Ch1.1-3大学物理(绪论、运动学)ppt课件

1、大学物理 授课教师： 答疑时间：待定 答疑地点：数理楼3楼基础物理教学部 联系电话： 交作业时间：每周第一次课（作业上注明 在班上的学号（排名序号）,主要参考书：马文蔚改编：物理学第五版 本学期授课内容：力学、电磁学,绪 论 (Introduction) 一、物理学的内容是什么? Question：你是如何认识和理解你身处的世界？,固体、液体、气体,原子、分子,原子核、电子,质子和中子,夸克和轻子,夸克：u, d, s, c, t, b 轻子：光子, 电子, 中微子,字面意思：事物存在的道理。存在和道理,有古人云： 子曰： 凡天下之物，莫不有理 唯于理有未穷，故其智为不尽 孔子 大学篇,1.

2、物理学,物理学中的四大基本概念 ,物质 时空 作用 运动 （matter）（space-time）（action） （motion）,2. 发展简史,. 经典物理：指以Newton 的绝对时空观和 Laplace 的因果决定论为基础的物理学(classical physics)。,特点：(1) 能够在时空中给出直观而实在的描述。,(2) 适用于宏观低速领域，以牛顿力学和 Maxwell 的电磁学为基础。,物理学是研究自然界中一定时间和空间内物质存在 的基本形式（实物粒子和场），相互作用（四种）及 运动规律的科学。或简单的说，探讨物质的基本结 构、相互作用及其运动规律的科学。, 经典热力学； 经

3、典电磁学。,具体划分： 古希腊人的自然哲学；, Isacc Newton 时代 Philesophiae Natruralis Principia Mathematica或 The Mathematical Principles of Celestial Mechanics ；,. 近代物理,特点：在高速及微观领域建立起来的物理概念 和理论体系，基础是相对论和量子力学；,学科名目繁多,研究内容：微观到宇观的物质结构的各层次的性 质和运动规律.,按层次划分：,b. 强相互作用为主的层次；QCD,c. 粒子物理层次；,d. 宇观引力层次。,二、为什么要学习物理学 1. 物理学是自然科学许多领域和工

4、程技术的基础 (1) 与各学科的关系：与化学，生物学，地质学 (2) 与技术的关系：,a. 以电磁相互作用为主的层次，在微观的原子结 构到宏观凝聚态的物质结构中占支配地位；QED,科学：解决理论问题，发现自然界中确凿的事实和现 象之间的联系。并建立理论把这些事实和现象联系起 来。科学是与未知领域打交道，其进展尤其是重大突 破难以预料。,技术：是把科学成果应用到实际问题中去。,科学与技术的关系有两种模式：,（1）技术,物理,技术,以第一次工业革命为代表,（2）物理,技术,物理,第二次工业革命提供的模式,2. 物理学的发展推动了社会进步,经济发展,3. 物理学有一套完整的获得知识、组织知识和运用知

5、 识的有效步骤和方法及科学的认知态度,提出命题,推测答案,唯象模型，定性解 释，定量假说原理 。,（新观测 事实，或 实验或已 知原理）,物理学是一门理论与实验高度结合的精确科学。,理论预言,新科学、新理论必须能为实验 所证实，要反对伪科学。,实践检验,修改理论,科学的态度：实事求是，老老实实，独立思考， 自己判断，不崇拜权威。,学会多问为什么！,概念,物理实质,形成物理图像,三、如何学习物理学？,1. 知识,2. 能力,3. 知识与能力的关系,(素质是建立在知识的基础上的，知识是能力的载 体，能力是知识的应用，二者缺一皆非素质),4. 为了人类的未来以及个人将来的学习和工作, 全面提高自身素

6、质。研究探索，而不应试。 注重理解物理学中的哲学思想。 追求和欣赏物理学中的美。 注意系统化学习，四大基本概念贯穿全部物理。 两个基本要点物理意义和数学表达。 与所学专业结合。,如何学好物理学？, 象科学大师那样去思考。注重思路：直觉和灵 感；要脚踏实地，扎扎实实，又要异想天开、 标新立异。, 认真完成作业，选做典型习题，举一反三，深思 多问。,学会科学方法,著名物理学家 Richard. Feynman said：科学是一种 方法，它教导人们一些事物怎样被了解，什么事情是 已知的，现在了解到什么程度（因为没有事情是绝对 已知的），如何对待疑问和不确定性，证据服从什么 法则，如何去思考事物做出

