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1、物理疑难知识剖析,理查德费恩曼（Feynman）,我最希望的是，让你们欣赏这个奇妙的 世界，并领会物理学家看待它的方式。我相 信，这些乃是现代的真正文化的主要部分。,1.什么是物理学,史蒂芬温伯格,物理学改变了我们对空间和时间、存在和认识的看法，也改变了我们描述自然的基本语言。,1.什么是物理学,1.什么是物理学,赵凯华:力学,物理学是探讨物质结构 和运动基本规律的学科。,第23届国际纯粹物理与应用物理联合大会指出：,物理学 研究物质、能量和它们的相互作用的学科。,1.什么是物理学,物理学研究的范围,空间尺度 10-15m (核子） 1026m（约137亿光年）（可观测宇宙） 时间尺度 10-
2、25s(Z0粒子寿命） 1018s（约137亿年）（宇宙年龄） 速度范围 0（静止） 3 108m/s（光速）,夸克1019米 原子核1015米 原子109米 细胞106米 DNA 103米,可观测宇宙 1026米 银河系1021米 太阳系1016米 地球107米 人 100米,微观,宏观,宇观,物理学的基本框架,经典物理学,力学（实物粒子）,电磁学（场）,热力学统计物理,相对论力学,量子力学,量子统计力学,相对论量子力学,相对论量子场论,激光物理、半导体物理、原子物理、核物理,生物物理、化学物理、地球物理、海洋物理,Carroll： 物理学家的工作就是构造世界的数学模型，然后用观测和实验验证
3、模型的预言。,物理学的特点,现代物理学的特点,物理学是一门理论和实验高度结合的精确的科学,提出命题,从观测、实验事实，或 从已有 原理,推测答案,建立模型，对现象作解释,理论预言,提出能为实验所证伪的预言,实验验证,理论最终都要以观测或实验事实为准则,修改理论,理论与实验事实不符:修改或推翻,科学是一种方法。它教导人们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了解到了什么程度，如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如何思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象 。,怎样学习物理,怎样学习物理,“物”物质世界,“理”普遍规律,知识、方法、科学观念,勤于思考，悟物穷理。 赵凯华,怎样学习
4、物理,时间、空间是什么，别人在很小的时候就搞清楚了，我智力发展迟缓，长大了还没有搞清楚，于是一直揣摩这个问题，结果也就比别人钻研得更深一些。 爱因斯坦,如果一个人掌握了他的学科基础理论，并且学会了独立思考与工作，他必定会找到自己的道路。,牛顿第一定律的表述 表述1：一切物体在没有受到外力的作用时，总保持 静止状态或匀速直线运动状态。 表述2：自由粒子永远保持静止或匀速直线运动的状态。,2.如何理解牛顿第一定律,牛顿第一定律：,（1）说明物体具有惯性,（2）确定了力的概念（定性定义）,注意：,基于经验，概括与推理，不能实验验证。,只成立于惯性系。,所涉及的物体都是质点。,2.如何理解牛顿第一定律
5、,问题1：牛顿第一定律是第二定律的特例（a=0）吗？,问题2：牛顿第一定律应当表述为物体在平衡力作用下 保持静止或匀速运动的状态。,问题3：由牛顿第一定律可知，转动物体存在转动惯性。,2.如何理解牛顿第一定律,如图，将一玻璃瓶装水后密封，平放在水平桌面上，在瓶的中部有一小气泡，处于静止状态。现用力突然将瓶向前推动一下，使其在桌面上向前运动一段距离后停止，则气泡相对于瓶的运动情况是 A.向前 B.向后 C.先向前，再向后，最终回到原来位置 D.先向后，再向前，最终回到原来位置,2.如何理解牛顿第一定律,春暖河开，冰面上一块石头逐渐下陷。有人说“冬天冰硬，冰面对石头的作用力等于石头的压力，石头不下
