大學(xué)物理(上)01運(yùn)動(dòng)學(xué)

1、大學(xué)物理電子教案遼寧工程技術(shù)大學(xué)應(yīng)用物理系1歡迎大家進(jìn)入物理世界2 物理學(xué)是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用以及物質(zhì)最基本、最普遍的運(yùn)動(dòng)和變化的規(guī)律的科學(xué)。 物理-事物之理3物理學(xué)的研究對(duì)象宇宙(一)4勇氣號(hào)于2003年六月升空5火星人類的第二家園？勇氣號(hào)找到水存在的證據(jù)機(jī)遇號(hào)證實(shí)遠(yuǎn)古海洋6美麗的土星及土星環(huán) X光照片距土星150多萬(wàn)公里以外使用濾鏡拍攝 7中國(guó)人的光榮與夢(mèng)想神舟系列飛船8What is a Galaxy?200,000 light-yearsGalaxy ：a massive collection of stars, gas, and dust kept together by

2、gravitySuns Stellar Region太陽(yáng)系在銀河系中不過(guò)是滄海一栗，銀河系在宇宙中僅為天地之一落葉9宇宙從哪里來(lái)?又向何處去?上帝創(chuàng)世說(shuō)與盤(pán)古開(kāi)天地老子:天下萬(wàn)物生于有,有生于無(wú)道生一,一生二,二生三,三生萬(wàn)物霍金:宇宙存在起始點(diǎn),而且有生于無(wú)10大爆炸宇宙學(xué) 1940s Gamov和Alpher首先提出宇宙起源于約150億年前一次猛烈的巨大爆炸。宇宙的爆炸是空間的膨脹，物質(zhì)則隨著空間膨脹（宇宙是無(wú)中心的）。隨著宇宙膨脹和溫度降低，構(gòu)成物質(zhì)的原初元素相繼形成 。 George Gamov11物理學(xué)的研究對(duì)象物質(zhì)(二) 物質(zhì)是無(wú)限可分的嗎? 什么是場(chǎng)物質(zhì)? 微電子學(xué)、光電子學(xué) 介

3、觀物理與納電子學(xué)12介觀物理學(xué)與單原子操做iron atoms on a copper surface 13物理學(xué)的研究對(duì)象運(yùn)動(dòng)(三)運(yùn)動(dòng)的四種形式: 物理(化學(xué))運(yùn)動(dòng) 生物運(yùn)動(dòng) 思維運(yùn)動(dòng) 社會(huì)運(yùn)動(dòng)物理運(yùn)動(dòng)的分類:(低高速) 機(jī)械運(yùn)動(dòng); 分子熱運(yùn)動(dòng); 電磁運(yùn)動(dòng); 原子及原子核內(nèi)部運(yùn)動(dòng)14機(jī)械運(yùn)動(dòng)15分子熱運(yùn)動(dòng)Bose-Einstein condensate (BEC) Nobel Prize in Physics in 2001 16電磁運(yùn)動(dòng)（Maxwell方程組）17原子及原子核內(nèi)部運(yùn)動(dòng)Fusion Powers the Sun and Other Stars 18力 學(xué)物理學(xué)熱 學(xué)電 磁

4、學(xué)振動(dòng)和波光 學(xué)近代物理理論基礎(chǔ)牛頓力學(xué)熱 力 學(xué)麥克斯韋電磁理論經(jīng)典物理學(xué)理論基礎(chǔ)相 對(duì) 論量子力學(xué)19在17、18世紀(jì)牛頓力學(xué)和熱力學(xué)的建立使人類進(jìn)入了機(jī)械化時(shí)代。到19世紀(jì)電磁理論的建立使人類進(jìn)入了電氣化時(shí)代。進(jìn)入20世紀(jì)相對(duì)論和量子力學(xué)的建立使人類進(jìn)入了信息化時(shí)代。 物理學(xué)在自然科學(xué)中占有重要的地位并成為許多工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)。物理學(xué)與生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展有著密切的聯(lián)系，互為促進(jìn)。20生活中的物理知識(shí)無(wú)處不在。通信信號(hào)如何在空中傳播熒光燈如何發(fā)光電磁爐和微波爐有什么區(qū)別光盤(pán)如何記錄信息光控、聲控開(kāi)關(guān)是什么原理立體電影是怎么回事心電圖、伽馬刀、X光透視是怎么回事火箭如何發(fā)射什么是次聲波武器隱性

