第1章物理學和力學

1、上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.1發(fā)展著的物理學發(fā)展著的物理學1.2 物理學研究的方法物理學研究的方法1.3 時間和長度的測量時間和長度的測量1.4 單位制和量綱單位制和量綱1.5 數(shù)量級估計數(shù)量級估計1.6 參考系參考系坐標系與時間坐標軸坐標系與時間坐標軸1.7 力學力學學習物理學的開始學習物理學的開始上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 沒有今日的基礎(chǔ)科學沒有今日的基礎(chǔ)科學, 就沒有明日就沒有明日的科技應(yīng)用的科技應(yīng)用,

2、 可以想象可以想象, 我們現(xiàn)在的基我們現(xiàn)在的基礎(chǔ)科學將怎樣地影響礎(chǔ)科學將怎樣地影響21世紀的科技文世紀的科技文明明.李政道李政道 物理學屬于基礎(chǔ)科學范疇物理學屬于基礎(chǔ)科學范疇,是一門素質(zhì)課是一門素質(zhì)課,物理思物理思想和物理方法是一個科學工作者靈感之所在想和物理方法是一個科學工作者靈感之所在,基礎(chǔ)之基礎(chǔ)之所在所在.力學力學學習物理學的開始學習物理學的開始.上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.1發(fā)展著的物理學發(fā)展著的物理學1.1.1經(jīng)典物理學與現(xiàn)代物理學經(jīng)典物理學與現(xiàn)代物理學經(jīng)典物理學經(jīng)典物理學經(jīng)典力學經(jīng)典力學經(jīng)典熱力學經(jīng)典熱力學,經(jīng)典統(tǒng)計物理學經(jīng)典

3、統(tǒng)計物理學 經(jīng)典電磁學經(jīng)典電磁學現(xiàn)代物理學基礎(chǔ)現(xiàn)代物理學基礎(chǔ) 狹義相對論狹義相對論 量子力學量子力學廣義相對論廣義相對論 上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 牛頓牛頓開普勒開普勒伽利略伽利略 他們?yōu)榻?jīng)典力學的建立做出貢獻他們?yōu)榻?jīng)典力學的建立做出貢獻 上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 玻爾茲曼他們?yōu)榻?jīng)典熱力學統(tǒng)計他們?yōu)榻?jīng)典熱力學統(tǒng)計物理的建立做出貢獻物理的建立做出貢獻 上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 他們?yōu)榻?jīng)典電磁理論的建立做出貢獻他們?yōu)榻?jīng)典電磁理論的建立做出

4、貢獻 上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 X射線、電子、放射性的發(fā)現(xiàn)，物理學的射線、電子、放射性的發(fā)現(xiàn)，物理學的研究由宏觀轉(zhuǎn)向微觀研究由宏觀轉(zhuǎn)向微觀 . 倫琴發(fā)現(xiàn)倫琴發(fā)現(xiàn)X射線射線 J.J.Thomson發(fā)現(xiàn)電子發(fā)現(xiàn)電子A.H.Becquerel發(fā)現(xiàn)放射性發(fā)現(xiàn)放射性上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 愛因斯坦他們奠定他們奠定了現(xiàn)代物了現(xiàn)代物理學基礎(chǔ)理學基礎(chǔ) 上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.1.2 微觀世界微觀世界 1914年盧瑟福年盧瑟福發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn) 射線射線

5、, 射射線線,建立了原子建立了原子有核模型有核模型. 電子的發(fā)現(xiàn)，確認了原子是可分的，為探索原電子的發(fā)現(xiàn)，確認了原子是可分的，為探索原子結(jié)構(gòu)以及為探索更深層次的結(jié)構(gòu)開辟了道路子結(jié)構(gòu)以及為探索更深層次的結(jié)構(gòu)開辟了道路.上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 物質(zhì)是由輕子和夸克組成物質(zhì)是由輕子和夸克組成. 輕子有電子、輕子有電子、 子、子、 子、電子中微子、子、電子中微子、 子中微子中微子和子和 子中微子，每一種均有反粒子，共有子中微子，每一種均有反粒子，共有12種種. 夸克有夸克有6種味，即上夸克、下夸克、奇異夸克、粲種味，即上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸

