大學物理普通物理學.ppt

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1、第一篇 力 學,經(jīng)典力學，研究力和機械運動的科學,力學發(fā)展史,阿基米德 (Archimedes, 約287212 B.C.),主要貢獻：,“理論天才與實驗天才合于一人的理想化身”,“假如給我一個支點，我就能推動地球?！?---古希臘物理學家、數(shù)學家,“能推動地球的人”,杠桿平衡、物體重心位置、浮力問題 --- 靜力學基礎,伽利略：(Galileo Galilei，1564-1642）,意大利物理學家、天文學家和哲學家,“實驗模型”思維方法成為至今實驗科學研究的基石,“哥倫布發(fā)現(xiàn)了新大陸，伽利略發(fā)現(xiàn)了新宇宙”,“近代科學之父”,主要貢獻：擺的定律、慣性定律、自由落體運動的規(guī)律、

2、加速度、拋體運動；相對性原理、天文望遠鏡,關于力學以及地上運動的兩個新學科中的對話和數(shù)學證明 ---------力學對話,第谷 (Tycho Brahe) (1546-1601) 天文學家,丹麥貴族，擁有王室天文臺，被稱為天文學泰斗、近代天文學始祖,二十年如一日精確測量和記錄了行星的運行軌道,第谷從不相信哥白尼體系，當他去世時，把畢生的天文觀測資料傳給了他的學生----德國天文學家開普勒（Johannes Kepler）。,Johannes Kepler (1571-1630),與第谷不同的是，開普勒堅信哥白尼的日心說，但他不能解釋為什么行星的圓周軌道與第谷的天文觀測結果不同。他相信老師的觀測

3、，更傾向于從理論上思考問題,最終，他放棄了自己七十余次“圓上加圓”的方法構造的火星軌道曲線，放棄了勻速圓周運動這個一向為人們所鐘愛的古老信念，建立了行星運動三定律。,我曾測量過天空， 而現(xiàn)在測量幽冥， 靈魂飛向天國， 肉體安息土中。 墓志銘，自撰,“天空立法者”,行星運動的三條定律,1.行星沿橢圓形軌道繞日運行，太陽在隨圓的一個焦點上。,2.行星和太陽之間的連線在相等時間內(nèi)掃過的橢圓的面積相等,3.行星繞日一周所需時間(公轉周期T)的平方，與其和太陽平均距離R的立方成正比,新天文學, 1609年,宇宙的和諧, 1619年,,牛 頓 :(Isaac Newton， 1642-1727),英國物

4、理學家、數(shù)學家,經(jīng)典力學之父,主要貢獻：,發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律,提出物體運動的三定律,---標志著力學開始成為一門科學,發(fā)表了自然哲學的數(shù)學原理（1686）,---從力學的基本概念(質(zhì)量、動量、慣性、力)和基本定律(三定律)出發(fā)，運用他所發(fā)明的微積分數(shù)學工具，不但從理論上論證了萬有引力定律，還建立了經(jīng)典動力學完整、嚴密的理論體系，把天體力學和地面上物體力學統(tǒng)一起來，實現(xiàn)了物理學的第一次大綜合。,牛頓的光色散實驗,反射望遠鏡,牛頓也有失誤，但牛頓的成就遠大于他的錯誤...,威明斯特修道院牛頓的墓碑：,nature of light,alchemy,minting money,Gravity law

5、s of motion,reflecting telescope,“他是人類真正的驕傲，讓我們?yōu)橹畾g呼吧”,光的本性: 波 還是粒子?,,,惠更斯 1629-1695,牛頓 1642-1727,但是光明并不長久，魔鬼又出現(xiàn)了， 上帝咆哮說， 讓愛因斯坦去吧， 一切又恢復到如今的樣子！,英國詩人蒲伯(Pope ， 1688-1744) 自然及其規(guī)律隱藏在黑暗中， 上帝說， 讓牛頓去吧， 于是一切都已明朗！,達朗貝爾(Jean Le Rond dAlembert,1717-1783)--法國物理學家、數(shù)學家和天文學家提出“達朗貝爾原理”,歐 拉：(Euler，17071783),建立了剛體和理想流

6、體的運動方程,瑞士物理學家和數(shù)學家,納維、柯西、泊松、斯托克斯等 ： 建立了彈性力學和流體力學基本方程,形成了經(jīng)典力學完整、嚴密的理論體系,第一章 力 和 運 動,研究可簡化為質(zhì)點的物體的運動規(guī)律及其運動規(guī)律與所受力之間的關系,本課程“力學”內(nèi)容：,剛體和流體力學（3章）,11 質(zhì)點運動的描述,！同一物體，對不同參照系，運動不同 ----運動描述的相對性。,一. 參照系,,??！可根據(jù)研究問題的方便，選不同參照系,參照系的數(shù)學抽象,常用：,直角坐標系,極坐標系,球坐標系,柱坐標系,自然坐標系,坐標系：,,,,（1）平動,,,,,,,,,物體可簡化為質(zhì)點的情況：,具有物體的全部質(zhì)量，而不考慮其大

