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1、绪 论,一、物理学与人类文明,1、在牛顿力学和万有引力定律的基础上发展起来的空间物理，能把宇宙飞船送上太空，使人类实现了飞天的梦想。也使中国人“九天揽月”成为可能。,神州六号发射瞬间,1,神州九号照片,2,哈勃空间望远镜：1990年4月25日由航天飞机发现者号送入太空。望远镜口径2.4米,总重12.5吨,研制历时13年,耗资21亿美元,空间轨道高度600公里。,3,哈勃太空望远镜所观察到的 离地球7000光年的巨鹰星云,4,人类登月,“嫦娥二号”于2010年10月1日在西昌卫星发射中心发射升空,1969年7月 人类第一次登月 阿波罗11号宇宙飞船,5,火星探测,美国“好奇号”火星探测器,6,2
2、、带电粒子在电场磁场中偏转的规律在科学技术中的应用。如：电视机显像管等。,电视机,电子枪,LED 显示屏,7,3、核物理的研究使放射线的应用成为可能。在医疗上的应用有：放疗、用于治疗肿瘤的伽玛刀、核磁共振等。,核磁共振,伽玛刀,8,重离子束治癌,兰州重离子加速器,9,4、20世纪初相对论和量子力学的建立，诞生了近代物理，开创了微电子技术的时代。如：半导体芯片、电子计算机等。,半导体芯片,中国超级计算机,10,5、20世纪60年代，激光器诞生。激光物理的进展使激光在制造业、医疗技术和国防工业中的得到了广泛的应用。如：大家熟悉的微机光盘就是用激光读的。,11,6、20世纪80年代高温超导体的研究取
3、得了重大突破，为超导体的实际应用开辟了道路。如：磁悬浮列车等。80年代，我国高温超导的研究走在世界的前列。,12,7、20世纪90年代发展起来的纳米技术，使人们可以按照自己的需要设计并重新排列原子或者原子团，使其具有人们希望的特性。,美国赖斯大学 “纳米车”，长4nm，还不到人头发丝直径的万分之一。每分钟能跑纳米 .,13,8、生命科学的发展也离不开物理学。脱氧核糖核酸（DNA）是存在于细胞核中的一种重要物质，它是储存和传递生命信息的物质基础。1953年生物学家沃森和物理学家克里克利用X射线衍射的方法在卡文迪许（著名实验物理学家）实验室成功地测定了DNA的双螺旋结构,威尔金斯、沃森和克里克分享
4、1962年诺贝尔生理学或医学奖。,DNA结构发现者英国科学家莫里斯.威尔金斯,DNA的双螺旋结构,14,航空母舰,无处不在的力学,中国航母“辽宁舰”,15,海洋石油钻井平台,16,赵州桥,17,杭州湾跨海大桥是一座横跨中国杭州湾海域的跨海大桥，它北起浙江嘉兴海盐郑家埭，南至宁波慈溪水路湾，全长36公里，是目前世界上最长的跨海大桥,18,万里长城,埃及金字塔 The Pyramids of Egypt,19,国家游泳中心的选定方案H2O3(“水立方”),由中国建筑工程总公司、澳大利亚PTW公司、澳大利亚ARUP公司组成的联合体设计的H2O3(“水立方”)，融建筑设计与结构设计于一体，设计新颖，结
5、构独特，与国家体育场比较协调，功能上完全满足2008年奥运会赛事要求，而且易于赛后运营。,20,飞机和火箭,波音787,波音797(概念机),21,什么是理论力学？,22,先看花样滑冰表演：,滑行的快慢和表演的动作花样有没有关系呢？,23,花样滑冰运动员一方面通过肢体语言表达感情。另一方面,更主要的是通过两臂的收缩与伸展来改变自身滑行的速度。,转动惯量,24,什么是理论力学,再看一下走钢丝的表演：,平衡杆为什么要设计得比较长？在走钢丝表演中起到什么作用？,以钢丝绳为转动轴，身体和长杆 组成的系统转动惯量大大增加.当表演者与长杆系统 的重心偏离钢丝绳时，由于转动惯量很大，身体偏离达到某个角度可控
