平板车上控制一台射弹器, 此射弹器以与车前进方向呈 度角斜向上射出一弹丸 . 此时站在地面上的另一实验者 B 看到弹丸铅直向上运动, 求弹丸上升的高度 .,速度变换,解 地面参考系为 S 系 平板车参考系为 系,56,弹丸上升高度,解 地面参考系为 系，平板车参考系为 系,57,例2、轮船驾驶舱中罗盘指示船头指向正北，船速计指出船速20km/h，若水流向正东，流速为5km/h，问船对地的速度为多少？驾驶员需将船头何方才能使船向正北航行？,解：已知,得,58,小 结,一、运动的描述：,位置矢量,位 移,瞬时速度,加速度,1、基本物理量：,线 量,角 量,2、线量与角量的关系：,小 结 - 1,59,