7、小和形狀的理想體。,二. 質(zhì)點：,,,,太陽,地球,地球繞太陽公轉,,,,,,,,,,,,,,,,,,,（2）本身線度 << 其活動范圍,,,,,,,,,,,,,,,,,,,三. 運動的描述,----給出任意時刻質(zhì)點所在位置 運動快慢,表格法,曲線法,解析法 運動方程,四. 位置矢量（位矢） ：,(x,y,z),0,,---確定質(zhì)點空間位置,,在直角系中的分量表達式：,大小：,方向：,運動學方程----位置隨 t 變的函數(shù)式,空間運動,分量式：,平面運動,----矢量式,軌跡：運動質(zhì)點在空間經(jīng)過的路徑。,運動方程分量式中消去t得軌跡方程。,一段時間內(nèi)位置的增量,五. 位移,分量式：,質(zhì)點經(jīng)歷的

8、實際路徑長度,路程 ：,討論 ：,---矢量,S ---標量,且,特例：單向直線運動,, 與 不同：, 極限情況下 t=t2-t10,大?。?六. 速度,----位移隨時間的變化率,1.平均速度：,時間：,位移：,大?。?---軌道切向,,方向：,矢量,方向，,----速率,,2. 瞬時速度(速度)：,時 的極限值,定義平均速度：,在直角系中：,的大?。?----速率,速率 v 的兩種定義：,,,七.加速度,---速度隨時間的變化率,1.平均加速度：,2.瞬時加速度（加速度）,大?。?,方向：,沿,矢量,，一般與 方向不同,,在直角系中,八. 質(zhì)點運動學的兩類問題,1.已知 ，求 、

9、、 微分問題,2.已知 和初始條件（t=0時 、 ） 求 、 積分問題,由,兩邊取定積分：,得,或, a=a(t),一維情況：,由,得,積分：,或,a=a(v),由,得,積分：,得,a=a( x),由,得,積分：,得,三維情況：,三個相互垂直方向的一維運動的矢量和,例1：一質(zhì)點在（X,Y）平面內(nèi)運動， 運動方程為：,求: （1）質(zhì)點的軌道； （2）在最初2S內(nèi)質(zhì)點的位移和平均速度； （3）在第2S時質(zhì)點的速度和加速度。,解：（1）運動方程的分量形式：,兩式聯(lián)立消去 t ，得軌道方程：,（2）在最初2S內(nèi)質(zhì)點的位移：,在最初2S內(nèi)質(zhì)點的平均速度：,（3）在第2S時質(zhì)點的速度和加速度：,

10、例2：已知一質(zhì)點沿x軸運動，加速度為：,求：質(zhì)點的運動方程。,解：,且 時,分離變量,兩邊積分,質(zhì)點的運動方程：,得,3.一類特殊的微分問題：,O,,兩邊對 t 求導：,而,問題：,小船作的是加速還是減速運動？,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,o,,,S(t),,,,--沿速度方向的單位矢量,-- 沿內(nèi)法向的單位矢量,一. 自然坐標系的選?。? 取軌道上任一點為坐標原點；,質(zhì)點的位置由軌道長度S(t) 確定；,坐標軸選在運動的質(zhì)點上。,1-2 圓周運動和一般曲線運動, 位置：,速度：,二.自然坐標系中圓周運動的描述,加速度:,----法向加速度,改變速度方向,----切向加速度,改

11、變速度大小,三. 任意曲線運動：, --曲線上任意點 的曲率半徑,,,,,,,,四. 圓周運動的角量描述,----角位置,----角位移,----角速度,----角加速度,特例：,勻速圓周運動：,勻變速圓周運動：,角量的單位：,在 SI 制中，,五. 線量與角量的關系：,,,,例3：一曲柄連桿機構，OA=r , AB=l ,當A點以勻 角速繞O轉動時, 求點B(活塞)的運動方程.,解: 選坐標系如圖,并設t=0時, A在坐標軸上的P點,此時,B點位置坐標:,x0=r+l,任意時刻t, B點轉過角度: =t,B點坐標:,----以O為原點B的運動方程, P,,當 時,,又,代入, 可得,

12、,六.拋體運動的矢量描述,,,1 3 相對運動 力學的相對性原理 常見力和基本力,一質(zhì)點在空間運動，在兩有相對運動的參照系K、K 中觀察，其運動方程、速度、加速度分別為：,一. 相對運動,：K 相對K的 牽連坐標,空間測量的絕對性,,: K測得的質(zhì)點速度---絕對速度,: K 測得的質(zhì)點速度---相對速度,: K 相對K速度---牽連速度,,,二. 伽利略變換,坐標變換,特殊地, 當兩系相對眼x軸勻速運動時,,速度、加速度變換:,三. 經(jīng)典力學時空觀 力學的相對性原理,絕對空間：,K,K,----長度測量與參照系無關 絕對長度,絕對時間:,絕對質(zhì)量:,,--時間測量與參照系無關.,一切彼此

13、作勻速直線運動的慣性系，對于描寫機械運動的力學規(guī)律都是完全的等價的。,----力學的相對性原理,1.重力：,,,,2.萬有引力：,四. 常見力,2.分子力和彈力：,---原子間的作用,半經(jīng)驗公式：,,----胡克定律,,x---形變量,3.摩擦力--固體間的摩擦,,,時,靜摩擦力：,最大靜摩擦力：,：靜摩擦系數(shù),時，,滑動摩擦力：,--滑動摩擦系數(shù),,,,摩擦力的起因 ？？,濕摩擦：---流體的阻力,如：飛機飛行時受阻力:,流體中低速運動物體受阻力：,,經(jīng)驗公式,五. 基本自然力：,4.弱力：僅在粒子間的某些反應過程，如：衰變(短程力10-18m),3.強力：原子核結合力，(短程力<10-15m),2.電磁力：,1.萬有引力：,