6、克、底夸克和頂夸克夸克、底夸克和頂夸克.每種味又分紅、藍和綠每種味又分紅、藍和綠3種色種色. 粒子之間粒子之間有四種有四種基本相互作用：基本相互作用：引力相互作用、電引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用磁相互作用、弱相互作用和強相互作用. . 粒子之間粒子之間的的基基本相互作用是通過交換某種粒子來傳遞的，即基本相互本相互作用是通過交換某種粒子來傳遞的，即基本相互作用都是由媒介粒子傳遞的，這類媒介粒子統(tǒng)稱為規(guī)范作用都是由媒介粒子傳遞的，這類媒介粒子統(tǒng)稱為規(guī)范玻色子玻色子. . 電磁力以光子為媒介，弱力的媒介為電磁力以光子為媒介，弱力的媒介為Z0和和W粒子，粒子，強力的媒介有強力的媒

7、介有8種顏色的膠子種顏色的膠子.上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.1.3 宇宙的早期演化宇宙的早期演化 s 1043 s 1035 s 106 s 104 s 10min32 a10216 a1010K1032K1027K1013K1010K3000K7 . 2強子強子時代時代輕子輕子時代時代輻射時代輻射時代恒星恒星星系星系形成形成直至直至現(xiàn)在現(xiàn)在0上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.1.4 非線性系統(tǒng)的復(fù)雜行為非線性系統(tǒng)的復(fù)雜行為 一旦系統(tǒng)出現(xiàn)非線性一旦系統(tǒng)出現(xiàn)非線性,便可能呈現(xiàn)復(fù)雜行為便可能呈

8、現(xiàn)復(fù)雜行為.這種這種復(fù)雜行為有時會表現(xiàn)為規(guī)則的時空或功能有序復(fù)雜行為有時會表現(xiàn)為規(guī)則的時空或功能有序,有時也有時也會表現(xiàn)為貌似無序的序會表現(xiàn)為貌似無序的序.復(fù)雜行為不僅能發(fā)生于物理和復(fù)雜行為不僅能發(fā)生于物理和化學系統(tǒng)化學系統(tǒng),也能發(fā)生于生命和社會系統(tǒng)也能發(fā)生于生命和社會系統(tǒng).上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.2 物理學科的特點物理學科的特點一、物理學的研究方法和步驟一、物理學的研究方法和步驟 修改理論修改理論理論預(yù)言理論預(yù)言研究的步驟研究的步驟實驗檢驗實驗檢驗應(yīng)用應(yīng)用提出命題提出命題(觀測、實驗、目的、原理觀測、實驗、目的、原理)推測答案推測答

9、案(模型、定性、定量、假說模型、定性、定量、假說)二、物理學思維特點二、物理學思維特點敢于想像敢于想像善于歸納善于歸納創(chuàng)設(shè)模型創(chuàng)設(shè)模型上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 三、物理學與科學技術(shù)三、物理學與科學技術(shù)笫一次笫一次,開始于開始于18世紀世紀60年代年代,主要標志是蒸汽機的廣泛應(yīng)主要標志是蒸汽機的廣泛應(yīng)用用,它是牛頓力學和熱力學發(fā)展的結(jié)果它是牛頓力學和熱力學發(fā)展的結(jié)果.笫二次笫二次,開始于開始于19世紀世紀70年代年代,主要標志是電力的廣泛應(yīng)用主要標志是電力的廣泛應(yīng)用和無線電通訊的實現(xiàn)和無線電通訊的實現(xiàn),它是電磁學發(fā)展的結(jié)果它是電磁學發(fā)展的結(jié)果

10、.笫三次笫三次,開始于開始于20世紀世紀40年代的電腦、電信革命，也叫做年代的電腦、電信革命，也叫做“數(shù)字革命數(shù)字革命” . 它是近代物理學發(fā)展的結(jié)果它是近代物理學發(fā)展的結(jié)果.科學解決理論問題，技術(shù)解決實際問題科學解決理論問題，技術(shù)解決實際問題.發(fā)展模式發(fā)展模式技術(shù)物理技術(shù)技術(shù)物理技術(shù)物理技術(shù)物理物理技術(shù)物理第一次技術(shù)革命第一次技術(shù)革命第二次技術(shù)革命第二次技術(shù)革命上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 目前國際通用的時間單位是秒（目前國際通用的時間單位是秒（s）.為提高精度，為提高精度，1967年國際計量大會決定采用原子的躍遷輻射作為年國際計量大會決定采