5、形飛機(jī)是如何制造的聲納如何探測(cè)未知目標(biāo)的 全球定位系統(tǒng)是怎么回事.通過(guò)我們對(duì)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)可以使我門(mén)開(kāi)闊思路，拓展知識(shí)面，激發(fā)對(duì)科學(xué)知識(shí)的興趣，為以后走上工作崗位打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)大學(xué)物理課的任務(wù)把大家領(lǐng)進(jìn)物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域 的大門(mén)，并贈(zèng)送一枚指南針21力學(xué)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué) 質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué) 剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng) 22 本章首先借助矢量語(yǔ)言對(duì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)給予簡(jiǎn)潔而完備的描述，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程； 然后討論剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程； 最后引入運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，最終解決運(yùn)動(dòng)學(xué)中的兩類問(wèn)題。23 （2）運(yùn)動(dòng)物體的尺度比它運(yùn)動(dòng) 的空間范圍小得很多。1.1描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的物理量一、質(zhì) 點(diǎn)1.定義 如果在所研究的問(wèn)題中，物體

6、上各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的差異只占很次要的地位，我們可以忽略物體的大小和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，把它看成是一個(gè)有質(zhì)量的幾何點(diǎn)。2. 物體當(dāng)質(zhì)點(diǎn)處理的兩種情況第一章 運(yùn)動(dòng)的描述（1）物體不變形，不作轉(zhuǎn)動(dòng)(此時(shí)物體上各點(diǎn)的速度及加速度都相同，物體上任一點(diǎn)可以代表所有點(diǎn)的運(yùn)動(dòng))。24下面以研究地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)為例來(lái)理解質(zhì)點(diǎn)的概念。例如：研究地球公轉(zhuǎn) 地球上各點(diǎn)的公轉(zhuǎn)速度相差很小，忽略地球自身尺寸的影響，作為質(zhì)點(diǎn)處理。25研究地球自轉(zhuǎn) 地球上各點(diǎn)的速度相差很大，地球自身的大小和形狀不能忽略，不能作質(zhì)點(diǎn)處理。26 下面我們通過(guò)研究汽車的兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)進(jìn)一步理解質(zhì)點(diǎn)的含義。1.研究汽車在平直道路上運(yùn)動(dòng)（動(dòng)畫(huà)） 除車輪外，汽車各部

7、分運(yùn)動(dòng)情況完全相同，車輪的運(yùn)動(dòng)是次要的，可把汽車作為質(zhì)點(diǎn)處理。2.研究汽車突然剎車“前傾”或轉(zhuǎn)彎（動(dòng)畫(huà)） 涉及轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題，汽車各部分運(yùn)動(dòng)情況不同，各車輪受力差異很大，不能把汽車作質(zhì)點(diǎn)處理。 質(zhì)點(diǎn)是從實(shí)際中抽象出的理想模型，研究質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是為了抓住事物的主要矛盾進(jìn)行研究分析。27二、參照系、坐標(biāo)系1.定義2.對(duì)同一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)，選擇不同的參照系，描述 的結(jié)果一般不同。例一、例二、例三3.參照系選取的原則對(duì)于運(yùn)動(dòng)學(xué)：參照系的選取是任意的。主要看問(wèn)題的性質(zhì)和研究方便。對(duì)于動(dòng)力學(xué)：參照系的選取不是任意的。因?yàn)閯?dòng)力學(xué)規(guī)律受適用條件的限制。為了描述一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)，都必須選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物體作為參考，這些被參考的

8、物體叫參照系。28直角坐標(biāo)：P（x, y, z）自然坐標(biāo)：P（s）4坐標(biāo)系：為標(biāo)定物體空間位置而設(shè)置的坐標(biāo)系統(tǒng)極坐標(biāo)：P（r，）P(x,y,z)zyxosr自然坐標(biāo)系是沿質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌道建立的坐標(biāo)系.在質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌道上任取一點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)O,質(zhì)點(diǎn)在任意時(shí)刻的位置,都可用它到坐標(biāo)原點(diǎn)O的軌跡的長(zhǎng)度來(lái)表示. 29三、位置矢量1.坐標(biāo)法2.位置矢量由參考點(diǎn)O到考察點(diǎn)P的矢量。大?。好枋鲑|(zhì)點(diǎn)在空間位置的物理量。方向：（2）在直角坐標(biāo)系中的表示（1）定義（位矢）30平面運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng) 3. 自然法S的絕對(duì)值：表示質(zhì)點(diǎn)與原點(diǎn)間的曲線長(zhǎng)度。S的正負(fù)號(hào)：表示這個(gè)曲線距離是從軌跡上O點(diǎn)起沿哪個(gè)方向測(cè)量的。切向軸法向軸