6、陷。春天冰面变软，它对石头的作用力达不到石头的压力，所以，石头下陷。”，这种解释对吗？,2.如何理解牛顿第一定律,重力 摩擦力 弹力 拉力 推力 电力 磁力 动力 阻力 压力 浮力 吸力 斥力 风力 水力 分子力 牵引力,3.力与力的分类,力的本质,万有引力,电磁力,强力相互作用力,弱力相互作用力,力的宏观性质,重力,摩擦力,弹力,电场力,力的作用效果,拉力,推力,压力,阻力,磁场力,浮力,力的来源,风力,水力,分子力,动力,重力：由于地球的吸引而使物体受到的力。,F,G,Fn,问题：重力与万有引力是否是一回事？,问题：弹力是电磁相互作用吗？,当物体发生形变时，物体中分子原子间的距离发生改变，
7、原子或分子间的电磁力就要反抗物体发生形变，这就形成了通常所说的弹力。,4.如何理解摩擦力,两个相互接触的物体，当它们做相对运动时，在接触面上会产生一种阻碍相对运动的力，这种力就叫摩擦力。,摩擦,湿摩擦（内摩擦）：液体内部的摩擦 或液体和固体的摩擦,干摩擦（外摩擦）：固体表面之间的摩擦,干摩擦：静摩擦、滑动摩擦、滚动摩擦,当物体有滑动趋势但尚未滑动时, 作用在物体上的摩擦力称为静摩擦力。,1. 静摩擦力,0是静摩擦系数。,静摩擦力的大小：0 f0 = 0 N,静摩擦力的大小由外力的大小决定,4.如何理解摩擦力,2. 滑动摩擦力,一个物体在另一个物体表面上滑动时,接触面上产生的摩擦力, 称为滑动摩
8、擦力。,f = N,：滑动摩擦系数, 它与接触面的质料、表面状况和相对速度有关,4.如何理解摩擦力,流体的阻力,物体在气体或液体中相对运动时，受到的阻力作用。 阻力大小：与流体的密度、粘滞性有关，还与运动物 体的速度、形状等因素有关。,球形物体在流体中的阻力： F=6 r v （斯托克斯公式）,速度较小时，F=k v,速度较大时，F=k v2,4.如何理解摩擦力,问题1：滑动摩擦力跟接触面积的大小是否有关？,实际接触面积属于原子尺度，它只占总的几何接触面积的一个极微小部分，而摩擦力的出现是由于在原子接触的这些微小区域内原子之间的相互作用力。原子接触面积占几何接触面积的比例，正比于法向力除以几何
9、接触面积。法向力增大一倍，原子接触面积也增大一倍，摩擦力也增大一倍。但如果几何接触面积增大一倍，而法向力不变，则原子接触面积占几何接触面积的比例减小一半，即原子接触面积的实际面积不变，因而摩擦力不变。,4.如何理解摩擦力,1.凹凸说,固体表面存在凹凸，两个表面的凹凸部分以彼此啮合的状态相接触，当两物体相对滑动时，必须顺着其凸部反复抬起，或者使凸部产生形变，于是便产生摩擦。,问题2：接触面越光滑摩擦力就越小吗？,4.如何理解摩擦力,2.黏合说,德萨古利埃的分子说： 产生摩擦的真正原因在于摩擦面的分子力的作用。,固体表面越光滑，表面更接近，分子力影响越大， 摩擦力就越大。,预言:只要把平面研磨得很
10、光滑，摩擦会增大的。,4.如何理解摩擦力,哈迪的实验验证：,2.黏合说,4.如何理解摩擦力,实验：充分研磨和洗净的玻璃表面实验 结论：充分研磨了的表面摩擦力大，而且，摩擦的 痕迹也扩大。,二接触面的凹凸部分主要是在凸部上以互压在一起状态相接触。二物体实际接触部分只为外观面积的几百分之一到几万分之一。即使表观压力不大（1N/cm2），在接触的凸部产生高达数百到数万N/cm2的压力，使凸部发生形变。表面的极薄的污染膜被破坏，发生二固体基质本身的黏合。这种黏合是分子原子力的表现。当二面相对运动时，黏合面被剪切而断裂，剪切力就是宏观表现的摩擦力。,2.黏合说,4.如何理解摩擦力,现代摩擦理论中，在因黏
