2014大物上冊(cè)-第1章

大學(xué)物理教程大學(xué)物理（上冊(cè)）授課教師:李媛媛聯(lián)系電話：公共郵箱：

密碼：upcstudy物理學(xué)的巨大影響也許可用蒲柏的名句來(lái)描述：緒論

(Introduction)NatureandNature'slawslayhidinnight.Godsaid,"LetNewtonbe!"andallwaslight.(What,Why,How)大自然及其法則在黑暗中隱藏，上帝說(shuō)，派牛頓去!于是一切豁然開(kāi)朗。物理學(xué)來(lái)源于希臘，原意是自然，它是研究一切自然現(xiàn)象的科學(xué)。19世紀(jì)之前，也稱“自然哲學(xué)”。晚清使用“格致”或“格物”代表自然科學(xué)知識(shí)，1900年，上海江南制造局譯刊《物理學(xué)》一書(shū)。數(shù)年之后，我國(guó)逐漸統(tǒng)一采用了具有近代科學(xué)含義的學(xué)科名稱“物理學(xué)”?！拔锢韺W(xué)”一詞的由來(lái)“致知在格物，物格而后知至”?！抖Y記·大學(xué)》求得知識(shí)在窮究事物的原理，認(rèn)識(shí)了事物的原理才能獲得知識(shí)

一、何謂物理學(xué)（Physics）日常生活物體天體光速原子尺度增加質(zhì)量增加速度縮減大小牛頓力學(xué)狹義相對(duì)論量子力學(xué)廣義相對(duì)論二、物理學(xué)的研究對(duì)象和內(nèi)容:四大基本概念：物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、時(shí)間和空間。E-15E-12E-09E-06E-031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小的細(xì)胞原子原子核基本粒子DNA長(zhǎng)度星系團(tuán)銀河系最近恒星的距離太陽(yáng)系太陽(yáng)山哈勃半徑超星系團(tuán)人蛇吞尾圖，形象地表示了物質(zhì)空間尺寸的層次時(shí)間尺度（秒）物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)周期、壽命1018

宇宙年齡1017

地球年齡1011

人類(lèi)文明史109

人類(lèi)的壽命107

地球公轉(zhuǎn)周期106

月球的周期104

地球自轉(zhuǎn)周期100

鐘擺的周期10-3

聲波的周期10-6

μ子的壽命10-8

p±介子的壽命10-16

p0介子的壽命10-19

S0超子的壽命10-25

Z0（中間玻色子）的壽命物理學(xué)經(jīng)典物理近代物理力學(xué)熱學(xué)電磁學(xué)光學(xué)原子物理相對(duì)論量子力學(xué)時(shí)間t物理學(xué)分支的發(fā)展力學(xué)電磁學(xué)熱學(xué)相對(duì)論量子論1600170018001900

物理學(xué)所研究的是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最基本最普遍的形式，包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)、分子熱運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)、原子和原子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)等。

物理學(xué)的分支：物理學(xué)派生出來(lái)的分支及交叉學(xué)科。物理學(xué)與數(shù)學(xué)之間有著深刻的內(nèi)在聯(lián)系。粒子物理學(xué)原子核物理學(xué)原子分子物理學(xué)固體物理學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)激光物理學(xué)等離子體物理學(xué)地球物理學(xué)生物物理學(xué)天體物理學(xué)宇宙射線物理學(xué)三、物理學(xué)是構(gòu)成自然科學(xué)的理論基礎(chǔ)物理學(xué)構(gòu)成了化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、地球物理學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)，物理學(xué)的基本概念和技術(shù)被應(yīng)用到所有自然科學(xué)之中。物理學(xué)是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)。

四、物理學(xué)與技術(shù)●

20世紀(jì)，物理學(xué)被公認(rèn)為科學(xué)技術(shù)發(fā)展中最重要的帶頭學(xué)科。●熱機(jī)的發(fā)明和使用，提供了第一種模式：●