7、判断，如何区分真伪和表 面现象。,四、教学过程 1. 学习过程： (1) 课前预习 学会“自学” ；,(2)上课认真听讲，作好笔记抓住“重点”， 突出“物理思路”；不要无故旷课（点名抽查）,(3) 课后及时复习独立完成作业。,作业格式 (活页纸) ：,姓名：,班级：,学号：,标清题号，画好 标准草图,10-27解：建立图示坐标系，并选 取图示微元，则 dq 单独存在时在 P 点产生的电势为：,2. 作业要求： (1) 写明已知求解；,(2) 思路清晰，完整 展现解题思路；,(3) 书写、作图工整 认真规范，步骤 完整；,(4) 不要抄袭，按 时完成。,学号是班上的排 序号！,(5) 每周第一次

8、课按时交作业，不要缺交拖欠作业。,3. 教学环节 (1) 上大课 (2) 答疑: 时间待定，地点数理楼 三层基础物理教学部,(3) 考核：期中考试10，平时作业、点名 20 期末考试成绩为 70。,(4) 重修,4. 参考书：(1) 马文蔚主编物理学; (2) 另借一本 大学物理辅导与练习之类的书；(3)充分利用大 学物理精品课程网站()。,5. 本学期授课内容 上册18章,资格 确定,五、几点要求, 适应大学的教学进度，高速度、高效率； 谦虚好学、深入思考、多多提问、多多讨 论； 抓住一切机会充实自己、提高素质、设计 人生、完美自我、追求真理、升华境界、 珍惜生命、热爱生命、拥抱大自然、创造

9、 辉煌。,第一篇 力学（mechanics）,1. 力学：研究机械运动规律的科学。,机械运动（mechanical motion） ：宏观物体之间 （或物体内部各部分之间）的相对位置随时间的变动。,2. 经典力学：研究弱引力场中宏观物体的低速运动。,主要内容：,(2) 动力学(dynamics)：研究物体运动状态的改变与物 体间相互作用的内在联系。,(3) 静力学(statics)：研究相互作用下物体的平衡问题。,机械 运动,(1) 运动学(kinematics)： 研究物体运动状态及变化的 规律。,第一章 质点运动学（kinematics of particle）,运动学简介,一、研究对象

10、轨道、位移、速度、加速度随时间的变化规律。,二、理想模型： 质点，质点系,三、研究方法 1. 选参考系 (reference frame) 2. 建立坐标系 (coordinate) 3. 建立运动方程,一、参考系 质点（particle）, 相对性；, 研究质点运动是研究物体运动的基础。, 理想模型；,1. 参考系 运动是绝对的，对于运动的描述却是相对的。 为描述物体的运动而选的标准物体叫做参考系。,1-1 描述物体运动的基本方法,2. 质点,二、坐标系,为了确定物体的位置和描述物体的运动，需在参 考系上建立坐标系。坐标系是选定时间或空间起点 （原点）和方向并刻有单位标度的直线（或曲线） 组

11、成的坐标架。,根据研究问题的方便可选则：,直角坐标系；平面极坐标系；柱坐标系；球坐 标系；自然坐标系。,三、时间和时刻的概念,时刻：t ； 时间：t = t2 - t1, 关于时间和空间 (space & time), 时间和空间 (space & time),时间 (1) 定义? A time or a period,表示运动的持续性(Time is what happens when nothing else happens.),(2)测量方法：采用可重复的周期现象来记量时间。,(3)单位：SI 秒 (a second) 国际计量大会1967年定义。 用铯原子 133 基态的二个超精细能级

12、跃迁对应辐 射周期的 9192631770 倍进行定义：,1秒 = 9192631770 倍 133Cs 辐射周期,(1) 空间尺度：人，米的数量级。 细菌，10-5 m ；细胞，10-7 m ；原子，10-10 m； 宏观系统：人体尺度上下几个数量级。 宇观尺度： 宏观。,最大：哈勃半径1026m(100200 百亿光年)； 最小：10-15 m。 上下相差约四十二个数量级，宇宙的四十二个台阶。,2. 空间 表征物质客体的广延性。,3. 时间和空间的尺度,时间标准储存器 - 脉冲星。,长度单位：长度单位用真空中的光速规定 1米 = 光在真空中 1/29997945 秒内走的距离。,(2) 时

