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1、黄庆捷 山东大学信息学院 电话 13031717910 qjhuang 力学与分子物理学 1 物质世界 时间与空间是物质的最基本属性 物理学的发展史就是时间与空间研究的发展史 地心说 日心说 宇宙无心说 经典时空观 相对论时空观 物理学是研究自然界中物质的基本结构及基本运动规律的科学 是一切自然科学的基础 一 什么是物理学 空间尺度约150亿光年 宇宙 10 20m 夸克 时间尺度150亿年 宇宙年龄 10 27s 射线周期 速率范围0 静止 3 108m s 光速 2 物质的两种形态 a 实物 微观实物 电子 中子等 宏观实物 气 液 固等 宇观实物 日 月 星 辰等 b 场 电场 磁场 引
2、力场等 3 运动和相互作用是物质的普遍属性 万事万物都处在不停的运动和变化之中 运动是永恒的 其运动形式有a机械运动 b电磁运动 c分子热运动等 自然界中没有不发生相互作用的物质 有引力相互作用 电磁相互作用等 物体的运动和相互作用 构成了自然界形形色色的物质结构 物质形态和自然现象 量子物理学 经典物理学 天体物理学 物理学作为严格的 定量的自然科学的带头学科一直在科学技术的发展中发挥着极其重要的作用 物理与数学 数学是物理学不可缺少的工具 物理学为数学开辟了广阔的研究领域 物理学与化学 唇齿相依息息相关 例如原子壳层结构的建立 从本质上说明了元素化学性质周期性变化的规律性 物理学与生物学
3、为生命科学提供理论概念和方法 为生命科学提供现代化的实验手段 物理学与哲学 物理学的研究离不开哲学思想的指导 物理学的发展又促进了哲学的进步 二 物理学是自然学科的带头学科 三 物理学是科学技术的基础 第一次工业革命 工业的机械化 瓦特的蒸汽机 基础 牛顿力学和波尔兹曼等创立的热力学 第二次工业革命 工业的电气化 发电机 电动机 基础 法拉第与麦克斯韦等建立的电磁学 第三次工业革命 工业的自动化与核能的应用 计算机 光通讯 核弹 核能发电 基础 爱因斯坦的相对论 普朗克 波尔 等人创立的量子力学 第四次工业革命 纳米技术 基因工程 超导体应用 基础 现代物理学理论 1 核能技术 可控热核聚变能
4、的研究 将为解决21世纪能源问题开辟道路 2 超导技术 无耗损地传输电流的超导体 可以节约大量电能 高温超导的广泛应用 将导致一场伟大的工业革命 3 微电子技术 目前半导体器件已接近物理和技术上的极限 迫切要求物理学家从微结构的研究中创造出要求更高的器件 4 光电子技术 光通信 光全息 光计算等 具有容量大 抗干扰强 保密性高 低成本等优势 已成为国际高科技竞争的热点 四 物理学的基础研究在当前最引人注目的高技术如下 五 物理学的主要特点 1 物理学是一门实验科学 是观察 试验与科学思维的产物 2 物理学的基本结构 基本概念 基本定律 基本思想 基本方法 1 基本概念 是物理学的核心内容 如
5、速度 加速度 力 2 基本定律 是基本概念的本质联系 如 牛顿定律 守恒定律等 3 基本思想 是物理学家在建立概念和定律时所遵从的指导思想 如能量守恒 物质不灭等 是物理学的灵魂 4 基本方法 是物理学家在建立概念和定律时所使用的研究方法如实验分析法 归纳类比法等等 物理学的研究方法是科学素质的集中体现 是人类的共同财富 对所有的科学研究都有极好的借鉴意义 思维训练 利用各种思维方法将各知识点联成一个纵横交错 四通八达的网 x v a 功能定理 动能定理 机械能守恒 动量定理 角动量定理 转动定理 势能 质能定理 能量动量关系 质速关系 长度收缩 时间延缓 第一章 质点运动学 1 1参考系坐标
6、系质点 1 1 1参考系和坐标系 静止是相对的 运动是绝对的 地心学说被日心说取代 让人们明白 判断物体运动与否 首先要选择统一的物体作参考 即使是太阳 在银河系中其它恒星系统观察 仍然运动着的 银河系 指南针 参考系 描述物体运动时 被选作参考的物体 称为参考系 要定量描述物体的位置与运动情况 就要运用数学手段 采用固定在参考系上的坐标系 常用的坐标系有直角坐标系 x y z 极坐标系 球坐标系 R 柱坐标系 R z 1 1 2质点 物体 具有大小 形状 质量和内部结构的物质形态 一般情况下 物体各部分的运动不相同 在运动的过程中大小 形状可能改变 这使得运动问题变得复杂 某些情况下 物体的
