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1、第一篇 绪 论,一 . 为什么要学习“大学物理”？,物理学: 研究物质世界的基本结构、基本相互作用和最普遍的运动规律。 是一切自然科学和工程技术的基础。,物理书都充满了复杂的数学公式。可是思想及理念，而非公式，才是每一物理理论的开端。爱因斯坦物理学的进化,定位： 不仅仅是为后续课服务 不仅仅是为专业服务 立足于提高自身科学素质，有益于终身学习和发展,为什么要提高工科学生的科学（物理）素质？,根本原因：物理学与工程技术的关系,二.学什么？,1.学习物理知识要注意整体性、发展性和迁移性。,物理学的基本框架,分支学科：激光物理，半导体物理，原子物理，核物理 交叉学科：生物物理，量子化学，地球物理，海
2、洋物理,力学的总框架,力学,运动学,动力学,牛顿定律,守恒定律,动量守恒定律,机械能守恒定律,角动量守恒定律,运动学研究物体位置随时间变化的规律 主要内容有： 三个概念： 参考系、坐标系、质点 四个物理量：位置矢量、位移、速度、加速度 四种运动： 直线运动、曲线运动、斜抛运动、圆周运动,第一章,质点运动的基本规律,本章首先借助矢量语言对质点的运动给予简洁而完备的描述，建立运动学方程，并求解运动学方程；然后引入运动的相对性，最终解决运动学中的两类问题；最后简略介绍牛顿三定律及其应用。,一、 物理模型质点,可以将物体简化为质点的两种情况：,1-1 质点、参考系、时间与空间,二、运动的绝对性和相对性
3、,1、运动是绝对的：任何物体任何时刻都在不停地运动着,2、运动又是相对的：运动的描述是相对其他物体而言的,为了描述一个物体的运动，必须选择另一个物体作为参考，被选作参考的物体称为参照系。,三、参考系,为了定量地确定物体的运动，须在参照系上选用一个坐标系。,坐标系,常见的坐标系： 直角坐标系，极坐标系，柱坐标系，球坐标系，自然坐标系，,选择合适的参考系，以方便确定物体的运动性质； 建立恰当的坐标系，以定量描述物体的运动； 提出准确的物理模型，以突出问题中最基本的运动规律。,一. 描述质点运动的四个物理量,1.位置矢量 （单位 米）,位置矢量（位矢）：,运动方程：,1-2描述质点运动的物理量,基本
4、概念 从原点O到质点所在的位置P点的有向线段，叫做位置矢量或位矢。,随时间变化的函数 称为质点的运动方程。,质点的运动方程,定义 把由始点到终点的有向线段定义为质点的位移矢量，简称位移。它是描述质点位置变化的物理量。,2.位移 （单位 米）,P点坐标(x,y,z),P点矢径 方向,P点矢径 大小,直角坐标系,注意,s 为路程(轨道长度)，是标量,a ) 为标量， 为矢量,b ),解：(1) 先写参数方程,消去 t 得轨迹方程：,质点的运动轨迹为抛物线,(2) 位置矢量：t=0时，x=0 y = 2t=2时，x=4 y = -2,位置矢量的大小：,位置矢量的方向：,（3）0-2s内的位移,位移的
5、方向：,平均速度：,3.速度 （单位 米每秒）,速度描述质点位置变化快慢的物理量,精确描述,速度是位矢对时间的一阶导数，其方向沿轨道上质点所在处的切线，指向前进的一侧。 注意速度的矢量性和瞬时性。,速度大小,直角坐标系中,瞬时速度,平均速度,平均速率,瞬时速率,速率,加速度是速度对时间的一阶导数或位矢对时间的二阶导数,4.加速度（单位：米/秒2）,平均加速度,瞬时加速度,加速度大小,任意曲线运动都可以视为沿x,y,z轴的三个各自独立的直线运动的叠加（矢量加法）。 运动的独立性原理或运动叠加原理,直角坐标系中,加速度,注意,四个量都是矢量，有大小和方向 加减运算遵循平行四边形法则,不同参照系中，
6、同一质点运动描述不同 不同坐标系中，具体表达形式不同,1、平面曲线运动,方向描述,作相互垂直的单位矢量,切向单位矢量,法向单位矢量,指向轨道的凹侧,指向物体运动方向,切向加速度,法向加速度,自然坐标系中,1-3描述质点运动的坐标系,法向加速度、反映速度方向变化， v变时不是常量。,切向加速度、反映速度大小变化， 一般不为常量；,加速度总是指向曲线的凹侧,圆周运动中的切向加速度和法向加速度,曲率半径是恒量,匀速圆周运动,向心加速度,2、圆周运动,自然坐标系中,圆周运动的角量描述,极坐标系中,角速度,角加速度,单位：rad/s,单位：rad/s2,一般圆周运动,四、运动学中的两类问题,1、已知运动
7、方程，求速度、加速度,2、已知加速度和初始条件，求速度和运动方程,特别指出,例1：一质点运动轨迹为抛物线,求：x= -4m时（t0) 质点的速度、速率、 加速度。,解：,例2.一质点沿x轴作直线运动，其位置坐标与时间的 关系为 x=10+8t-4t2,求： （1）质点在第一秒第二秒内的平均速度。 （2）质点在t=0、1、2秒时的速度。,解：,代入 t = 0 , 1 , 2 得：,例3.一质点由静止开始作直线运动，初始加速度为a0，以后加速度均匀增加，每经过秒增加a0，求经过 t 秒后质点的速度和运动的距离。,(直线运动中可用标量代替矢量）,解：据题意知，加速度和时间的关系为：,例4距海岸（视
