大学物理 质点运动学.

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1、大学物理学 上海海事大学 大学物理学 上海海事大学物理教研室上海海事大学物理教研室 大学物理学大学物理学 大学物理学 绪绪 论论 大学物理学 绪论 一、物理学的研究对象 二、物理学的研究方法 三、物理学的学习方法 大学物理学 一、物理学的研究对象一、物理学的研究对象 研究物质的基本结构、基本相互作用和基本运动规 律。 物质 抽象物质实物物质 气体、液体、固体、 等离子体等 场等 大学物理学 二、物理学的研究方法二、物理学的研究方法 提出命题 推出答案 理论预言 实验检验 修改理论 大学物理学 三、物理学的学习方法三、物理学的学习方法 物理量的意义 物理公式、定律的来龙去脉， 适用范围，会正确应

2、用 量纲帮助理解 物理数据的合理性 大学物理学 教材结构和主线教材结构和主线 下册下册 粒子的热 运动规律 上册上册 质点运 动规律 刚体运 动规律 流体运 动规律 高速运 动规律 电磁运 动规律 粒子周 期运动 近代物 理基础 波动 光学 大学物理学 第一次工业革命 18世纪60年代开始 纺织：哈格里夫斯珍妮纺纱机（1765年 ）；骡机；水力织布机 力：瓦特改良蒸汽机（1785的） 交通运输：富尔顿汽船（美、1807年） ；史蒂芬孙火车机车（英、1814年） 大学物理学 第二次工业革命 19世纪70年代开始 1 电力的广泛应用：西门子发电机、爱迪 生电灯 2 内燃机和新交通工具的创制：卡尔本

3、茨 内燃机驱动的汽车、莱特兄弟飞机 3 新通讯手段的发明：贝尔电话、马可尼 无线电报 4 化学工业的建立：诺贝尔炸药 大学物理学 第三次工业革命 20世纪四五十年代开始 1. 以原子能技术（1945年美国原子弹爆炸、 1954年苏联第一座核电站建成） 2. 航天技术（1957年苏联第一颗人造卫星上天 、1981年美国第一架航天飞机升空） 3. 电子计算机的应用（1946年美国电子计算机 诞生等） 4. 人工合成材料、分子生物学和遗传工程（1972 年美国重组DNA生物基因工程首创成功）等高 新技术 第1篇 力 学 第1篇 力 学 力学力学(mechanics)(mechanics)研究对象研究

4、对象 宏观物体之间(或物体内各部分 之间)的相对位置(position)变动 力学 质点运动学 质点动力学 刚体力学基础 狭义相对论 机械运动 第1章 质点运动学 第1章 质点运动学 1-1 1-1 时间和空间 量纲 1-2 1-2 质点运动的描述 1-3 1-3 相对运动 质点运动学的任务：描述作机械运动的物体在空间 (space)的位置(position)随时间(time)变化的关系，不涉及 运动变化的原因。 1-1 时间与空间 量纲第1章 质点运动学 1-1 1-1 时间和空间 量纲 一、时间（一、时间（timetime）的计量）的计量 二、长度二、长度(length)的计量的计量 三、

5、国际单位制三、国际单位制(SI)(SI)与量纲与量纲 1-1 时间与空间 量纲第1章 质点运动学 一、时间的计量一、时间的计量 时间表征物质运动的持续性 1967年,第十三届国际计量 大会决定采用铯原子钟作为 时间基准, 定义1秒的长度等 于铯133原子基态两个超精细 能级之间跃迁相对应的辐射 周期的9 192 631 770倍。 an Atomic Clock 精度达10-12 10-13 共计跨越了43个数量级 物理学研究时间数量级 1-1 时间与空间 量纲第1章 质点运动学 二、长度二、长度(length)的计量的计量空间中二点间的距离 空间反映物质运动的广延性。 在三维空间里的位置可由

6、三个相互独立的坐标确定。 米(meter)的标准 1983年10月第十七届国际计量大会通过： 米是光在真空中1 / 299 792 458秒的时间间 隔内运行路程(distance)的长度。 共计跨越了42个数量级。 物理学研究长度数量级 1-1 时间与空间 量纲第1章 质点运动学 三、国际单位制三、国际单位制(SI)(SI)与量纲与量纲 基本物理量： 长度(length) L 米 m 时间(time) T 秒 s 质量(mass) M 千克 kg 电流(electricity) I 安培 A 热力学温度(thermodynamic temperature) 开尔文 K 物质的量(amount

7、 of substance) N 摩尔 mol 发光强度(luminous intensity) J 坎德拉 cd 导出量 ： 由基本物理量构成， 1960年，第十一届国际计量大会通过了国际单位制。 如速度 1-1 时间与空间 量纲第1章 质点运动学 用L、M和T分别表示长度、质量和时间三个基本量 的量纲，其他力学量Q的量纲与基本量量纲之间的关系 可按下列形式表达出来： 注：量纲相同的物理量才能相加减或用等号联接。 无量纲量可以有单位。如行星轨道周期变短的速 率其单位是秒/世纪，但无量纲。 无量纲的量常常有重要应用。 不考虑数字因素时，导出量(derived)与基本量(base)之 间的关系可

8、以用量纲(dimension)来表示。 其中p, q, s为量纲指数。如速度dimV = L T-1。 1-2 质点运动的描述第1章 质点运动学 1-2 1-2 质点运动的描述 一、质点一、质点(particle)(particle) 二、参考系和坐标系二、参考系和坐标系 三、位置矢量与运动方程三、位置矢量与运动方程 四、位移与路程四、位移与路程 五、速度五、速度(speed) 六、加速度六、加速度(acceleration) 七、运动学的两类问题七、运动学的两类问题 八、自然坐标系中的速度和加速度八、自然坐标系中的速度和加速度 九、圆周运动的角量描述九、圆周运动的角量描述 1-2 质点运动的

