1、上海海事大學(xué)第1頁第1頁上海海事大學(xué)物理教研室大學(xué)物理學(xué)第2頁第2頁緒 論第3頁第3頁緒論一、物理學(xué)研究對(duì)象二、物理學(xué)研究辦法三、物理學(xué)學(xué)習(xí)辦法 目的：取得學(xué)習(xí)“大學(xué)物理”自覺意識(shí)和較高起點(diǎn)。第4頁第4頁一、物理學(xué)研究對(duì)象 研究物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)、基本互相作用和基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 物質(zhì)抽象物質(zhì)實(shí)物物質(zhì)氣體、液體、固體、等離子體等場(chǎng)等第5頁第5頁典型物理學(xué)典型力學(xué)宏觀熱力學(xué)氣體分子動(dòng)理論電磁學(xué)光學(xué)第6頁第6頁近代物理學(xué)基礎(chǔ)分支狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論量子力學(xué)粒子物理原子核物理原子分子物理激光物理凝聚態(tài)物理等離子體物理電子物理等第7頁第7頁特點(diǎn)：1) 要以相對(duì)論、量子物理為基礎(chǔ) 2) 觀測(cè)和試驗(yàn)手段及設(shè)備越來越

2、精密 3) 交叉學(xué)科層出不窮 4) 與新技術(shù)革命密切相關(guān) 當(dāng)代物理前沿：研究微觀結(jié)構(gòu)更深層次，研究單個(gè)粒子結(jié)構(gòu)與性能及少數(shù)粒子間互相作用，最后希望統(tǒng)一四種互相作用力。從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，揭開宏觀多粒子系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)奧秘 - 當(dāng)代統(tǒng)計(jì)物理及凝聚態(tài)物理。 少體問題 多體問題 天體問題摸索大尺寸宇觀領(lǐng)域，揭開宇宙奧秘。第8頁第8頁交叉學(xué)科天體物理、地球物理、化學(xué)物理、生物物理等當(dāng)今物理學(xué)研究領(lǐng)域兩個(gè)尖端高能或粒子物理天體物理第9頁第9頁 物理學(xué)對(duì)科學(xué)技術(shù)和社會(huì)影響：是其它科學(xué)主要基礎(chǔ) 規(guī)律含有普遍性 研究辦法含有指導(dǎo)性含有導(dǎo)向作用 研究結(jié)果對(duì)科技發(fā)展含有預(yù)示性 對(duì)人類社會(huì)含有推動(dòng)性第10頁第10頁二、

3、物理學(xué)研究辦法提出命題推出答案理論預(yù)言試驗(yàn)檢查修改理論第11頁第11頁三、物理學(xué)學(xué)習(xí)辦法物理量意義物理公式、定律來龍去脈， 合用范圍，會(huì)正確應(yīng)用量綱幫助理解物理數(shù)據(jù)合理性第12頁第12頁教材結(jié)構(gòu)和主線下冊(cè)粒子熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律上冊(cè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律剛體運(yùn)動(dòng)規(guī)律流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律高速運(yùn)動(dòng)規(guī)律電磁運(yùn)動(dòng)規(guī)律粒子周期運(yùn)動(dòng)近代物理基礎(chǔ)波動(dòng)光學(xué)第13頁第13頁第一篇 力學(xué)第14頁第14頁力學(xué)(mechanics)研究對(duì)象 宏觀物體之間(或物體內(nèi)各部分之間)相對(duì)位置(position)變動(dòng)力學(xué)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)剛體力學(xué)基礎(chǔ)狹義相對(duì)論機(jī)械運(yùn)動(dòng)第15頁第15頁第1章 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)1-1 時(shí)間和空間 量綱1-2 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)描述1-3

4、相對(duì)運(yùn)動(dòng) 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)任務(wù)：描述作機(jī)械運(yùn)動(dòng)物體在空間(space)位置(position)隨時(shí)間(time)改變關(guān)系，不涉及運(yùn)動(dòng)改變?cè)?。?6頁第16頁1-1 時(shí)間和空間 量綱一、時(shí)間（time）計(jì)量二、長(zhǎng)度(length)計(jì)量三、國際單位制(SI)與量綱第17頁第17頁一、時(shí)間計(jì)量時(shí)間表征物質(zhì)運(yùn)動(dòng)連續(xù)性 1967年,第十三屆國際計(jì)量大會(huì)決定采用銫原子鐘作為時(shí)間基準(zhǔn), 定義1秒長(zhǎng)度等于銫133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷相相應(yīng)輻射周期9 192 631 770倍。an Atomic Clock精度達(dá)10-12 10-13共計(jì)跨越了43個(gè)數(shù)量級(jí)物理學(xué)研究時(shí)間數(shù)量級(jí)第18頁第18頁二、長(zhǎng)度(le