11、用原子的躍遷輻射作為計時標準計時標準,并規(guī)定并規(guī)定銫銫-133原子基態(tài)的兩個超精細能原子基態(tài)的兩個超精細能級間躍遷相對應(yīng)的輻射的級間躍遷相對應(yīng)的輻射的9 192 631 770個周期的持個周期的持續(xù)時間作為續(xù)時間作為1s. 這樣的原子標準稱為原子時這樣的原子標準稱為原子時.1.3.1 時間的計量時間的計量 一切周期運動都可用來量度時間一切周期運動都可用來量度時間. 1.3 時間和長度的測量時間和長度的測量上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 可用物體來計量長度可用物體來計量長度.如古代測量長度常以人體的某如古代測量長度常以人體的某部分作為單位和標準部分

12、作為單位和標準. 近代的測量長度單位是在法國的近代的測量長度單位是在法國的米制單位發(fā)展起來的米制單位發(fā)展起來的規(guī)定通過巴黎的子午線的規(guī)定通過巴黎的子午線的1/(1107)為為1m(米米). 目前在國際單位制中長度的單位是米目前在國際單位制中長度的單位是米(m). 在在1983年國際計量大會規(guī)定年國際計量大會規(guī)定:“1m為光在真空中傳播為光在真空中傳播(1/299 792 458)s 時間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長度時間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長度”.1.3.2 長度的計量長度的計量 上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.4 單位制和量綱單位制和量綱 物理學中物理學

13、中,物理公式總是和一定的物理公式總是和一定的“單位制單位制”相聯(lián)相聯(lián)系系,“單位制單位制”就是各物理量間相互配套的一組單位就是各物理量間相互配套的一組單位.1.4.1 基本單位和導(dǎo)出單位基本單位和導(dǎo)出單位基本單位：基本單位：選定幾個物理量作為基本量選定幾個物理量作為基本量,人為地規(guī)定人為地規(guī)定 其單位，稱為基本單位制其單位，稱為基本單位制.導(dǎo)出單位：導(dǎo)出單位：從基本量導(dǎo)出的量稱為導(dǎo)出量，其單位是基從基本量導(dǎo)出的量稱為導(dǎo)出量，其單位是基 本單位的組合，稱為導(dǎo)出單位本單位的組合，稱為導(dǎo)出單位. 根據(jù)同一規(guī)律寫出的公式，采用的單位不同，公根據(jù)同一規(guī)律寫出的公式，采用的單位不同，公式中出現(xiàn)的因子不同式

14、中出現(xiàn)的因子不同 . 上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.4.2 國際單位制國際單位制(SI)基本量基本量:長度長度 質(zhì)量質(zhì)量 時間時間 電流電流 溫度溫度 物質(zhì)的量物質(zhì)的量 光強度光強度單單 位位: m kg s A K mol cd導(dǎo)出量導(dǎo)出量: 速度速度 加速度加速度 力力 動量動量 單單 位位: m/s m/s2 N kg m/s 輔助單位輔助單位: 平面角平面角 立體角立體角單單 位：位：rad sr（球面度）（球面度）輔助單位可以參與導(dǎo)出單位，如角速率輔助單位可以參與導(dǎo)出單位，如角速率 rad/sSI詞頭：詞頭：因為用很大單位測很小的

15、量或用很小單位測很因為用很大單位測很小的量或用很小單位測很大的量都不方便，為使單位大小相濟，適應(yīng)不同問題的大的量都不方便，為使單位大小相濟，適應(yīng)不同問題的需要，在需要，在SI中規(guī)定了中規(guī)定了“SI詞頭詞頭”. 如表如表1.3.上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.4.3 量綱式量綱式量綱：量綱：表示一個物理量由基本量的冪次組合的式子表示一個物理量由基本量的冪次組合的式子.基本量選定后基本量選定后,導(dǎo)出量的量綱可由基本量的量綱的組導(dǎo)出量的量綱可由基本量的量綱的組合而得合而得. 在國際單位制中在國際單位制中,表示力學量表示力學量A的量綱式為的量綱式為r

16、qpATMLdim 如：如： -1LT dim v2LTdim a2LMTdim F000TMLdim L為長度的量綱，為長度的量綱，M為質(zhì)量的量綱，為質(zhì)量的量綱， T為時間的量綱為時間的量綱.p、q、r 為量綱指數(shù)為量綱指數(shù) 1.量綱量綱速度的量綱速度的量綱 加速度的量綱加速度的量綱 力的量綱力的量綱 圓心角的量綱圓心角的量綱 上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 (3)為推導(dǎo)某些復(fù)雜公式提供線索為推導(dǎo)某些復(fù)雜公式提供線索.(1)用量綱檢查等式的正誤用量綱檢查等式的正誤. 因為只有量綱相同的量因為只有量綱相同的量才能彼此相等，所以等式兩邊的量的量綱必

