大学物理西安交通大学.pptx

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1、University physics AP Fang方爱平理学院应用物理系办公电话：82663394 办公室：主楼E1111E-mail：大学物理网址：课件下载：“教学园地”姓名：学号 密码：学号第1页/共57页一、什么是物理学？物理学 研究物质世界中最基本形态和规律的科学 物理学研究范围 物质世界的层次和数量级Physics质子:类星体:空间尺度：物质结构物质相互作用物质运动规律微观粒子Microscopic介观物质mesoscopic宏观物质macroscopic宇观物质cosmological绪 论University physics AP Fang基本粒子寿命宇宙寿命时间尺度：第2页/

2、共57页E-15E-12E-09E-06E-031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小 的细胞原子原子核基本粒子DNA长度星系团银河系最近恒星的距离太阳系太阳山哈勃半径超星系团人蛇吞尾图形象地表示了物质空间尺寸的层次University physics AP Fang标准宇宙模型给出的宇宙起源与基本粒子标准模型给出的物质组成是一致的 第3页/共57页物理问题 按空间尺度划分：量子力学 经典物理学 宇宙物理学按运动速率大小划分：相对论物理学 非相对论物理学 按客体大小划分：微观系统 宏观系统 按运动速度划分：低速现象 高速现象 物理学的发展实验物理理论物

3、理计算物理Today PhysicsUniversity physics AP Fang第4页/共57页二、物理学中的主要基本理论是什么？牛顿力学（Newtonian mechanics）研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律 电磁学（Electromagnetism）研究电磁现象、物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律 热力学（Thermodynamics）研究物质热运动的统计规律及其宏观表现 相对论（Relativity）研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律 量子力学（Quantum mechanics）研究微观物质运动现象以及基本运动规律 结论：物理学是一门最基本的科学；是最

4、古老、但发展最快的科学；它提供最多、最基本的科学研究手段。University physics AP Fang第5页/共57页三、物理学构成所有自然科学的理论基础 物理学是一切自然科学的基础 物理学派生的分支：物理学构成了化学、生物学、材料科学、地球物理学等学科的基础，物理学的基本概念和技术被应用到所有的自然科学之中。物理学与数学之间的关系原子核物理学原子分子物理学固体物理学凝聚态物理学激光物理学等离子体物理学地球物理学生物物理学天体物理学电子物理学University physics AP Fang第6页/共57页四、物理学与技术二十世纪以来，物理学被公认为科技发展中最重要的带头学科 第一种

5、模式 热机的发明 第二种模式 电气化的发展核能的利用 激光器的产生 层析成像技术(CT)电子计算机技术 物理 技术物理技术 物理 粒子散射实验X 射线的发现受激辐射理论晶体管的发现University physics AP Fang第7页/共57页University physics AP Fang电子计算机的诞生 1947年 贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克来发明了晶体管，标志着信息时代的开始 1962年 发明了集成电路 70年代后期 出现了大规模集成电路 1925 26年 建立了量子力学 1926年 建立了费米狄拉克统计 1927年 建立了布洛赫波的理论 1928年 索末菲提出能带的猜想 1

6、929年 派尔斯提出禁带、空穴的概念 同年贝特提出了费米面的概念 1957年 皮帕得测量了第一个费米面第8页/共57页University physics AP Fang超晶格材料纳米材料光子晶体晶体管的发明大规模集成电路电子计算机信息技术与工程 当今物理学和科学技术的关系两 种 模 式 并 存，相 互 交 叉，相 互 促 进量子力学能带理论人工设计材料 几乎所有的重大新(高)技术领域的创立，事先都在物理学中经过长期的酝酿。“没有昨日的基础科学就没有今日的技术革命”。李政道第9页/共57页University physics AP Fang五、怎样学习物理学?著名物理学家费曼说：科学是一种方法

7、。它教导人们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了解到了什么程度，如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如何思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象。著名物理学家爱因斯坦说：发展独立思考和独立判断地一般能力，应当始终放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。第10页/共57页 学习的方法：从整体上逻辑地、协调地学习物理学，了解 物理学中各个分支之间的相互联系。University physics AP FangO取一