電氣化的進(jìn)程，提供了第二種模式：核能的利用激光器的產(chǎn)生層析成像技術(shù)(CT)超導(dǎo)電子技術(shù)技術(shù)——

物理——

技術(shù)物理——

技術(shù)——

物理粒子散射實(shí)驗(yàn)X射線的發(fā)現(xiàn)受激輻射理論低溫超導(dǎo)微觀理論牛頓力學(xué)和熱力學(xué)電磁理論相對(duì)論和量子力學(xué)五、物理學(xué)的方法和科學(xué)態(tài)度4）邏輯推理與數(shù)學(xué)演算：用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述物理概念和物理規(guī)律，用數(shù)學(xué)演算進(jìn)行物理計(jì)算和物理推導(dǎo)。物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理學(xué)的研究方法是自然科學(xué)最常用最科學(xué)的方法。物理學(xué)的方法包括：1）觀察與實(shí)驗(yàn)：從新的觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)事實(shí)提出命題；或用觀察與實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證理論。3）建立理想模型：用已知的原理和事實(shí)，突出主要因素，建立理想的唯象的物理模型。2）假說(shuō)：當(dāng)實(shí)驗(yàn)事實(shí)與舊理論不相符時(shí)，根據(jù)事實(shí)提出新的假說(shuō)和原理。六、怎樣學(xué)習(xí)物理學(xué)愛(ài)因斯坦：

“興趣是最好的老師?！焙Ｉぃ骸翱茖W(xué)扎根于討論?！崩钫溃骸拔锢韺W(xué)的精髓在于創(chuàng)新。”著名物理學(xué)家費(fèi)曼說(shuō)：科學(xué)是一種方法。學(xué)什么物理概念1物理框架2物理思路3物理方法4物理概念是物理學(xué)的精髓和核心。觀點(diǎn)觀念規(guī)律定律物理圖像等物理框架——知識(shí)的整體性知識(shí)結(jié)構(gòu)、來(lái)龍去脈、相互聯(lián)系物理思路——解決問(wèn)題的途徑如何觀察、分析、思考、研究處理問(wèn)題類(lèi)比法演繹法歸納法反證法模型化法等科學(xué)就是一種方法——費(fèi)曼過(guò)渡三：抱著走→扶著走→指著走過(guò)渡一：應(yīng)試考試→重視學(xué)習(xí)過(guò)程積累知識(shí)培養(yǎng)能力提高素質(zhì)大學(xué)生努力培養(yǎng)自我獲取知識(shí)的能力！（選拔性→合格性）過(guò)渡二：特殊（對(duì)象、狀態(tài)、過(guò)程）→一般（對(duì)象、狀態(tài)、過(guò)程）中學(xué)物理討論特殊情況的結(jié)論；大學(xué)物理講一般規(guī)律。概念、思路、方法等均要發(fā)生變化！盡快完成由中學(xué)向大學(xué)的三個(gè)過(guò)渡成績(jī)考核與作業(yè)要求2、作業(yè)要求1、成績(jī)考核期中考試：10%平時(shí)成績(jī)：20%期末考試：70%總成績(jī)：滿分100分2）要求說(shuō)明已知條件并畫(huà)圖，注明解決問(wèn)題的思路和所采用的基本物理規(guī)律。1）獨(dú)立完成全部作業(yè)，及時(shí)上交作業(yè)。作業(yè)紙上寫(xiě)上班級(jí)、姓名、學(xué)號(hào)。

3）每周二交作業(yè)，每個(gè)班均按學(xué)號(hào)排序。七、教學(xué)計(jì)劃●《大學(xué)物理教程》賈瑞皋主編，2009，科學(xué)出版社●《大學(xué)物理學(xué)》上、下冊(cè)，毛俊健、顧牡主編，高等教育出版社，2006，高等教育百門(mén)精品課程教材建設(shè)計(jì)劃。●《物理學(xué)》上、下冊(cè)（第五版），馬文蔚等編，高等教育出版社，2006，高等教育百門(mén)精品課程教材建設(shè)計(jì)劃?！?/p>

《大學(xué)物理學(xué)輔導(dǎo)與習(xí)題》，李元成等主編，石油大學(xué)出版社，2013?！瘛顿M(fèi)曼物理學(xué)講義》教材：《大學(xué)物理學(xué)》李元成主編中國(guó)石油大學(xué)出版社●參考書(shū)：內(nèi)容第1章質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)第2章牛頓運(yùn)動(dòng)定律第3章功和能第4章動(dòng)量和角動(dòng)量第5章剛體力學(xué)基礎(chǔ)第7章氣體動(dòng)理論第8章熱力學(xué)基礎(chǔ)第9章機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械波第10章波動(dòng)光學(xué)力學(xué)(mechanics)是研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)。通常把經(jīng)典力學(xué)分為運(yùn)動(dòng)學(xué)（kinematics)、動(dòng)力學(xué)(dynamics)和靜力學(xué)(statics)。運(yùn)動(dòng)學(xué)：研究物體運(yùn)動(dòng)的描述。動(dòng)力學(xué)：研究物體運(yùn)動(dòng)與物體間相互作用的聯(lián)系及其規(guī)律。靜力學(xué)：研究物體在相互作用下的平衡問(wèn)題。