17、須相同才能彼此相等，所以等式兩邊的量的量綱必須相同.(2)用量綱分析方程中比例系數(shù)的單位用量綱分析方程中比例系數(shù)的單位.2. 應(yīng)用應(yīng)用 上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.5 數(shù)量級估計數(shù)量級估計1.5.1 有效數(shù)字有效數(shù)字1.520 有四位有效數(shù)字有四位有效數(shù)字 567.23 有五位有效數(shù)字有五位有效數(shù)字1.35cm 有三位有效數(shù)字有三位有效數(shù)字 0.0135m有三位有效數(shù)字有三位有效數(shù)字1.0035 有五位有效數(shù)字有五位有效數(shù)字 1.000cm有四位有效數(shù)字有四位有效數(shù)字注意：注意：有效數(shù)字的位數(shù)與十進制單位的變換無關(guān)有效數(shù)字的位數(shù)與十進制單

18、位的變換無關(guān),即與即與小數(shù)點的位置無關(guān)小數(shù)點的位置無關(guān).用以表示小數(shù)點位置的用以表示小數(shù)點位置的“0”不是有不是有效數(shù)字效數(shù)字,當當“0”不表示為小數(shù)點位置時是有效數(shù)字不表示為小數(shù)點位置時是有效數(shù)字.數(shù)數(shù)據(jù)最后的據(jù)最后的“0”不能隨便加上不能隨便加上,也不能隨便去掉也不能隨便去掉. 某一數(shù)中可靠數(shù)字稱作某一數(shù)中可靠數(shù)字稱作有效數(shù)字有效數(shù)字，它的個數(shù)稱作，它的個數(shù)稱作有效數(shù)字的位數(shù)有效數(shù)字的位數(shù).例如：例如：上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.5.2 數(shù)量級的估計數(shù)量級的估計 例如：例如：88920 取取9104 稱稱“數(shù)量級估計數(shù)量級估計”，實際

19、上，實際上又將已估計的又將已估計的9104 以以105 代之代之.用用10的若干次方表示的若干次方表示的數(shù)常稱為的數(shù)常稱為“數(shù)量級數(shù)量級”. 估計某數(shù)的數(shù)量級時估計某數(shù)的數(shù)量級時,常取整為一位有效數(shù)字乘以常取整為一位有效數(shù)字乘以10的若干冪次的若干冪次.上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.6 參考系參考系坐標系與時間坐標軸坐標系與時間坐標軸 任何物理過程都和時間和空間相聯(lián)系任何物理過程都和時間和空間相聯(lián)系.對機械運動對機械運動而言而言,空間規(guī)定了運動物體的大小與位置空間規(guī)定了運動物體的大小與位置;時間則規(guī)定時間則規(guī)定了運動過程的長短和順序了運動過

20、程的長短和順序.在經(jīng)典力學范圍內(nèi)在經(jīng)典力學范圍內(nèi),空間與時空間與時間是脫離物質(zhì)與運動的獨立存在間是脫離物質(zhì)與運動的獨立存在;空間是延伸到整個宇空間是延伸到整個宇宙容納物質(zhì)的三維平直框架宙容納物質(zhì)的三維平直框架,時間猶如一座始終均勻轉(zhuǎn)時間猶如一座始終均勻轉(zhuǎn)著的鐘著的鐘.上上 頁頁下下 頁頁結(jié)結(jié) 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.6.1 參考系和坐標系參考系和坐標系 被選作物體運動依據(jù)的物體或物體群稱為被選作物體運動依據(jù)的物體或物體群稱為參考系參考系，與參考系固連的三維空間稱為與參考系固連的三維空間稱為參考空間參考空間.同一物體的運同一物體的運動情況相對不同的參考系是不同的動情況相對不同的參考系是不同的. 為了定量表示物體相對參考系的位置為了定量表示物體相對參考系的位置,可在參考系可在參考系上建立適當?shù)纳辖⑦m當?shù)淖鴺讼底鴺讼?即用固定在參考空間的