8、质量元切线方向对固定轴的力矩对所有质元合内力矩=0合外力矩 M刚体的转动惯量 J刚体绕定轴转动定律第11页/共57页 学习的关键：勤于思考悟物穷理University physics AP Fang经典理论解释氢原子的线状光谱遇到困难电子绕原子核做圆周运动辐射电磁波原子系统的能量逐渐减小不可能有稳定的原子原子光谱为连续的带状光谱第12页/共57页University physics AP Fang电子双缝干涉实验仅缝A打开仅缝B打开双缝同时打开时实际得到的干涉图电子源双缝同时打开时所想象的干涉图实物粒子具有粒子性实物粒子具有波动性矛矛 盾盾伴随实物粒子的波到底是什么样的波。第13页/共57页

9、学习的重点：物理模型 数学表述 研究方法与适用条件University physics AP Fangl不考虑分子的内部结构并忽略其大小标准状况下气体分子间平均距离已知液氮的密度 氮分子半径理想气体的微观模型理想气体的状态方程实际气体的状态方程第14页/共57页University physics AP Fang六、本学期的任务和要求 任务：经典力学狭义相对论电磁学 听课：信息量较大，进度较快，范围较宽 要求：抓住主线，注重分析，学会总结 阅读：大学物理 吴百诗 主编 科学出版社 大学物理学 张三慧 主编 清华大学出版社 费曼物理学讲义教 材：大学物理 吴百诗 主编 高等教育出版社 参考书：作

10、业：(两本 8.00元，中二楼3216)要求：独立完成，举一反三，一题多解，扎实练习 第15页/共57页University physics AP Fang 答疑时间安排：2-16周 周一至周四 晚 7:30 10:00地点：中二楼3224另每两周安排单独答疑一次：地点：主楼E1111，时间待定关于学生成绩评定办法1.平时成绩占总成绩10%:根据作业完成情况和随堂测验评定成绩（注意：按学校规定缺交作业1/3以上者，不能参加期末考试）。2.期中考试占总成绩10%3.期末考试占总成绩80%:题型及成绩分布：(1)选择题20分；(2)填空题30分；(3)计算及证明题50分第16页/共57页第一篇 经

11、典力学经典力学 物体机械运动现象与动力学规律 机械运动 物体相对于其他物体的位置随时间发生的变化，或物体内部的各部分的相对位置随时间发生的变化。物质运动最基本、最简单的运动形式 力学是物理学和许多工程技术学科的基础University physics AP Fang 质点运动学 质点动力学 刚体力学 运动规律的原因质点集合（质点系）刚体运动的基础第17页/共57页第一章 质点运动学预备知识：微积分，矢量代数，国际单位制（SI）1-1 质点运动学的基本概念一、质点 质点系 刚体 质点：无大小与形状的空间几何点 具有一定的质量 质点系 若干质点的集合体 对实际物体有条件的、合理的抽象描述理想模型二

12、、参照系 位置矢量1.参照系描述物体的相对性描述物体的近似性 刚体 大小、形状的变化可以忽略不计University physics AP Fang第18页/共57页 参照物：xyz0P参照物 选取的任意性，参照系：参照物+坐标系+时钟 极坐标系.2.位置矢量（Position Vector）运动的相对性 直角坐标系 自然坐标系P(t)xzyo直角坐标系方向：大小：University physics AP Fang第19页/共57页三、运动学方程(Equations of motion)P(t)xzyo时刻 1：时刻 2：直角坐标系：描述物体运动状态 运动叠加（合成）原理 确定物体运动轨迹

13、轨迹方程例：已知质点运动分析规律？解：质点做平面圆周运动物理意义University physics AP Fang第20页/共57页1-2 位移 速度 加速度一、位移（Displacement vector）x yzOPP 反映了物体运动中位置 （距离与方位）的变化。讨论：1.直角坐标系中2.位移与参照物位置的变化无关3.与的区别OOUniversity physics AP Fang第21页/共57页 4.自然坐标系OPQ s前提：质点相对参考系的运动轨迹已知路程5.位移是矢量（有大小，有方向）,路程是标量6.位移仅与始、终两点有关，而与运动的细节无关一质点以半径R 作匀速圆周运动，以圆心

