素质物理课堂讲解实用教案

力学研究宏观物体机械运动的现象和规律。牛顿建立了经典力学，把地面物体和天体的运动统一起来。但在牛顿之前(zhqin)，哥白尼、开普勒、伽利略等人做了大量的工作。第1页/共85页第一页，共85页。2 1 人类宇宙观的发展及经典(jngdin)力 学的诞生 一、古代人类对天体运动的认识 早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。 140年，古希腊天文学家托勒密在前人工作的基础上，发表了他的天文学大成(d chn)，系统地确立了地心说。第2页/共85页第二页，共85页。第3页/共85页第三页，共85页。托勒密第4页/共85页第四页，共85页。 根据这一学说，地为球形，且居于宇宙(yzhu)中心，静止不动，其他天体都绕着地球转动。 这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙(yzhu)中居有至高无上地位的宗教教义，因而流传时间长达1400余年。第5页/共85页第五页，共85页。二、从哥白尼到开普勒1.哥白尼创立日心说 科学(kxu)根源：随着天文学观察数据越来越多，为了给予解释，托勒密的地心说不断修补，越来越复杂，难以使人信服。第6页/共85页第六页，共85页。 哲学(zhxu)根源：哥白尼接受毕达哥拉斯学派提出的“宇宙是和谐的，可用简单的数学关系来表达宇宙规律”的基本思想。他也赞同柏拉图哲学(zhxu)，同柏拉图一样，高度赞美太阳，给予太阳“宇宙正中”的位置。第7页/共85页第七页，共85页。第8页/共85页第八页，共85页。哥白尼第9页/共85页第九页，共85页。 1543年，在哥白尼病逝前夕，出版(chbn)了天体运行论。天体运行论中，哥白尼提出了他的日心宇宙体系，太阳位于宇宙的中心，地球和其他行星沿着圆形轨道绕太阳运行，只有月亮绕地球运行，地球还有自转。第10页/共85页第十页，共85页。 日心说使得自然科学开始从神学中解放出来，因此，1543年常被看做近代科学诞生的一年。 哥白尼的日心说改变了当时人们对宇宙(yzhu)的认识，但是布鲁诺走得更远，他认为太阳也不是宇宙(yzhu)的中心，而只是一颗普通的恒星。第11页/共85页第十一页，共85页。2. 实践是检验真理的唯一标准 第谷的贡献 第谷终身致力于天文仪器制造和天文研究。他不断改进观测仪器，重新(chngxn)测定了一系列重要的天文数据，他的测量结果与现代值都很接近。第谷通过重新(chngxn)测定恒星的位置，编制成比以往更准确的1000多颗恒星的星表。第12页/共85页第十二页，共85页。3. 开普勒行星运行三定律 开普勒于16091619年间相继(xingj)提出行星运动的三定律。 开普勒发现利用哥白尼模型火星轨道数据与第谷观测的数据有8偏差，促使他改进理论模型。他曾说：“这8角分是不允许忽略的，它使我走上改革整个天文学的道路。”第13页/共85页第十三页，共85页。 第一定律轨道定律：所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上围绕(wiro)太阳运动，太阳位于这些椭圆的一个焦点上。第14页/共85页第十四页，共85页。 第二定律(dngl)等面积定律(dngl)：在行星与太阳间做一条直线（称为矢径），则此直线在行星运动时在相等的时间内扫过相等的面积。第15页/共85页第十五页，共85页。 第三定律和谐定律：各个行星绕太阳(tiyng)一周所需的时间，即公转周期T的平方正比于各行星与太阳(tiyng)平均距离R的三次方。32RT 第16页/共85页第十六页，共85页。开普勒第17页/共85页第十七页，共85页。 开普勒已经认识到他的定律暗示了太阳对行星有一种吸引力，这个力随距离(jl)的增大而减弱。这样才能理解例如为什么水星（离太阳最近）的运动速度比金星的快，因而周期最短的事实。 从开普勒起，天文学真正成为一门精确科学，成为近代科学的开路先锋。第18页/共85页第十八页，共85页。三、伽利略与经典力学的诞生(dnshng)1. 