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1、University Physics,郑州大学基础物理教学中心 潘 志 峰 电话:15137196039 QQ: 176102768,一. 什么是物理学(Why and How to ?),物理学是研究物质世界最基本形态的科学,物理学研究的范围 物质世界的层次和数量级,物理学 (Physics),微观粒子 Microscopic,介观物质 mesoscopic,宏观物质 macroscopic,宇观物质 cosmological,绪 论,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
2、寸的层次,按空间尺度划分: 量子力学 经典物理学 宇宙物理学,按速率大小划分: 非相对论物理学 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,实验 物理,理论 物理,计算 物理,今日物理学,物理学的发展, 牛顿力学 (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, 热力学 (Thermodynamics) 研究物质热运动的统计规律及其宏观表现,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, 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
3、学 (Quantum mechanics) 研究微观物质运动现象以及基本运动规律,二.物理学的五大基本理论,物理学是一门最基本的科学;是最古老、但发展最快的科学;它提供最多、最基本的科学研究手段。,物理学是一切自然科学的基础,物理学派生出来的分支及交叉学科,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自然科学之中。,物理学与数学之间有着深刻的内在联系,粒 子 物 理 学,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
4、理 学,天 体 物 理 学,宇 宙 射 线 物 理 学,三. 物理学是构成自然科学的理论基础,四. 物理学与技术,20世纪,物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科, 热机的发明和使用,提供了第一种模式:, 电气化的进程,提供了第二种模式:,核能的利用,激光器的产生,层析成像技术(CT),超导电子技术, 粒子散射实验,X 射线的发现,受激辐射理论,低温超导微观理论,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
5、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, 1929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, ?,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, 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。, 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,“没有昨日的基础科学就没有今日的技术革命”。 李政道,量子力学,能带理论,人工设计材料,五. 物理学的方法和科学态度,提 出 命 题,推 测 答 案,理 论 预 言,实 验
6、 验 证,修 改 理 论,现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学,从新的观测事实或实验事实中提炼出来,或从已有原理中推演出来,建立模型;用已知原理对现象作定性解释,进行逻辑推理和数学演算,新的理论必须提出能够为实验所证伪的预言,一切物理理论最终都要以观测或实验事实为准则,当一个理论与实验事实不符时,它就面临着被修改或被推翻,六. 怎样学习物理学,物理学学习理念之一 爱因斯坦:“兴趣是最好的老师。”,既要理解物理学习的基础性,又要注意它的时代性和前沿性; 既要深入探知物理规律的内涵和意义,又要适当联系它在高新技术中的应用。感受物理学新颖、深刻、有用,从而提高学习物理的兴趣。,物理学习理念之
7、二 海森堡:“科学扎根于讨论。”,讨论是科学赖以生长、繁荣的土壤。讨论可以使学习深入,讨论能够激发创新的火花。,物理学习理念之三 李政道:“物理学的精髓在于创新。”,物理学是在不断探索、不断发现、不断创新中发展起来的,没有创新就没有今天的物理学。,著名物理学家爱因斯坦说:,七. 教材与参考书,大学物理学 张三慧 主编 清华大学出版社 大学物理学习指导 张孝林 主编 科学出版社 费曼物理学讲义,教 材:物理学 马文蔚 主编 高等教育出版社, 参考书:,R.P.Feynman (1918-1988) 美国物理学家, 诺贝尔物理奖获得者,本学期教学内容: 力学+电学,课前预习 :培养自学能力,(看第