5、ngth)計(jì)量空間中二點(diǎn)間距離空間反應(yīng)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)廣延性。在三維空間里位置可由三個(gè)互相獨(dú)立坐標(biāo)擬定。 米(meter)原則 1983年10月第十七屆國際計(jì)量大會(huì)通過：米是光在真空中1 / 299 792 458秒時(shí)間間隔內(nèi)運(yùn)營(yíng)路程(distance)長(zhǎng)度。共計(jì)跨越了42個(gè)數(shù)量級(jí)。物理學(xué)研究長(zhǎng)度數(shù)量級(jí)第19頁第19頁三、國際單位制(SI)與量綱基本物理量：長(zhǎng)度(length) L 米 m時(shí)間(time) T 秒 s質(zhì)量(mass) M 公斤 kg電流(electricity) I 安培 A熱力學(xué)溫度(thermodynamic temperature) 開爾文 K 物質(zhì)量(amount of sub

6、stance) N 摩爾 mol發(fā)光強(qiáng)度(luminous intensity) J 坎德拉 cd導(dǎo)出量 ： 由基本物理量構(gòu)成，1960年，第十一屆國際計(jì)量大會(huì)通過了國際單位制。如速度第20頁第20頁 用L、M和T分別表示長(zhǎng)度、質(zhì)量和時(shí)間三個(gè)基本量量綱，其它力學(xué)量Q量綱與基本量量綱之間關(guān)系可按下列形式表示出來：注：量綱相同物理量才干相加減或用等號(hào)聯(lián)接。 無量綱量能夠有單位。如行星軌道周期變短速 率其單位是秒/世紀(jì)，但無量綱。 無量綱量經(jīng)常有主要應(yīng)用。 不考慮數(shù)字原因時(shí)，導(dǎo)出量(derived)與基本量(base)之間關(guān)系能夠用量綱(dimension)來表示。其中p, q, s為量綱指數(shù)。如速

7、度dimV = L T-1。第21頁第21頁1-2 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)描述一、質(zhì)點(diǎn)(particle)二、參考系和坐標(biāo)系三、位置矢量與運(yùn)動(dòng)方程四、位移與路程五、速度(speed)六、加速度(acceleration)七、運(yùn)動(dòng)學(xué)兩類問題八、自然坐標(biāo)系中速度和加速度九、圓周運(yùn)動(dòng)角量描述第22頁第22頁一、質(zhì)點(diǎn)(particle) 定義：含有質(zhì)量幾何點(diǎn)稱質(zhì)點(diǎn)。滿足下列條件實(shí)物均能夠抽象為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)： 物體上各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況 相同(平動(dòng)) 。 研究問題中物體形狀 和大小能夠忽略不計(jì)。 各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)總體運(yùn)動(dòng)影 響不大。 物體線度和形狀在所研究問題中能夠忽略時(shí)，這個(gè)物體能夠被抽象為質(zhì)點(diǎn)。第23頁第23頁 描述物體運(yùn)動(dòng)含有相

8、對(duì)性。 物體運(yùn)動(dòng)含有絕對(duì)性。默認(rèn)：地面參考系二、參考系和坐標(biāo)系 1. 參考系(frame of reference) 為了描述一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)而選定另一個(gè)作為參考物體。 注: 1:任何實(shí)物物體均可被選作 參考系，任何形式場(chǎng)都不可選作參考系。2：參考系不同，物體運(yùn)動(dòng)性質(zhì)可能被描述不同。第24頁第24頁常見坐標(biāo)系：極坐標(biāo)系O極軸徑向角向P(r,) 2. 坐標(biāo)系(system of coordinates) 用以標(biāo)定物體空zxyOP(x,y,z)直角坐標(biāo)系 自然坐標(biāo)系OP(n,) 球坐標(biāo)系P(r, , )注:1：坐標(biāo)系不會(huì)改變物體運(yùn)動(dòng)描述結(jié)果。2：選取適當(dāng)坐標(biāo)系能夠使解析過程快捷、以便。 數(shù)學(xué)抽象，是定