9、31用自然坐標(biāo)表示用位矢表示用直角坐標(biāo)表示四、運(yùn)動(dòng)方程與軌道方程1. 運(yùn)動(dòng)方程表示位置隨時(shí)間變化的函數(shù)式。從運(yùn)動(dòng)方程中消去時(shí)間t，得到的x，y，z 之間的關(guān)系式。2. 軌道方程切向軸法向軸（參數(shù)形式）32解：（1）（2）由題意知，運(yùn)動(dòng)方程的分量式為：消去t，得：即為軌道方程例：一質(zhì)點(diǎn)在xoy平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程為：（1）寫(xiě)出t =o秒和t=2時(shí)（2）求軌道方程。的位置矢量；33五、位移x y z 0 B A描述質(zhì)點(diǎn)在空間位置變化的物理量。1.定義從起點(diǎn)指向終點(diǎn)的有向線段大?。浩瘘c(diǎn)指向終點(diǎn)間的直線距離方向：起點(diǎn)終點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)在t時(shí)間內(nèi)的位移起點(diǎn)終點(diǎn)質(zhì)點(diǎn) 在 同 一 時(shí)間內(nèi)位置矢量的增量342.在直角坐

10、標(biāo)系中的表示x y z 0 B A大小:方向：平面:353. 幾點(diǎn)討論(1) 位矢與位移位矢表示質(zhì)點(diǎn)在空間的位置位移表示質(zhì)點(diǎn)在空間位置的變化與時(shí)刻對(duì)應(yīng)與時(shí)間對(duì)應(yīng)與O點(diǎn)選取無(wú)關(guān)與O點(diǎn)選取有關(guān)(2) 位移與路程 定義位移是起點(diǎn)指向終點(diǎn)的有向線段，大?。浩瘘c(diǎn)指向終點(diǎn)間的直線距離方向：起點(diǎn)終點(diǎn)路程是質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所通過(guò)的實(shí)際路徑的總長(zhǎng)度是矢量是標(biāo)量36AR繞半周（ACB）B位移大小：2R方向：ABC路程：R繞一周位移:路程：2R0 位移大小 與路程 有時(shí)相等、有時(shí)不等相等(a) 質(zhì)點(diǎn)作方向不變的直線運(yùn)動(dòng)(b) 曲線運(yùn)動(dòng)中，位移元不等(a) 質(zhì)點(diǎn)作曲線運(yùn)動(dòng)(b) 有反向點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)ABC位移大?。篈B

11、段路程：AC+CB段B37r B AO(3) 位矢大小增量 與位矢增量大小38391.平均速度六、速度描述質(zhì)點(diǎn)在空間位置變化快慢的物理量。x y z 0 B A大?。悍较颍?02.瞬時(shí)速度x y z 0 B A大小：方向：切線方向，并指向前進(jìn)方向大小:方向：平面:41一維運(yùn)動(dòng)情況： 常采用標(biāo)量形式表示質(zhì)點(diǎn)向 x 軸正向運(yùn)動(dòng)OO表示質(zhì)點(diǎn)向 x 軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)423. 速率(1) 平均速率：(2) 瞬時(shí)速率(瞬時(shí)速度的大?。簒 y z 0 B A即，速率為路程對(duì)時(shí)間的變化率注意：一般情況下即平均速率一般不等于平均速度的大小例：物體運(yùn)動(dòng)一周43(3) 路程計(jì)算:AB首先找出速率=0的時(shí)刻t：然后判斷速

12、度有無(wú)反向點(diǎn)說(shuō)明速度沒(méi)有反向點(diǎn)則直接積分說(shuō)明速度有反向點(diǎn)則分段積分442.平均加速度七、加速度3.瞬時(shí)加速度x y z 0 B A1.速度增量大?。悍较颍捍笮。悍较颍好枋鲑|(zhì)點(diǎn)在空間運(yùn)動(dòng)速度變化快慢物理量。45x y z 0 B A平面:大小:方向：46一、質(zhì) 點(diǎn)一個(gè)有質(zhì)量的幾何點(diǎn)二、參照系描述一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)，選擇一個(gè)或幾個(gè)彼此沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體作為參考.三、位置矢量由參考點(diǎn)O到考察點(diǎn)P的矢量四、運(yùn)動(dòng)方程小 結(jié)47五、位移從起點(diǎn)指向終點(diǎn)的有向線段六、速度瞬時(shí)速度七、加速度48例1:已知: 求 （1）t = 3 s 時(shí)的速度；（2）1s 4s 內(nèi)的平均速度。解:（1）（2）49一質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為拋物線求：x = -4 m 時(shí)（t 0) 粒子的速度、速率、加速度。解：例2：50例3:已知質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為 軌道方程 t=1s末，t=2s末的位置矢量 1s2s內(nèi)的位移 0s2s內(nèi)的路程 1s2s內(nèi)的平均速度 0s2s內(nèi)的平均速率51 2s末的瞬時(shí)加速度 2s末的瞬時(shí)速度 2s末的瞬時(shí)速率例4:已知