科学的捍卫者伽利略 伽利略是意大利文艺复兴后期伟大的天文学家、物理学家和哲学家。第19页/共85页第十九页，共85页。木星(mxng)卫星 伽利略在天文学方面的贡献：自制望远镜（1609年），为纪念他首先用望远镜观察星空(xngkng)这一壮举，2009年为国际天文年。发现木星的4颗卫星发现太阳黑子，定出太阳自转周期第20页/共85页第二十页，共85页。2. 伽利略对运动学的研究(1)伽利略对落体的研究 16世纪以前亚里士多德的运动理论(lln)占统治地位，亚里士多德认为“落体运动的速度与其重量成正比”。 伽利略设想了理想实验“落体佯谬”和“球体下落”，驳斥了亚里士多德的错误观点。第21页/共85页第二十一页，共85页。 并通过斜面实验发现自由落体定律。“一个从静止开始(kish)下落的物体在相等的时间间隔内经过的各段距离之比，等于从1开始(kish)的一系列奇数之比。” 斜面实验在2002年被评为历史上“最美丽”的十大物理实验之一。第22页/共85页第二十二页，共85页。第23页/共85页第二十三页，共85页。(2)伽利略对惯性原理的研究 亚里士多德认为：任何运动(yndng)着的事物都必然有推动者。 伽利略通过理想实验“斜面实验”，得到了这样的结论“一个运动(yndng)的物体，假如有了某种速度以后，只要没有增加或者减小速度的外部原因，便会始终保持这种速度。这个条件只有在水平的平面上才有可能，因为在斜面的情况下，朝下的斜面提供了加速的起因，而朝上的斜面提供了减速的起因；由此可知，只有在水平面上运动(yndng)才是不变的。”第24页/共85页第二十四页，共85页。第25页/共85页第二十五页，共85页。 可以看出，伽利略提出了惯性的概念，把运动分为匀速和变速，意识到了速度(sd)和加速度(sd)的差别，已经有了牛顿第一、第二定律的萌芽。第26页/共85页第二十六页，共85页。(3)相对性原理 一切力学规律在不同的惯性系中有相同的形式 “只要船的运动是均匀的，人们(rn men)观察到的现象将同船静止时的完全一样，这些现象表明，在船里所做的任何观察和实验，都不可能判断船究竟是在运动还是停止不动。”第27页/共85页第二十七页，共85页。3. 伽利略的科学研究方法(fngf) 在伽利略之前，物理学乃至整个自然科学只不过是哲学的一个分支。伽利略开创了科学试验方法(fngf)，并将实验、观察和理论思维相结合。 从斜面实验看伽利略的研究方法(fngf)： 对现象的观察提出假设（匀加速运动假设）进行数学和逻辑的推理实验验证（st2）形成理论 第28页/共85页第二十八页，共85页。 爱因斯坦评价他说：“伽利略的发现以及他所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学真正的开端。” 伽利略被后人称为(chn wi)“现代物理之父”。 提出了理想实验。第29页/共85页第二十九页，共85页。4. 伽利略对经典力学(jn din l xu)的贡献 伽利略是牛顿创建经典力学(jn din l xu)的先驱者。第30页/共85页第三十页，共85页。2 2 经典力学(jn din l xu)对运动的描述1. 运动的绝对性和相对性(1)运动是绝对的(2)运动描述(mio sh)的相对性 例：火车第31页/共85页第三十一页，共85页。2参考系、坐标系(1)参考系：描述物体的运动而选的标准物 例：日心系(xn x)、地心系(xn x)、地面系 通常选地面做参考系日心系zx y地心系地面系第32页/共85页第三十二页，共85页。(2)坐标系直角坐标(zh jio zu bio)系、平面极坐标系、自然坐标系直角坐标系自然坐标系极坐标系第33页/共85页第三十三页，共85页。一、描述质点运动(yndng)的基本概念和基本物理量1质点 (1) 忽略物体的大小和形状，把它看作是一个有质量的点。 例：地球的公转和自转(2)质点是一种物理模型其他模型： 刚体 、理想气体 、点电荷 第34页/共85页第三十四页，共85页。2位置矢量(1)表示质点(zhdin)所在位置(2)在直角坐标系中kzj yi xr第35页/共85页第三十五页，共85页。