9、量分析工具。間位置而設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)，是固結(jié)于參考系上一個(gè)第25頁第25頁 1. 位置矢量(矢徑，位矢) (position vector)：從坐標(biāo)原點(diǎn)O出發(fā)，指向質(zhì)點(diǎn)所在位置P 一有向線段 描述質(zhì)點(diǎn)在空間位置。直角坐標(biāo)系位矢表示為：三、位置矢量與運(yùn)動(dòng)方程P(x,y,z)zyxOkji單位矢量：大?。悍较颍禾匦裕菏噶啃?、瞬時(shí)性、相對(duì)性第26頁第26頁矢量形式：參數(shù)方程： 2. 運(yùn)動(dòng)方程(equation of motion): 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)位置隨時(shí)間改變規(guī)律。xOzyPQkji消去參數(shù) t質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程第27頁第27頁解：(1) 先寫參數(shù)方程：xPy42Q-2O(2) 位置矢量： t = 0 時(shí)，

10、x = 0 y = 2 t = 2 時(shí)，x = 4 y = -2例1-1.已知質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程求：(1) 質(zhì)點(diǎn)軌跡。 (2) t = 0 及t = 2s 時(shí)，質(zhì)點(diǎn)位置矢量。第28頁第28頁位置矢量大小：位置矢量方向：xPy42Q-2O第29頁第29頁1. 位移(displacement) 在t 時(shí)間內(nèi)，位矢改變量稱為位移。設(shè)質(zhì)點(diǎn)作曲線運(yùn)動(dòng)，t 時(shí)刻位于A點(diǎn)，位矢t +t 時(shí)刻位于B點(diǎn)，位矢四、位移與路程zyxOBA即A到B有向線段。在直角坐標(biāo)系中：kji第30頁第30頁zyxOBAkji方向: A B大小:位移(矢量)：質(zhì)點(diǎn)在某段時(shí)間內(nèi)，始、末位置變動(dòng)總效果。注: 1) 位移是矢量，滿足平行四邊形

11、法則。 2) 位移與實(shí)際經(jīng)過路徑不同。 3) 矢量問題，標(biāo)量處理。 三維分解 一維 “+”、“-”表示。 4) 位移含有相對(duì)性。特性：矢量性相對(duì)性第31頁第31頁矢量改變大小。szyxOBAO討論?路程：質(zhì)點(diǎn)通過實(shí)際路徑長(zhǎng)度，是標(biāo)量，與運(yùn)動(dòng)軌跡相關(guān)。何時(shí)取等號(hào)？2. 路程(path) 質(zhì)點(diǎn)實(shí)際行程長(zhǎng)度(正標(biāo)量)稱為路程。矢量大小改變。？相等！位移：表示質(zhì)點(diǎn)位置改變效果，是矢量，只與始末位置點(diǎn)相關(guān)。普通不相等！量變引起質(zhì)變！第32頁第32頁平均速度：平均速度方向與t時(shí)間內(nèi)位移方向一致。五、速度(speed)-描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)快慢和方向。zyxOBA定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)所發(fā)生位移。1. 平均速度(me

12、an speed)設(shè)質(zhì)點(diǎn)：位移:單位：ms-1第33頁第33頁2. 瞬時(shí)速度(速度) 能精細(xì)地描述質(zhì)點(diǎn)在某時(shí)刻運(yùn)動(dòng)情況。 速度方向?yàn)檐壍郎腺|(zhì)點(diǎn)所在處切線方向。zyxOBAAB速度大?。旱?4頁第34頁3. 瞬時(shí)速率(速率)(velocity)在 t 時(shí)間內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)所通過路程 s 對(duì)時(shí)間改變率。平均速率：瞬時(shí)速率：zyxOBAs普通情況：當(dāng)t 0時(shí):速度特性：矢量性、瞬時(shí)性、相對(duì)性速度與速率關(guān)系：速度是矢量，速率是標(biāo)量。第35頁第35頁注意：瞬時(shí)速度與瞬時(shí)速率關(guān)系 當(dāng)質(zhì)點(diǎn)做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí), 質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)速度方向就是沿該點(diǎn)曲線切線方向。當(dāng) 時(shí),第36頁第36頁t1時(shí)刻，質(zhì)點(diǎn)速度為t2時(shí)刻，質(zhì)點(diǎn)速度為t