14、为原点，半个周期内质点位移的大小 ，位矢大小的增量为 。例：University physics AP Fang第22页/共57页二、速度(描述质点位置变化快慢和方向的物理量)1.平均速度O(1)是矢量说明(3)由于位移与所起始时刻及间隔大小有关，所以谈到平均 速度时应指明哪一时刻所取哪段时间内的平均值。(4)位矢大小的变化对速度有贡献，位矢方向的变化同样对 速度有贡献。(5)它只能对时间 内质点位矢随时间变化的情况作一粗略描述。(2)直角坐标系University physics AP Fang第23页/共57页2.瞬时速度ABB 速度的性质：矢量性 瞬时性 相对性 速度与速率的区别B讨论：

15、直角系：University physics AP Fang第24页/共57页指向自然坐标正的一侧 自然坐标系：方向大小方向University physics AP Fang第25页/共57页例1：质点运动方程：求：1 轨迹方程2到内的3和时，质点的瞬时速度解：yxoUniversity physics AP Fang第26页/共57页例2:如图，杆以角速度绕定点匀速转动，端与重物用细绳连接，已知求:当时，的速度BMlACRr解：设 在t 时刻，运动学方程University physics AP Fang第27页/共57页思考:已知求 答案二：先求出 答案一：先求出你认为哪种方法是正确的？

16、Why?University physics AP Fang第28页/共57页三、加速度1.平均加速度2.瞬时加速度ABO它是描述速度矢量变化的物理量。变化：速度大小和方向随时间变化。说明(1)加速度反映速度的变化（大小和方向）情况。(2)加速度的方向总是指向轨迹曲线凹的一面。University physics AP Fang第29页/共57页(3)直角坐标系(4)自然坐标系第一项 大小方向切向加速度意义反映速度大小的变化University physics AP Fang第30页/共57页第二项法向加速度反映速度方向变化的快慢意义University physics AP Fang 匀速圆

17、周运动为例PQORs第31页/共57页讨论(1)在一般情况下其中 为曲率半径，引入曲率圆后，整条曲线就可看成是由许多不同曲率半径的圆弧所构成的方向指向曲率圆中心 University physics AP Fang第32页/共57页(2)自然坐标系与直角坐标系的关系当University physics AP Fang第33页/共57页思考题：抛体运动中的曲率半径？yxoBC对B 点：例1：如图示，求速度大小与时间的关系解：University physics AP Fang第34页/共57页例2:将光滑钢丝弯成一竖直平面内的曲线，一质点可沿钢丝向下滑动。已知，质点运动的切向加速度为g 重力加

18、速度，为切向与水平方向夹角求：yxOgdydsP解：由题意知University physics AP Fang第35页/共57页University physics AP Fang已知质点运动方程为求：之间的路程。例3：解：质点运动速度为速率为路程有第36页/共57页 圆周运动的角量描述以及角量与线量之间的关系 角位置（Angular position）与角位移当质点圆周运动的角位移规定：右手法则确定的正负取值 角速度（Angular velocity）当定义：质点作圆周运动的角速度描述质点转动速率和转动方向dPQooxPQy 质点的圆周运动方程三、圆周运动University physic

19、s AP Fang第37页/共57页 角加速度角加速度角速度对时间的一阶导数 注意：角加速度方向与角速度变化量的方向相同oPoPoP 角量与线量的关系PodUniversity physics AP Fang第38页/共57页 线位移与角位移的关系：速度与角速度的关系：大小：方向：由右手法则确定Pod 加速度与角加速度的关系：University physics AP Fang第39页/共57页例1：一质点作半径为的圆周运动，已知运动学方程为试求：1）当时，质点运动的切向加速度和法向加速2）当时，质点的加速度与半径成角？解：1）由已知条件，度以及加速度的大小?2）设时刻，质点的加速度与半径成角

20、，则University physics AP Fang第40页/共57页例1：一质点在水平面内以顺时针方向沿半径为道运动。此质点的角速度与运动时间的平方成正比，即 待定常数 已知质点末的线速度为，求时质点的线速度和线加速度？的圆形轨解：先确定常数University physics AP Fang第41页/共57页University physics AP Fang一质点沿半径为R 的圆周运动,运动学方程为:其中 都是常数,例2：解：求：(2)加速度的大小等于b 的时刻;(1)在t 时刻质点的加速度(3)加速度的大小等于b 时,质点沿圆周运行的圈数。(1)(2)(3)圈数为:第42页/共57