3. 运动方程(1)定义：通常位矢是时间t的函数(hnsh)，用 表示。 称为质点的运动方程 例：i tr2 trr tr第36页/共85页第三十六页，共85页。(2)在直角坐标(zh jio zu bio)系中 tzz tyy txx ktzjtyitxtr消去(xio q)t，可得质点运动的轨迹方程。第37页/共85页第三十七页，共85页。例：设质点的运动函数为 消去t，可得轨道方程(fngchng) ，可知质点在z=0的平面内以原点为圆心做半径为4的圆周运动1622 yx0zty3cos4tx3sin4第38页/共85页第三十八页，共85页。4位移矢量(1)表示质点位置的变化(binhu)(2)(3)位移与路程的区别a. 路程 为标量b. 通常 ， 在 时，rdds0trssABrrrr第39页/共85页第三十九页，共85页。5速度(1)表示(biosh)运动的快慢平均速度为当 时，瞬时速度(2)速度与速率的区别0tdtrdtrvotlimtrv第40页/共85页第四十页，共85页。6加速度 表示(biosh)速度变化的快慢a.质点的速度增量为 这段时间内平均加速度为b. 当 时，瞬时加速度22limdtrddtvdtvaottvaABvvv0tBvBAvBvvxyOAvA第41页/共85页第四十一页，共85页。例1设质点做平面运动 试分析(fnx)其运动解：轨迹方程为：ja2j tidtrdv22 2412xyjti tr)2(22第42页/共85页第四十二页，共85页。例2匀加速(ji s)直线运动atvv0ttvvdtaadtdv000adtdv dtdva Ca 第43页/共85页第四十三页，共85页。20021attvxxtxxdtatvdx00)(0dtatvdx)(0atvdtdxv0第44页/共85页第四十四页，共85页。二、运动叠加原理 物体的实际(shj)运动可看做几个方向的分运动的合成。 例：平抛运动第45页/共85页第四十五页，共85页。第46页/共85页第四十六页，共85页。三、抛体运动在地球表面附近将一物体(wt)以速度 抛出 2021gttvyytvxx0gtvvyy0 xxvv0gay0 xa0vxvyvvxvyvvxyo0vx0vy0v第47页/共85页第四十七页，共85页。 由运动的叠加原理，斜抛运动可看作水平方向(fngxing)上的匀速直线运动与竖直上抛运动的叠加。 设 与水平方向(fngxing)（x轴）夹角为 ，则sinooyvvcosooxvv0vxyo0vx0vy0v第48页/共85页第四十八页，共85页。由可得物体(wt)运动的轨迹方程2220cos2tanxvgxy2021singttvytvxcos0 xyo0vx0vy0v第49页/共85页第四十九页，共85页。 抛体落地点与抛出点间距离(jl)称为射程 当 时，有最大值gvdm2004gvgvvd2sinsin2cos200000dxyo0vx0vy0vd第50页/共85页第五十页，共85页。四、曲线运动中的切线加速度和法向加速度 其中 为P点处的曲率半径， 为法向加速度，改变(gibin)了速度的方向， 为切向加速度，改变(gibin)了速度的大小。tanadtdvat2van第51页/共85页第五十一页，共85页。 以圆周运动为例 在一般(ybn)的圆周运动中， 速度的大小和方向都发生变化 为速度大小的变化量， 为速度方向的改变量nvtvntvvv1v2vv1vro2v1 te2te第52页/共85页第五十二页，共85页。 其中，法向加速度 改变了速度的方向(fngxing)，切向加速度 则改变了速度的大小。 在匀速圆周运动中，速度只有方向(fngxing)上的变化，而且 因此，0taRvan2Rntaaatana第53页/共85页第五十三页，共85页。五、圆周运动 线量与角量 一质点绕原点O以半径r作圆周运动，径矢 与x轴夹角(ji jio)为 。1质点作圆周运动，则有(1) ，称为角位置。 ，称为角位移。rorSv第54页/共85页第五十四页，共85页。