13、间尺度,宇宙的形成：(1.02.0)1010（1018秒）年前的一 次大爆炸中诞生的。,最短寿命：Z0介子，10-25 秒。,4. 测量的相对性与极限,(1) 高速运动的物体 v C 时考虑相对论效应。,(2) 测量误差 xp, 矢量与标量,注意,“矢量” 印刷：用黑体表示 手写：标箭头（ ）,作图时：,特别注意：,标量与 矢量,矢量的矢量积（叉积、外积）,矢量,大小：,方向：,矢量式：,1. 位置矢量 描述运动质点某时刻位置的物理 量（position & radius vector）。,矢量一定具有：,(1)大小(模magnitude),(2)方向(direction)：,(3)加减法：三

14、角形法则或平行四边形法则。,长度,1-2 描述质点运动的基本物理量 运动方程,运动是绝对的，对于运动的描述却是相对的。要描述物体 的运动，必须选取参考系，建立坐标系(x，y，z),二维：,分量式：,(4)直角坐标分量式,大小：,方向：,一维：,在直角坐标系下,它给出任一时刻质点的位置，表示质点的运动规 律，称为质点的运动方程。,原则上： 找到了物体的运动方程： 运动学的任务即告完成。,要注意矢量的写法！,2. 位移矢量（ displacement vector ） 由起点指向终点的表示质点位置变化的矢量。,方向余弦：,位移：,大小：,位置与 位移,3. 位移和路程（Path）,（1）路程 S

15、运动轨迹的长度 （恒正、标量）,（2）位移为矢量，路程为标量，遵从不同的运算 法则。,注意：,Instantaneous velocity,三、速度矢量（Velocity vector ） 表示质点运动快慢及方向的物理量。,1. 平均速度,Average (mean) velocity,平均速度:,2. 瞬时速度：,方向沿切向，并指向前进方向。,直角坐标系中,方向余弦：,速度 矢量,3. 速率 (speed),(1) 平均速率,(2) 瞬时速率,注意：一般,一般“匀速圆周运动” 应严格称 “匀速率圆周运动”。,例如：圆周运动 不变，即 ，,四、加速度矢量,Acceleration vector

16、,伽利略的贡献，有此概念才可以用数学定律定量 描述落体运动。,描述物体速度大小和方向变化快慢的物理量。,1. 平均加速度(average acceleration),t 时刻：,t+t 时刻：,定义：,2. 瞬时加速度(instantaneous acceleration),注意：(1) 大小,指速度增量大 小的变化率：,既反映了速度大小的变化也反映了方向变化。,如上图所示。,(3) 直角坐标系中,大小：,方向余弦：,加速度 矢量,小结：描述质点运动状态特性的物理量：,（2）瞬时性。注意瞬时量和过程量的区别。,包括：,（1）矢量性。注意矢量和标量的区别。,（3）相对性。对不同参照系有不同的表达

17、式。,1-3 质点运动基本问题的求解,一、运动学方程,也可写成：,表示位置矢量随时间的变化。,二、轨道方程 从运动方程中消去 t ，则可得：,三、运动学中的两类问题,例题1 已知：,求：,轨道方程：,解：,例题1 已知质点的运动学方程,求：(1) t 时刻的 (2) 轨道方程，并说明质点作何运动?,解：(1),(2) 由已知，有,消去t，整理得,轨迹为椭圆。,例题2 已知：质点加速度为,求：,解：,(1) 因,故：,作定积分：,故：,(也可用不定积分，后定常数),(2) 因,故有：,注意,* 矢量标量 ！ 例如：下列写法都是错的：,四、匀变速运动,特点：,由加速度定义知,作定积分,设初始条件，t =0 时,特例：若直线运动，则有：,去掉矢量号,由 (1) (2) 消去 t 得,以上 (1) (2) (3) 式是描述匀变速运动的三个运动学 方程，其中只有两个是独立的。,五、变加速运动,特点：,较为复杂,通过两个例题来说明求解方法,例题3 一质点沿 x 轴正向运动，其加速度与位置的 关系为 a = 3 + 2x。若在 x = 0 处，其速度 v0=5m/s，求 质点运动到 x = 3m 处时所具有的速度 v。,解：(思考： 从所求，应找到 v 与 x 的关系：v = v(x)）,故有：,作定积分，有：,因而有：,例题4 以初速度 v0 由地面竖直