21、页1-3 质点运动学的两类问题 描述运动状态的物理量 描述运动状态变化的物理量（微分问题）（积分问题）例：初始条件University physics AP Fang第43页/共57页（1）第一类问题（微分问题）：由运动学方程，求例1：已知质点的运动学方程为常数，解：讨论：结果表征加速度与速度反方向。当求质点作减速运动，直至静止。根据运动学方程，质点速度随时间变化University physics AP Fang第44页/共57页例2：如图示求小船靠岸过程中的hxlxyou解：答案:？方法1 建立运动学方程答案1:直角坐标系 运动学方程University physics AP Fang第4

22、5页/共57页解：以坐标圆点做小船的位矢，确定位移，再根据速度定义求解方法2 矢量分析hxlo（2）第二类问题（积分问题）由 以质点的匀加速直线运动为引子：答案2:求运动方程（初始条件）University physics AP Fang第46页/共57页 v t 关系 x t 关系 v x 关系 University physics AP Fang第47页/共57页例3：，小船以速度轨迹?垂直流xyou水方向向对岸划去。求：小船的运动d解：直角坐标系中流速度为根据题意 由速度定义，可得：已知河宽为 d,河水流速为(k 为待定系数）University physics AP Fang第48页/

23、共57页小船的运动轨迹：yxou 典型的运动学第二类问题总结：1.对实际问题建立物理、数学模型2.根据题意，确定初始条件。University physics AP Fang第49页/共57页例4：一船平行于海岸线航行，离岸距离为速率为一快艇从港口出发，以解：发恰好追上？yxuovDP由此，得都是相对于地面的速度追击这条船。已知快艇应从哪一点出University physics AP Fang第50页/共57页1-4 不同参照系中速度和加速度的变换一、基本概念oPoxx y y绝对参照系s，(研究对象)三种运动相对运动：动点相对于动系的运动称为相对运动；相对位移；相对速度；相对加速度。二个参

24、照系一个动点相对参照系s 绝对运动：动点相对于定系的运动称为绝对运动；绝对位移；绝对速度；绝对加速度 牵连运动：动系相对于定系的运动称为牵连运动；牵连位移；牵连速度；牵连加速度 University physics AP Fang第51页/共57页S相对 S 平动，速度为 牵连位移 相对位移 绝对位移位移合成关系式二、相对位移（设两个相对平动的参照系）三、速度变换定理 加速度变换定理 速度变换关系：University physics AP Fang第52页/共57页 伽利略速度变换定理 加速度变换关系：注意：1.速度，加速度合成公式的矢量性。2.速度合成公式对任何形式的牵连运动（平动、转动）

25、都是成立的，而上面给出的加速度合成公式只对牵连运动为平动时成立，牵连运动为转动时，情况比较复杂。University physics AP Fang第53页/共57页例1：一个带篷子的卡车，当它停运动时，雨滴解：由速度变换关系，得画出矢量图画出矢量图车蓬高为路边时，雨滴可落入车内若它以恰好不能落入车中，求雨滴速度。hd在注意：1.确定三个速度和它们之间的矢量关系。2.适当画出矢量图，有助于分析问题。University physics AP Fang第54页/共57页升降机以加速度 1.22 m/s2 上升，有一螺母自升降机的天花板松落，天花板与升降机的底板相距 2.74m。haOxOx取螺母

26、刚松落为计时零点.三种加速度为:动点为螺母,取二个坐标系如图例2：解：螺母自天花板落到底板所需的时间.求：University physics AP Fang第55页/共57页例3：用枪瞄准攀伏在树上的猴子，随着枪响，受惊的猴子开始向下掉落,设空气阻力可以忽略不计。证明：不论子弹的初速度v0多大，都会击中自由下落的猴子。证：取地面为基本参考系，猴子为运动参考系。子弹为运动物体，则子弹的速度为:常矢量 子弹相对于猴子作匀速直线运动，只要初始被瞄准，不论子弹的初速度v0为多大，自由下落的猴子都会被击中。lsinlyxv0qoP(x0,y0)University physics AP Fang第56页/共57页感谢您的观看！第57页/共57页