13、時(shí)間內(nèi)，速度增量為：平均加速度平均加速度方向與速度增量方向一致。xOzy六、加速度(acceleration)-描述質(zhì)點(diǎn)速度改變單位：ms-21. 平均加速度(mean acceleration)第37頁第37頁當(dāng)t 0時(shí)，平均加速度極限即為瞬時(shí)加速度。2. 瞬時(shí)加速度大?。悍较颍寒?dāng) t 趨向零時(shí)，速度 增量 極限方向特性：矢量性、瞬時(shí)性、相對(duì)性第38頁第38頁思考:BCA加速度方向始終指向曲線軌道 側(cè)？凹因此不相等！第39頁第39頁例1-2.已知一質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程 求：(1) 質(zhì)點(diǎn)速度和加速度。 (2) 找一個(gè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)相應(yīng)實(shí)例。解: (1) 斜拋運(yùn)動(dòng)(2)射程：射高:第40頁第40頁矢量標(biāo)量描述

14、法：質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)在X軸投影 矢量在某座標(biāo)軸投影方向用投影值正、負(fù)號(hào)表示。注意(1) x 是位移，普通不是路程。 (2) 所求矢量還需把求得各個(gè)投影值進(jìn)行合成。（標(biāo)量）來描述辦法。 將矢量向擬定若干座標(biāo)軸投影，用投影值第41頁第41頁 運(yùn)動(dòng)方程是運(yùn)動(dòng)學(xué)問題關(guān)鍵 1. 已知運(yùn)動(dòng)方程，求質(zhì)點(diǎn)任意時(shí)刻位置、速度以及加速度。 2. 已知運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度函數(shù)(或加速度函數(shù))以及初始條件求質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程。七、運(yùn)動(dòng)學(xué)兩類問題第42頁第42頁一維運(yùn)動(dòng)方程(a = 常數(shù))速度與位移關(guān)系用變量轉(zhuǎn)換法：tx第43頁第43頁例1-3. 已知質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為求：(1) 軌道方程； (2) t=2秒時(shí)質(zhì)點(diǎn)位置、速度以及加速度； (3)

15、 什么時(shí)候位矢正好與速度矢量垂直？解：(1)(2)(SI)消去時(shí)間參數(shù)第44頁第44頁方向沿y軸負(fù)方向(3)兩矢量垂直第45頁第45頁 例1-4.設(shè)某一質(zhì)點(diǎn)以初速度 作直線運(yùn)動(dòng)，其加速度為 。問：質(zhì)點(diǎn)在停止前運(yùn)動(dòng)路程有多長(zhǎng)？解：兩邊積分：第46頁第46頁解法二:本題實(shí)質(zhì)上是求速度與位移關(guān)系，用變量轉(zhuǎn)換法試試。是不是很以便！第47頁第47頁 例1-5. 路燈距地面高度為h，身高為l人以速度v0在路上勻速行走。求：(1)人影頭部移動(dòng)速度。(2) 影子長(zhǎng)度增長(zhǎng)速率。 解：(1)兩邊求導(dǎo)：hlxOx1x2(2)令影長(zhǎng)為第48頁第48頁本節(jié)要求： 1、掌握各運(yùn)動(dòng)學(xué)基本物理量定義。 2、純熟掌握第一類運(yùn)動(dòng)

16、學(xué)問題求解。 3、理解第二類運(yùn)動(dòng)學(xué)問題求解。 4、熟悉和掌握運(yùn)動(dòng)量矢量表示和運(yùn)算。 5、知道 (矢量之差大小) 普通不等于 (矢量大小之差) 。第49頁第49頁結(jié)束返回作業(yè)1-3, 1-4, 1-7. 第50頁第50頁自然坐標(biāo)系：把坐標(biāo)建立在運(yùn)動(dòng)軌跡上坐標(biāo)系統(tǒng)。(natural coordinate system) 在質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡上，任取一點(diǎn)O作為坐標(biāo)原點(diǎn)。從原點(diǎn)O到軌跡曲線上任意一點(diǎn)P弧長(zhǎng)定義為P點(diǎn)坐標(biāo)s。切向坐標(biāo)軸沿質(zhì)點(diǎn)邁進(jìn)方向切向?yàn)檎?，單位矢量為法向坐?biāo)軸沿軌跡法向凹側(cè)為正，單位矢量為要求：1. 自然坐標(biāo)中位置、路程和速度。質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為s=s(t)，位移為s。在質(zhì)點(diǎn)上作互相垂直兩個(gè)坐標(biāo)