6、制的临界角所用时间较长，表演 者有足够时间进行调整.这样，能较轻松地使身体偏 离的角度总在可控的范围内，安全系数大大提高.,25,PART A、什么是理论力学,起重机械,此处的配重应为多少?,26,什么是理论力学,1999年1月4日，四川綦(qi)江彩虹桥在一队武警经过的时候突然发生倒塌，造成40人死亡。,四川彩虹桥坍塌事故,27,PART A、什么是理论力学,四川綦江彩虹桥坍塌事故,事故原因,由于武警经过时齐步走造成的共振.,28,PART A、什么是理论力学,四川綦江彩虹桥坍塌事故,事故原因,桥体结构设计不合理 劣质工程材料,29,1940年11月7日，美国华盛顿州塔科马桥因风振致毁。这一
7、严重的桥梁事故，开始促使人们对悬索桥结构的空气动力稳定问题进行研究。该桥主跨长853.4m，全长1810.56m，桥宽11.9m，而梁高仅1.3m。通过两年时间的施工，于1940年7月1日建成通车。但由于当时人们对柔性结构在风作用下的动力响应的认识还不深入，该桥的加劲梁型式极不合理（板式钢梁），导致在中等风速(19m/s)下结构就发生破坏。幸好在桥梁破坏之前封闭了交通。据说，在出事当天，一位记者把车停在桥上，并把一条狗留在车内。桥倒塌时，只有他本人跑到了桥台处。当地的报纸以简洁的标题对这场事故作了报道，“损失：一座桥、一辆汽车、一条狗”。10年以后，才开始重新修建塔科马桥。仍采用悬索桥型式，但
8、加劲梁改为桁架式。新桥总长较旧桥长12m，于1950年10月14日建成通车。该桥破坏时，当地Tacoma报社的编辑Leonard Costsworth恰好路过，并用摄影机记录下一段珍贵的胶片。这才使得后人有机会一睹当年桥毁场面。,什么是理论力学,美国Tacoma大桥风毁,30,理论力学各种问题,自行车轮在运动过程呈何现象?,为什么现代跳高运动都采用背越式 ， 有人乘坐越高级的轿车为什么晕车越厉害？,31,现象： 自行车轮在运动过程呈何现象? 演示： 自行车轮在运动中, 为什么上半部轮辐模糊,下半部轮辐清晰. 分析： 运动学知识告诉我们,当自行车轮在运动中时,可作为刚体作平面运动来分析.车轮在滚
9、动过程中不打滑,可作为纯滚动处理.车轮与地面接触点速度为零,称为速度瞬心,以速度瞬心作车轮的速度分布图(见右图),可见车轮上半部速度大,下半部轮速度小. 速度大轮辐模糊,速度小轮辐清晰.,现象： 为什么现代跳高运动都采用背越式 演示： 背越式跳高 分析： 跳高运动中，人体可看成多体系统。运动员的跳高过程如忽略空气阻力，只考虑重力作用，那么质心运动轨道是一条抛物线，而身体各部分的相对运动改变不了抛物线的形状，那么初时起跳的条件决定了质心抛物线的轨迹和最高点的位置，这是与跳高高度有关的重要因素。背越式跳高，人背成弓形从杆上越过，这种姿势可能形成人从杆上过，而人体质心从杆下或杆中通过。因此，是一种比
10、较科学的跳高姿势。,32,现象： 有人乘坐越高级的轿车为什么晕车越厉害？ 演示： 坐车晕车 分析： 人体或人体的一些器官都是弹性质量系统，都具有固定频率。人体心脏的固有频率在，大脑在，胃在。如果我们周围存在这些频率的振动源，引起共振，那么我们人体一定会感到不舒服。人们的晕车晕船主要和身体体质有关外还和次声有关。次声的频率为.01的低频声波，这个频率范围与人体一些器官的固有频率处于同一频段。高级轿车避振系统很好，但次声段的低频振动很难控制。相对而言，次频振动反而大，易晕车人乘坐晕的越厉害。,33,什么是理论力学,以上的这些问题都可以用一门学科加以解释或解决，这就是,Theoretical Mec
11、hanics,理论力学,34,35,力学的分类,36,三、理论力学的研究对象,说明：理论力学是经典力学的一大部分，,理论力学：是研究宏观物体机械运动规律的一门学科。,机械运动：是物体在空间的位置随时间的变化。,经典力学的应用范围是：宏观、低速物体。,37,四、理论力学的研究方法,是从实践出发，经过抽象化、综合、归纳、建立公理，再应用数学演绎和逻辑推理而得到定理和结论，形成理论体系，然后再通过实践来验证理论的正确性。,38,1.阿基米德 Archimedes，约前287212 古希腊的阿基米德对杠杆平衡、物体重心位置、物体在水中受到的浮力等作了系统研究，确定它们的基本规律，初步奠定了静力学即平衡