(2) ，为平均角速度。 在一般(ybn)的变速圆周运动中， 时，平均角速度的极限值称为角速度。 即角速度等于 对时间 的变化率。dtdtt0lim0ttorSv第55页/共85页第五十五页，共85页。(3)平均(pngjn)角加速度 角加速度220limdtddtdtttorSv第56页/共85页第五十六页，共85页。2设 时间(shjin)内质点走过的路程为 ，径矢 转过的角度为 ，则有：22RRvanrdtdrdtrddtdvat)(rv dtdrdtdsrdds drdtdsorSv第57页/共85页第五十七页，共85页。例3. 解： 质点(zhdin)做匀减速圆周运动2/10sradt102252tt 第58页/共85页第五十八页，共85页。2 3 牛顿(ni dn)运动定律英国著名诗人Pope写道：自然界和自然界的规律隐藏在黑暗(hi n)中，上帝说：“让牛顿去吧！”于是一切成为光明。第59页/共85页第五十九页，共85页。一、牛顿及其成就 牛顿是物理学家、天文学家和数学家，经典力学的集大成者。 发现光的色散现象 提出万有引力定律(dngl)和运动三定律(dngl) 创立了微积分 16851687年，牛顿发表了著名的自然哲学的数学原理第60页/共85页第六十页，共85页。二、牛顿运动三定律(dngl)1. 牛顿第一定律(dngl)（惯性定律(dngl)） 任何物体都保持其静止或匀速直线运动状态，直到其他物体所作用的力迫使它改变这种状态为止。(1)惯性：物体保持其运动状态不变的性质第61页/共85页第六十一页，共85页。(2)定义了惯性参考系，即牛顿运动(yndng)定律成 立的参考系(3)力是改变物体运动(yndng)状态的原因第62页/共85页第六十二页，共85页。2. 牛顿第二定律(1)力是矢量，满足叠加原理。 单位：牛顿(N) (2)质量是物体惯性(gunxng)大小的量度。2/11smkgNamF第63页/共85页第六十三页，共85页。(3)牛顿第二定律(dngl)只适用于质点的运动 合外力 与加速度 之间是瞬时对应关系(4)在直角坐标系中 在自然坐标系中nnmaF ttmaF zzmaF yymaF xxmaF aF第64页/共85页第六十四页，共85页。3. 牛顿第三定律 两个物体之间的作用力和反作用力，沿同一(tngy)直线、大小相等、方向相反、分别作用在两个物体上。 (1)同时存在 (2)作用在两个物体上，不能抵消 (3)是同种性质的力FF第65页/共85页第六十五页，共85页。三、几种常见的力1. 万有引力、重力 万有引力定律的发现(1)问题的提出月亮为什么不掉下来？ 设想(shxing)在山顶上把一颗炮弹水平发射出去，它将沿着一条不断下弯的曲线运动，最后落到地面上。这说明地球给炮弹一个向下的拉力，即地球的引力。第66页/共85页第六十六页，共85页。 随着炮弹抛射速度的增大，炮弹飞得越来越远。当速度大到一定(ydng)值时，炮弹就绕地球旋转，成为一个“小月亮”。这一速度值即为第一宇宙速度7.9km/s。 当抛射速度继续增大时，炮弹的轨道变为椭圆，增大至第二宇宙速度11.2km/s时，炮弹就脱离了地球的束缚。第67页/共85页第六十七页，共85页。 而月亮正是受到地球的引力作用不断(bdun)下落，绕地球转动，而不是沿切线方向飞走脱离地球。 引力不应只存在于天体之间，以及地球与地球上的物体之间。牛顿推断，引力是普遍存在的，宇宙中的每一对物体之间都有这种力作用着，称为万有引力。 第68页/共85页第六十八页，共85页。(2)万有引力(wn yu ynl)公式的建立 任意两个物体之间存在着万有引力(wn yu ynl)，其方向沿着它们的连线，其大小与它们的质量的乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比。 其中引力常量2211/1067. 6kgmNG221rmmGF 第69页/共85页第六十九页，共85页。(3)引力常量的测得 引力常数G的测定是1798年由卡文迪许利用扭秤实验(shyn)测得。 此实验(shyn)也被评为历史上“最美丽”的十大实验(shyn)之一。 