7、大小 形状不起作用 或者起次要作用而可以忽略其影响 简化为质点模型 质点 具有一定质量没有大小或形状的理想物体 可以作为质点处理的物体的条件 大小和形状对运动没有影响或影响可以忽略 研究地球公转 地球上各点的公转速度相差很小 忽略地球自身尺寸的影响 作为质点处理 研究地球自转 地球上各点的速度相差很大 因此 地球自身的大小和形状不能忽略 这时不能作质点处理 除车轮外 汽车各部分运动情况完全相同 车轮的运动是次要的 此时可把汽车作为质点处理 研究汽车在平直道路上运动 涉及转动问题 汽车各部分运动情况不同 各个车轮受力差异很大 不能把汽车做质点处理 研究汽车突然刹车 前倾 或转弯 质点是从实际中抽
8、象出的理想模型 研究质点的运动是为了抓住事物的主要矛盾进行研究分析 时间与时刻 1 2质点运动的描述 1 2 1位置矢量位移 在坐标系中 用来确定质点所在位置的矢量 叫做位置矢量 位置矢量是从坐标原点指向质点所在位置的有向线段 o x y z P x y z 2 位移 位移反映质点位置变化的物理量 从初始位置指向末位置的有向线段 路程是质点经过实际路径的长度 路程是标量 S 1 2 2速度 速度是描述质点位置随时间变化的快慢和方向的物理量 平均速度 平均速率 平均速度是矢量 其方向与位移的方向相同 平均速率是标量 平均速度的大小并不等于平均速率 例如质点沿闭合路径运动 瞬时速度 当 t 0时
9、P2点向P1点无限靠近 方向 当时位移的极限方向 该位置的切线方向 指向质点前进的一侧 瞬时速度是矢量 直角坐标系中分量形式 大小 1 2 2加速度 加速度是描述质点速度的大小和方向随时间变化快慢的物理量 平均加速度 平均加速度是矢量 方向与速度增量的方向相同 瞬时加速度 与瞬时速度的定义相类似 瞬时加速速度是一个极限值 瞬时加速度简称加速度 它是矢量 在直角坐标系中用分量表示 加速度的方向就是时间 t趋近于零时 速度增量的极限方向 加速度与速度的方向一般不同 大小 加速度与速度的夹角为0 或180 质点做直线运动 加速度与速度的夹角等于90 质点做圆周运动 1 3直线运动 1 3 1直线运动
10、的运动方程 直线运动是当质点运动的轨道是一条直线的运动 x t O x x x t t t x t 直线运动的位移时间曲线 1 3 2直线运动中的速度 在x t图象上 v的量值就是在t时刻曲线的斜率 V 0表示质点向x轴正方向运动 V 0表示质点向x轴负方向运动 如果质点的速度v v t 已知 则可以通过积分 O t v t0 t 1 3 3直线运动中加速度 在v t图象上 a的量值就是在t时刻曲线的斜率 如果质点的速度a a t 已知 则可以通过积分 匀加速直线运动的加速度是常数 所以v t曲线是一条斜率为a的直线 如果t 0时 质点速率为v0 质点在时刻t的速率为 1 3 4匀加速直线运动
11、 假定t 0时 x x0 则 O t t v v0 匀加速直线运动的运动方程 这就是匀加速直线运动中质点的位移 速度和加速度之间的关系式 1 4圆周运动和抛体运动 1 4 1匀速圆周运动 A B S O A B C D 向心加速度a的方向与v垂直 指向圆心 三角形AOB和三角形CAD相似 A B S O A B C D 则 1 4 2变速圆周运动 A B S O A B C D E 1 4 3圆周运动角量表示 o x y R 逆时针为正 顺时针为负 质点做匀速圆周运动时 质点做匀加速圆周运动时 1 3抛体运动的矢量描述 任一曲线运动都可以分解成沿x y z三个各自独立的直线运动的叠加 运动的独立性原理 运动的叠加原理 平抛 水平方向 匀速运动 竖直方向 自由落体运动斜上抛 水平方向 匀速运动 竖直方向 竖直上抛运动 斜下抛 水平方向 匀速运动 竖直方向 竖直下抛运动 抛体运动 典型的匀加速运动 初始 特点 轨迹方程 1 5相对运动 O 对上式求一次导数