8、一遍书) 听课:弄懂有疑问的部分,(记笔记),看书 : 进一步弄懂课堂讲授内容,(看第二遍书),辅导答疑:解决问题,加深对教材的理解。 总复习: 通读全书,将所学内容串为一体。(看第三遍书),做作业: 养成踏踏实实、一丝不苟良好习惯。,1. 掌握正确的学习方法,2、注意与中学物理的区别 标量 矢量;恒量为主 变量为主;定性分析 定量计算 3、打好数学基础 要想学好物理,必须有良好的数学知识作为基础。尤其要注意以下几个方面:坐标系的建立和使用;导数和积分的意义;标量积;矢量积。 4.纪律要求 不得无故旷课,不迟到、早退。,5.总评成绩: 期终考试,结合平时表现。,第1章 质点运动学,主要内容:,
9、1. 质点位置的确定方法,2. 质点的位移、速度和加速度,3. 圆周运动的角量描述 角量与线量的关系,4. 不同参考系中的速度和加速度变换定理简介,1.1 质点位置的确定方法,一. 质点运动学的基本概念,质点:有质量而无形状和大小的几何点。 突出了质量和位置,质点系: 若干质点的集合。,x,y,z,O,参照物,参考系:参照物 + 坐标系,(1) 运动学中参考系可任选。,参照物:用来描述物体运动而选作参考的物体或物体系。,P,(2) 参照物选定后,坐标系可任选。,(3) 常用坐标系,直角坐标系( x , y , z ) 球坐标系( r, ),柱坐标系( , , z ) 自然坐标系 ( s ),二
10、. 确定质点位置的常用方法,1. 直角坐标法 P(x, y, z),2. 位矢法,表示。,位矢的大小为:,位矢的方向用方向余弦表示,则有:,参考物,质点某时刻位置P (x, y, z) 由位矢,3. 自然坐标法,已知质点相对参考系的运动轨迹时,常用自然法。,4. 运动学方程(函数),直角坐标下,自然坐标下,已知运动学方程,可求质点运动轨迹、速度和加速度,意义:,一质点作匀速圆周运动,半径为 r ,角速度为 。,以圆心O 为原点。建立直角坐标系Oxy ,O 点为起始时刻,设t 时刻质点位于P(x , y),用直角坐标表示的质点运动学方程为,位矢表示为,自然坐标表示为,例,解,求,用直角坐标、位矢
11、、自然坐标表示的质点运动学方程。,求,解,h,x,坐标表示为,例,如图所示,以速度v 用绳跨一定滑轮拉湖面上的船,已知绳初长 l 0,岸高 h,取坐标系如图,依题意有,质点运动学的基本问题之一,是确定质点运动学方程。为正确写出质点运动学方程,先要选定参考系、坐标系,明确起始条件等,找出质点坐标随时间变化的函数关系。,O,船的运动方程,说明,1.2 质点的位移、速度和加速度,一. 位移,位移矢量反映了物体运动中位置 ( 距离与方位 ) 的变化。,讨论,(1) 位移是矢量(有大小,有方向),位移不同于路程,(2) 位移与参照系位置的变化无关,(3),与r 的区别,O,P,P,O,O,分清,二. 速
12、度,( 描述物体运动状态的物理量 ),1. 平均速度,O,2. 瞬时速度,A,B,B,讨论,(1) 速度的矢量性、瞬时性和相对性。,(2) 注意速度与速率的区别,三. 加速度,1. 平均加速度,2. 瞬时加速度,讨论,(1) 加速度反映速度的变化(大小和方向)情况。,A,B,O,(2) 加速度的方向总是指向轨迹曲线凹的一面。,结论:,1.3 用直角坐标表示位移、速度和加速度,一. 位移,x,y,z,O,时刻 t ,质点位于P ,位矢为,时刻 t +t ,质点位于 Q ,位矢为,时间 t 内质点的位移为,建如图所示坐标,则,二. 速度,1. 平均速度,2. 瞬时速度,速度的大小为,速度的方向用方
13、向余弦表示为,三. 加速度,大小为,方向用方向余弦表示为,四. 运动学的二类问题,1. 第一类问题,已知运动学方程,求,(1) t =1s 到 t =2s 质点的位移,(3) 轨迹方程,(2) t =2s 时,已知一质点运动方程,求,例,解,(1),(2),(3),当 t =2s 时,由运动方程得,轨迹方程为,解,已知,求,和运动方程,代入初始条件,代入初始条件,2. 第二类问题,已知加速度和初始条件,求,例, t =0 时,,由已知有,1.4 用自然坐标表示平面曲线运动中的速度和加速度,一. 速度,速度矢量在切线上的投影,二. 加速度,第一项:,方向为,意义:,第二项:,反映速度大小变化的快
14、慢,大小为,叫切向加速度,叫法向加速度,当,时,因而,法向加速度: 大小为,方向为,反映速度方向变化的快慢,意义:,加速度,曲率半径,一汽车在半径R=200 m 的圆弧形公路上行驶,其运动学方程为s =20t - 0.2 t 2 (SI) .,根据速度和加速度在自然坐标系中的表示形式,有,例,汽车在 t = 1 s 时的速度和加速度大小。,求,解,讨论,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,求抛体运动过程中的曲率半径?,如B 点,思考,已知质点运动方程为,求,之间的路程 。,例,解,质点运动速度为,速率为,路程有,已知质点的运动方程为,在自然坐标系中任意时刻的速度,解,例,求,将一根光滑的钢丝弯成一个竖直平面内的曲线,质点可沿钢丝向下滑动。已知质点运动的切向加速度为,g 为重力加速度, 为切向与水平方向的夹角.,由题意可知,从图中分析看出,例,质点在钢丝上各处的运动速度.,求,解,