卡文迪许的测量值：2211/10754. 6kgmNG第70页/共85页第七十页，共85页。第71页/共85页第七十一页，共85页。卡文迪许扭秤实验开创了微小量测量(cling)的先河，使科学放大思想得到推广。第72页/共85页第七十二页，共85页。(4)理论预言的实践检验(jinyn) 哈雷彗星和海王星的发现第73页/共85页第七十三页，共85页。 (5)重力 通常把地球对地面附近物体的万有引力叫做重力，其方向指向地心（竖直(sh zh)向下）。 任何物体在重力作用下都具有重力加速度 设地球质量为 ，半径为R，物体质量为m，则有 通常取其大小为2/8 . 9sm2RGmgE22RGmmRmmGEEEmmgW 第74页/共85页第七十四页，共85页。2. 弹性力 两物体相互接触而挤压发生形变，物体要恢复原状而产生的力叫做弹性力。 常见的有：正压力、支持力、绳的张力、弹簧弹性力 弹簧弹性力遵守胡克定律(h k dn l) ，负号表示力的方向与形变相反kxf第75页/共85页第七十五页，共85页。NNmgmgTxOf第76页/共85页第七十六页，共85页。3.摩擦力 摩擦力是相互接触的物体做相对运动、或有相对运动的趋势时产生的阻碍相对运动的力，其方向(fngxing)总是沿着接触面的切线方向(fngxing)。 静摩擦力：有相对滑动的趋势但尚未相对滑动 最大静摩擦力 滑动摩擦力：发生相对滑动Nfm00Nf第77页/共85页第七十七页，共85页。4.流体阻力 通常，当物体速度不太大时，流体的阻力大小与物体的速率(sl)成正比 式中 为比例系数，与物体形状、大小、流体性质等有关vF第78页/共85页第七十八页，共85页。 四、牛顿的科学思想方法 牛顿在他的自然哲学的数学原理中提出了四条“哲学中的推理法则”，可以概括(giku)为简单性原理、因果性原理、统一性原理和真理性原理。 简单性原理源于古希腊毕达哥拉斯学派，从哥白尼、开普勒、伽利略到牛顿，他们的研究中都贯穿着自然界的简单和谐的思想。第79页/共85页第七十九页，共85页。 因果性原理，其实质是决定论。 拉普拉斯说：“所有事件，即使是那些由于其无足轻重、看起来似乎不遵循伟大的自然法则的事件，都确实是这些法则的结果，就像日出日落是自然法则的结果那样不容置疑。所以，我们必须把宇宙的现状看成是以前状态的结果，又把它看成是它未来状态的原因。如果有一个智慧生物，他在一个给定的时刻知道自然界中一切(yqi)作用力和宇宙中每个物体的位置，又有一副足够大的大脑能够完成一切(yqi)必需的计算，没有什么东西是不确定的，未来就像过去一样是一本打开的书。” 第80页/共85页第八十页，共85页。 统一性原理即承认(chngrn)物质世界所共有的物质性，寻找表面上不同事物的普遍属性，认识到它们的统一性。 例如经典物理的四次大综合，力的大统一理论 真理性原理就是承认(chngrn)客观真理的存在，也承认(chngrn)人的认识过程是从相对真理向绝对真理逼近的无限发展过程。第81页/共85页第八十一页，共85页。 牛顿还使用了归纳-演绎的研究方法。归纳法：从实验出发，由特殊到一般(ybn) 演绎法：以理论为主，由一般(ybn)到特殊 牛顿把两种方法结合起来了，这是他在科学方法上的重大贡献，也是牛顿哲学思想的体现。第82页/共85页第八十二页，共85页。 五、经典力学的局限 当物体运动速率很高时（接近光速），所描写的体系很小时（微观体系），所描述的物质系统(xtng)很大、或引力很强时，牛顿的万有引力、运动定律和牛顿的时空观就不完全正确了，将由新的理论来代替。第83页/共85页第八十三页，共85页。 另外，牛顿的机械决定论也是有适用范围的。 直到19世纪末，绝大部分的物理学家(w l xu ji)对这种机械观都顶礼膜拜，只有极少数的物理学家(w l xu ji)敢站出来说不。 机械观面临的真正挑战来自20世纪初新的实验事实，而后由爱因斯坦等人给我们带来一种全新的世界观。第84页/共85页第八十四页，共85页。感谢您的观看(gunkn)！第85页/共85页第八十五页，共85页。