17、軸其方向分別取切線和法線兩正交方向八、自然坐標(biāo)系中速度和加速度sOPQs第51頁第51頁位置：運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)表示質(zhì)點(diǎn)位置。路程：自然坐標(biāo)之差。速度：速率：自然坐標(biāo)中速度沿切線方向，無法向分量。sOPQs第52頁第52頁2. 自然坐標(biāo)中法向加速度和切向加速度設(shè)：某一質(zhì)點(diǎn)作普通曲線運(yùn)動(dòng)t 時(shí)刻位于P1點(diǎn)，速度為通過t時(shí)間位于P2點(diǎn),速度為s速度增量：平均加速度：瞬時(shí)加速度：第53頁第53頁切向加速度反應(yīng)速度大小改變,其方向沿軌道切線方向法向加速度反應(yīng)速度方向改變,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 勻速運(yùn)動(dòng); a 0 變速運(yùn)動(dòng)。(2) an = 0 直線運(yùn)動(dòng); an

18、 0 曲線運(yùn)動(dòng)大?。悍较颍旱?4頁第54頁例：拋體運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程速度方程加速度方程yu0 xuxuyO動(dòng)畫模擬拋體運(yùn)動(dòng) 第55頁第55頁練習(xí): 一物體做拋體運(yùn)動(dòng), 已知v0 , ,討論。第56頁第56頁 圓周運(yùn)動(dòng)(circle motion)是普通曲線運(yùn)動(dòng)一個(gè)特例，曲率半徑恒為R。普通圓周運(yùn)動(dòng)：勻速圓周運(yùn)動(dòng)： 3. 圓周運(yùn)動(dòng)角量描述R思考：“勻速圓周運(yùn)動(dòng)”是恒定速度嗎？第57頁第57頁線量(linear measures):自然坐標(biāo)系下基本參量以運(yùn)動(dòng)曲線為基準(zhǔn)。角量(angular measures):極坐標(biāo)系下以旋轉(zhuǎn)角度為基準(zhǔn)基本參量。九、圓周運(yùn)動(dòng)角量描述 2. 角位移(angular dis

19、placement)逆時(shí)針轉(zhuǎn)向?yàn)檎?，順時(shí)針轉(zhuǎn)向?yàn)樨?fù)。OP (t+t)P(t)xR1. 角位置(angular position)單位：反常要求：逆時(shí)針為正第58頁第58頁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旋轉(zhuǎn)方向P大小:方向: 右手螺旋法則角速度與線速度關(guān)系：第59頁第59頁4. 角加速度(angular acceleration)平均角加速度:角加速度:5. 角量與線量關(guān)系OP (t+t)P(t)xR第60頁第60頁6. 角量表示勻變速圓周運(yùn)動(dòng)基本公式OP (t+t)P(t)xR第61頁第61頁解: (1) 例1-6. 某發(fā)動(dòng)機(jī)

20、工作時(shí)，主軸邊沿一點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)方程為(1) t = 2s時(shí)，該點(diǎn)角速度和角加速度為多大？(2) 若主軸直徑D = 40 cm，求t = 1s時(shí)該點(diǎn)速度和 加速度。第62頁第62頁(2) 由角量和線量關(guān)系，得邊沿一點(diǎn)速度、 切向加速度和法向加速度。第63頁第63頁作業(yè)1-13, 1-14第64頁第64頁A 坐標(biāo)系S固定于地面坐標(biāo)系S固定于行車，隨車一起運(yùn)動(dòng)。 絕對(duì)運(yùn)動(dòng)(utterly motion)：物體相對(duì)于靜止參考系(S系)運(yùn)動(dòng), 位移為 相對(duì)運(yùn)動(dòng)(relatively motion)：物體相對(duì)于本身參考系(S系)運(yùn)動(dòng), 位移為 牽連運(yùn)動(dòng)(embroil motion)：運(yùn)動(dòng)參考系S相對(duì)靜止參考系S運(yùn)動(dòng), 位移為SxyyxS1-3 相對(duì)運(yùn)動(dòng)第65頁第65頁絕對(duì)速度牽連速度相對(duì)速度絕對(duì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)ASxyyxS伽利略速度變換第66頁第66頁a0電梯以加速度a0相對(duì)于地向上運(yùn)動(dòng)物體A、B相對(duì)于地加速度物體A、B以加速度a 相對(duì)于電梯運(yùn)動(dòng)BAaa第67頁第67頁注意：1. 暗含