8、为直线）h=500米处有一艘静止的船A，船上的探照灯以每分钟1转的转速旋转，当光束与岸边成 时，光点沿岸边移动速度多大？,解：首先建立 P 的运动方程 x(t),又解：,一、运动描述具有相对性,车上的人观察,地面上的人观察,1-5 相对运动,运动是相对的 静止参考系、运动参考系也是相对的,1、位矢变换关系,二、绝对运动、牵连运动、相对运动,位移变换关系,2、速度变换关系,由牛顿的绝对时间的概念,故,3、加速度的变换关系,绝对 加速度,相对 加速度,牵连 加速度,1.河水自西向东流动，速度为10 km/h,一轮船在水中航行，船相对于河水的航向为北偏西30o,航速为20km/h。此时风向为正西，风
9、速为10km/h。试求在船上观察到的风的速度。,解：设水用S；风用F；船用C；岸用D,例题,方向为南偏西30o。,2.一男孩乘坐一铁路平板车，在平直铁路上匀加速行驶，其加速度为a，他沿车前进的斜上方抛出一球，设抛球时对车的加速度的影响可以忽略，如果使他不必移动他在车中的位置就能接住球，则抛出的方向与竖直方向的夹角应为多大？,解：抛出后车的位移：,球的位移：,小孩接住球的条件为：x1=x2; y=0,两式相比得：,自然和自然规律隐藏在黑暗之中， 上帝说“让牛顿降生吧”， 一切就有了光明； 但是，光明并不久长，魔鬼又出现了， 上帝咆哮说：“让爱因斯坦降生吧”， 就恢复到现在这个样子。,第二章 质点
10、动力学基础牛顿运动定律及其应用,三百年前，牛顿站在巨人的肩膀上， 建立了动力学三大定律和万有引力定律。 其实，没有后者，就不能充分显示前者 的光辉。海王星的发现，把牛顿力学推 上荣耀的顶峰。,魔鬼的乌云并没有把牛顿力学推跨， 她在更加坚实的基础上确立了自己的使 用范围。宇宙时代，给牛顿力学带来了 又一个繁花似锦的春天。,一、惯性定律 惯性参考系,1、惯性定律（Newton first law）任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，直到受到力的作用迫使它改变这种状态为止。,(2). 定义了惯性参考系,(1). 包含两个重要概念：惯性和力,问题,a=0时人和小球的状态符合牛顿定律,结论：牛顿定律
11、成立的参照系称为惯性系。相对惯性系作加速运动的参照系是非惯性系。而相对惯性系作匀速直线运动的参照系也是惯性系。,a0时人和小球的状态为什麽不符合牛顿定律？,2、惯性系与非惯性系,根据天文观察，以太阳系作为参照系研究行星运动时发现行星运动遵守牛顿定律，所以太阳系是一个惯性系。,二、牛顿第二定律（Newton second law）在受到外力作用时，物体所获得的加速度的大小与外力成正比，与物体的质量成反比；加速度的方向与外力的矢量和的方向相同。,2、迭加性：,特点：瞬时性；迭加性；矢量性；定量的量度了惯性,3、矢量性：具体运算时应写成分量式,直角坐标系中：,自然坐标系中：,4、定量的量度了惯性,惯
12、性质量：牛顿第二定律中的质量常被称为惯性质量,引力质量：,三、第三定律（Newton third law）两个物体之间对各自对方的相互作用总是相等的，而且指向相反的方向。,作用力与反作用力：,1、它们总是成对出现，它们之间一一对应。,2、它们分别作用在两个物体上，绝不是平衡力。,3、它们一定是属于同一性质的力。,四、牛顿定律的应用,例：质量为m的小球，在水中受的浮力为常力F，当它从静止开始沉降时，受到水的粘滞阻力为f=kv(k为常数），证明小球在水中竖直沉降的速度v与时间t的关系为,式中t为从沉降开始计算的时间,证明：取坐标，作受力图。,根据牛顿第二定律，有,初始条件：t=0 时 v=0,例2
13、、在倾角为 的圆锥体的侧面放一质量为m 的小物体，圆锥体以角速度绕竖直轴匀速转动。轴与物体间的距离为R，为了使物体能在锥体该处保持静止不动，物体与锥面间的静摩擦系数至少为多少？ 解：,对给定的、R 和，不能小于此值，否则最大静摩擦力不足以维持m在斜面上不动。,思考：1.绳上张力是否处处相等？,思考：2. 如何求系统内力？,水平面内法向运动方程：,地面观察者：物体水平方向不受力，所以静止在原处。 车里观察者：物体水平方向不受力，为什么产生了加速度？,地面观察者：物体水平方向受拉力，所以随小车加速前进。 车里观察者：物体水平方向受拉力，为什么静止在原处？,2-4非惯性系中的力学定律,牛顿定律在加速平动的参照系中不再成立。加速平动的参照系是非惯性系。,在惯性系中有：,在非惯性系中有：,ma0相当于一个附加的力，称为惯性力。,相对加速度a质点相对非惯性系的加速度； 绝对加速度a 质点相对惯性系的加速度； 牵连加速度a0 非惯性系相对惯性系的加速度。,惯性力：大小等于运动质点的质量与非惯性系加速度的乘积；方向与非惯性系加速度的方向相反。,