9、描述第1章 质点运动学 一、质点一、质点(particle)(particle) 定义：具有质量的几何点称质点。 满足以下条件的实物均可以抽象为一个质点： 物体上各点的运动情况 相同(平动) 。 研究问题中物体的形状 和大小可以忽略不计。 各点运动对总体运动影 响不大。 物体的线度和形状在所研究问题中可以忽略时， 这个物体可以被抽象为质点质点。 1-2 质点运动的描述第1章 质点运动学 描述物体运动具有相对性。 物体运动具有绝对性。 默认：地面参考系 二、二、参考系参考系和坐标系和坐标系 1. 参考系(frame of reference) 为了描述一个物体的 运动而选定的另一个作为参考的物体

10、。 注: 1:任何实物实物物体均可被 选作 参考系，任何形式的 场都不可选作参考系。 2：参考系不同，物体运 动性质可能被描述的不同。 1-2 质点运动的描述第1章 质点运动学 常见的坐标系常见的坐标系： 极坐标系 O 极轴 径向 角向 P(r,) 2. 坐标系(system of coordinates) 用以标定物体的空 z x y O P(x,y,z ) 直角坐标系 自然坐标系 O P(n, ) 球坐标系 P(r, , ) 注: 1：坐标系不会改 变物体运动的描述 结果。 2：选取合适的坐 标系可以使解析过 程快捷、方便。 数学抽象，是定量分析的工具。 间位置而设置的坐标系统，是固结于参

11、考系上的一个 1-2 质点运动的描述第1章 质点运动学 1. 位置矢量(矢径，位矢) (position vector)：从坐标原点O出发，指向质 点所在位置P 的一有向线段 描 述质点在空间的位置。 直角坐标系位矢表示为： 三、三、位置矢量位置矢量与运动方程与运动方程 P(x,y,z) z y x O k j i 单位矢量： 大小： 方向： 特性：特性：矢量性、 瞬时性、相对性 1-2 质点运动的描述第1章 质点运动学 矢量形式： 参数方程 ： 2. 运动方程(equation of motion): 质点运动时位置随时 间变化的规律。 x O z y P Qk j i 消去参数 t 质点运

12、动 轨迹方程 1-2 质点运动的描述第1章 质点运动学 解：(1) 先写参数方程： x P y 4 2 Q -2 O (2) 位置矢量： t = 0 时，x = 0 y = 2 t = 2 时，x = 4 y = -2 例例1-11-1.已知质点的运动方程 求：(1) 质点的轨迹。 (2) t = 0 及t = 2s 时，质点的位置矢量。 1-2 质点运动的描述第1章 质点运动学 位置矢量的大小： 位置矢量的方向： x P y 4 2 Q -2 O 1-2 质点运动的描述第1章 质点运动学 1. 位移(displacement) 在t 时间内，位矢的变化 量称为位移位移。 设质点作曲线运动，

13、t 时刻位于A点，位矢 t +t 时刻位于B点，位矢 四、四、位移位移与路程与路程 z y x O B A 即A到B的有向线段。 在直角坐标系中： k j i 1-2 质点运动的描述第1章 质点运动学 z y x O B A k j i 方向方向: : A A B B 大小大小: : 位移(矢量)：质点在某段时间内 ，始、末位置变动的总效果。 注注: : 1) 位移是矢量，满足平行四边形 法则。 2) 位移与实际经过的路径不同。 3) 矢量问题，标量解决。 三维分解 一维 “+”、“-”表示。 4) 位移具有相对性。 特性特性： 矢量性 相对性 1-2 质点运动的描述第1章 质点运动学 矢量变

14、化的大小。 s z y x O B A O 讨论讨论 ? 路程路程：质点通过的实际路径的长度，是标量，与运动轨迹有关。 何时取等号？ 2. 路程(path) 质点实际行程的长度(正标量)称为路程路程。 矢量大小的变化。 ？ 相等！ 位移位移：表示质点位置变化的效果，是矢量，只与始末位置点有关。 一般不相等！ 量变引起质变！ 1-2 质点运动的描述第1章 质点运动学 平均速度： 平均速度的方向与平均速度的方向与 t t时间内位移的方向一致时间内位移的方向一致。 五、速度五、速度(speed)-描述质点运动的快慢和方向。 z y x O B A 定义：单位时间内质点所发生的位移。 1. 平均速度(

15、mean speed) 设质点： 位移: 单位：ms-1 1-2 质点运动的描述第1章 质点运动学 2. 瞬时速度(速度) 能精细地描述 质点在某时刻的运动情况。 速度的方向为轨道上质点所在速度的方向为轨道上质点所在 处的切线方向。处的切线方向。 z y x O B A A B 速度的大小：速度的大小： 1-2 质点运动的描述第1章 质点运动学 3. 瞬时速率(速率)(velocity) 在 t 时间内，质点所经过路程 s 对时间的变化率。 平均速率：平均速率： 瞬时速率：瞬时速率： z y x O B A s 一般情况： 当t 0时: 速度特速度特性性：矢量性、瞬时性、相对性 速度与速率的关系：速度与速率的关系：速度是矢量，速率是标量。 1-2 质点运动的描述第1章 质点运动学 注意：瞬时速度与瞬时速率关系 当质