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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、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 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 - 1,59,二、运动的相对性,3、运动学的 两个 基本问题:,小 结 - 2,60,例2 求如图所示的抛体轨道顶点处的曲率半径,解:在轨道顶点,由,得,61,解:,62,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,63,作 业,48页:7 、 10、11 51页:21、22 52页:27 (课本),64,更多资源,初一语文 初一英语 初一数学 初一政治 初一历史 初一地理 初一生物,
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