12、理论的基础。,2.伽利略 Galileo Galilei，1564.2.151642.1.8 伽利略在实验研究和理论分析的基础上，最早阐明自由落体运动的规律，提出加速度的概念。,3.牛顿 Isaac Newton , 1643.1.4-1727.3.20 牛顿继承和发展前人的研究成果(特别是开普勒的行星运动三定律)，提出物体运动三定律。,4.阿尔伯特爱因斯坦 Albert Einstein, 1879.3.14-1955.4.18 相对论的创建人，对牛顿力学的诸多问题进行整改、修复和完善，开启了物理学的新纪元。,五、理论力学的发展史,39,六、理论力学教程的内容框架,40,41,理论力学与普通
13、物理力学的关系以及区别?,（1）研究对象一样，基本规律相同，但研究更系统 更深入。 （2）方法上不一样，不再从实验开始，而是将实验 规律用数学表述，从理论上进行推理，运算。 （3）分析力学以达朗伯原理为基础，以能量作为基 本量，建立的体系与近代物理更接近。（理论 力学与普通物理的力学不同点是：逻辑推理、 数学演绎更强。主要数学要求是：微积分和解常系数 微分方程。）,主要参考书目：,1 周衍柏.理论力学教程（第三版）,高教出版社,1986 2 管靖等.理论力学教程学习辅导书，高教出版社,1986 3 肖士珣.理论力学简明教程，人民教育出版社，1983 4 陈世民.理论力学简明教程, 高教出版社,
14、 2001 5 刘焕堂.理论力学原理与方法,厦大出版社,1997 6 胡慧玲等.理论力学基础教程,高教出版社,1986 7 卢圣治.理论力学基本教程，北师大出版社，2004 8 H.Goldstein, Classical Mechanics, 2-nd edition, Addison Wesley,1980,43,具体要求：,认真、独立完成作业，要保质保量； 按时交作业, 点名三次不到者不能参加期末课程考试；,关于课程的学习,44,翠鸟精神,45,有 志 者 事 竟 成,46,天 道 酬 勤,47,事半功倍,48,第一章 质点力学,1.1 运动的描述方法(绝对时空观),一、参照系与坐标系,
15、参照系,物质的运动是绝对的，运动的描述是相对的。为研究一个物体的运动必须事先选定另一个物体作为参照物，被选为参照物的物体就叫做参照系或参考系。, 参照物不同，对同一个物体运动的描述结果不同；, 观察者是站在参照系的观察点上；, 研究地面附近物体的运动选地球为参照系。,说明：,49,为了定量确定物体的空间位置，还必须在参考系上建立坐标系。如直角坐标系，平面极坐标系，自然坐标系，柱面坐标系和球坐标系。,3、质点及位置的描述,(1) 质点：理想模型，有一定质量的几何点（物体形状可忽略，物体作平动）。在研究物体的机械运动时，不考虑物体的大小和形状，而只计及其质量的力学模型就叫质点。,(2) 位置描述,
16、坐标描述：,直角坐标系:,坐标系,质点相对某参照系的 位置，可由位矢 确定,50,二、运动学方程及轨道,1、运动方程,平面极坐标系：,描述物体在参考空间中任一瞬时位置的数学表达式称为运动学方程。,运动学方程确定了质点在参考空间中任一瞬时的位置，并由此可进一步揭示质点运动的几何性质：轨迹、速度和加速度等。写出质点的运动学方程是研究质点运动的首要任务。一般常用的方程有,（1）矢量形式的运动学方程,51,（2）直角坐标形式的运动学方程,这是常用的运动学方程，尤其当质点的轨迹未知时。它是代数方程，运算容易。,（3）平面极坐标下的运动学方程,当质点在某平面上运动时，在任一瞬时，其位置也可用极坐标确定。,当质点运动时 是时间t的单值连续函数。此方程常用来进行理论推导。,52,（4）自然坐标形式的运动学方程,对运动轨迹已知的质点，常用此方程。用自然法研究运动，运算比较简便。,质点在参考空间中的位置还可用其它的方法确定，例如柱坐标法或球坐标法。通过坐标形式的方程(标量方程)表示质点的运