11、合而导致的摩擦现象的解释中，表面的塑性变形有很大作用，而塑性变形又直接依赖于凹凸的大小。 除黏合说外，在极光滑表面摩擦机理解释中，还有静电作用。 由于分子力的电磁本性，摩擦力也是由电磁相互作用引起的。,4.如何理解摩擦力,4.如何理解摩擦力,F1,F2,f2,f1,4.如何理解摩擦力,当物体在支承面上有滑动时,受到滑动摩擦力： f = N，方向与滑动方向相反,vO= vC r 0,当：vO 0，O点向前滑，汽车刹车，f 向后,当：vO 0，O点向后滑，汽车打滑，f 向前,滚动物体的摩擦,4.如何理解摩擦力,滚动物体与支承面都是刚体，作纯滚动，受 到静摩擦力,f,f,4.如何理解摩擦力,f,f,
12、4.如何理解摩擦力,滚动摩擦力矩：M=N， 具有长度的量纲,N,vC,G,N,4.如何理解摩擦力,W=F s,5.如何理解功,问题1：功的大小依赖于参照系的选取吗？,5.如何理解功,功的大小依赖于参照系,动能大小也依赖于参照系,问题4：人由一楼匀速走到五楼，地面支持力对人是 否做功？,若脚与地面没有相对滑动 地面对人的摩擦力是静摩擦力,问题2：人跳起的过程中，地面支持力对人是否做功？,5.如何理解功,问题5：人走路过程中摩擦力做功吗？,问题3：人获得的机械能是通过什么力做功而获得的？,问题6：作用力的功等于反作用力的功吗？,f,s,f地对物：,f物对地：,做功,不做功,地面为参照物,例1：物块
13、在地面上滑动,5.如何理解功,F2对1,F2对1：做功0,F1对2：做功0,q1,q2,F1对2,若m1与m2不同，则W1与W2不同。,例2：两个同号电荷,问题5：作用力的功等于反作用力的功吗？,5.如何理解功,F人对车：做功0,F车对人：做功0,人与车始终保持接触，人与车在任何时间间隔通过路程相等。作用力与反作用力的功等大而异号。,问题5：作用力的功等于反作用力的功吗？,例3：人推车，地面参照物,作用力的功与反作用力的功不存在确定的关系。,5.如何理解功,6.电能是如何传输的？,解释：开关一接通，导线中的自由电子在电压的作用下流向负载，形成电流。在流动的电子达到负载时，负载就得到能量，亮了起
14、来。,问题：电磁能是怎样沿导线传输的？,金属导电的微观图像经典电子论,自由电子平均热运动速率：105m/s,自由电子漂移速率：10-4m/s,这种宏观上的漂移运动形成了宏观电流。,6.电能是如何传输的？,6.电能是如何传输的？,电磁能不是通过电流沿导线内部从电源传给负载，而是通过空间的电磁场从导体的侧面输入。,能量并非通过电子的流动，而是通过电磁场以光速传播传输的。,6.电能是如何传输的？,导线的作用，一方面是使电源有较大电流通过，从而提供较大能量；另一方面是引导电磁场，使电磁能沿着导线定向传播。,导线在电磁场的作用下产生电流和电荷分布，而电流和电荷又产生电磁场，从而在导线附近形成较强的电磁波
15、，能量正是通过这电磁波传输的。当电源一接通，传到灯泡的电磁波及时地推动灯丝中的自由电子运动，形成电流，所以，灯泡就立即亮了。,6.电能是如何传输的？,为什么天空看起来是蓝色的？,为什么旭日和夕阳是红色的？,为什么云是白的？,7.光的散射,瑞利散射：散射光强与4成反比 （散射体尺度小于光的波长）,米氏散射：散射光强与无关 （散射体尺度大于光的波长）,7.光的散射,为什么天空看起来是蓝色的？,大气散射：分子散射，悬浮尘埃,短波部分（蓝紫色）的散射比长波部分（红黄色）多得多（大约多7倍）,光波长10-5cm,那么，为什么天空不是紫色的？,7.光的散射,视见函数曲线,适暗性,适亮性,圆锥视神经细胞,圆柱视神经细胞,7.光的散射,为什么旭日和夕阳是红色的？,早晚阳光穿越更厚的大气层，大气散射更强烈。白光中的短波成分被更多散射掉，直射的日光中剩余较多的是长波部分（红色）。,7.光的散射,为什么云是白的？,云是由大气中的小水滴组成,产生的是米氏散射,7.光的散射,形成彩虹的条件,1.太阳必须在你的身后,2.你面前的天空必须有雨滴,3.阳光必须能够射入雨滴中,彩虹是怎么形成的？,8. 彩虹的形成,彩虹是怎么形成的？,8. 彩虹的形成,彩虹是怎么形成的？,8. 彩虹的形成,彩虹为什么弧状的，不是直线的？,谢 谢！,