第1篇力學(xué)

機(jī)械運(yùn)動(dòng)：物體相對(duì)位置或自身各部分的相對(duì)位置發(fā)生

變化的運(yùn)動(dòng)。本章主要內(nèi)容：1、理解運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本概念（質(zhì)點(diǎn)，參考系，坐標(biāo)系）2、掌握描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的基本物理量3、掌握質(zhì)點(diǎn)平面曲線運(yùn)動(dòng)的描述方法4、了解運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性第1章質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)1.1

運(yùn)動(dòng)學(xué)的一些基本概念一、參考系和坐標(biāo)系參考系：為了描述物體的運(yùn)動(dòng)而選取的標(biāo)準(zhǔn)物體。坐標(biāo)系：為了定量描述物體的運(yùn)動(dòng)，在參考系上固定一個(gè)坐標(biāo)系。運(yùn)動(dòng)描述的相對(duì)性：

所選參考系不同，對(duì)同一物體的描述也不同。

最常見(jiàn)的坐標(biāo)是直角坐標(biāo)系、自然坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系等直角坐標(biāo)系極坐標(biāo)系自然坐標(biāo)系二、時(shí)間和空間的計(jì)量

1、時(shí)間及其計(jì)量時(shí)間表征物理事件的順序性和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的持續(xù)性。

微觀粒子的最短壽命是10-24s，宇宙的年齡大約是1018s。2、空間及其計(jì)量空間反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的廣延性。

1米是1／299792458秒的時(shí)間間隔內(nèi)光在真空中行程的長(zhǎng)度。宇宙范圍的尺度1027m，微觀粒子尺度10-15m。三、質(zhì)點(diǎn)忽略了物體大小和形狀，只具有物體的質(zhì)量的幾何點(diǎn)。相對(duì)性；理想模型；質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。注意

一、位置矢量(positionvector)位置矢量：描述質(zhì)點(diǎn)位置的物理量。物理上常用某一點(diǎn)到參考點(diǎn)的距離和方位表示該點(diǎn)的位置，為此引入位置矢量。定義：從參考點(diǎn)O

到質(zhì)點(diǎn)處P

所引的矢量叫做質(zhì)點(diǎn)的位置矢量，簡(jiǎn)稱位矢。表示質(zhì)點(diǎn)到參考點(diǎn)的距離。的方向表示質(zhì)點(diǎn)相對(duì)參考點(diǎn)的方位，也可用方向余弦表示§1.2

描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的基本物理量在直角坐標(biāo)系中:要注意矢量的寫(xiě)法??！注意：教材上用黑體來(lái)表示矢量。實(shí)際運(yùn)算時(shí)應(yīng)用表示矢量。應(yīng)為：或位置矢量的方向:位置矢量的大?。憾⑦\(yùn)動(dòng)方程質(zhì)點(diǎn)的位置隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系，稱為質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程。在直角坐標(biāo)系中，根據(jù)軌跡的形狀，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分為直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)。質(zhì)點(diǎn)在空間連續(xù)經(jīng)過(guò)的各點(diǎn)連成的曲線即質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。軌跡方程(trajectory)從運(yùn)動(dòng)方程中消去t，則可得：或：在直角坐標(biāo)系中：從質(zhì)點(diǎn)初位置到質(zhì)點(diǎn)末位置所引的矢量定義為位移。

位移矢量的大小位移矢量的方向三、位移矢量(displacement)和路程路程是從A到B的軌跡長(zhǎng)度，用⊿s表示。1）

和

是兩個(gè)不同的概念。4）位移只取決于初末位置，與原點(diǎn)的選擇無(wú)關(guān)但是，位矢與原點(diǎn)的選擇有關(guān)。2）位移與路程的區(qū)別：3）位移大小與位矢大小的增量的區(qū)別：注意四、速度矢量:表示質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)快慢及方向的物理量1、平均速度定義：平均速度2、速度（瞬時(shí)速度）方向沿切向，并指向前進(jìn)方向。在直角坐標(biāo)系中速度是位置矢量隨時(shí)間的變化率。質(zhì)點(diǎn)在內(nèi)位移是大小方向五、加速度矢量表示速度變化的快慢的物理量定義：平均加速度大?。核矔r(shí)加速度方向：t0時(shí)的極限方向。在曲線運(yùn)動(dòng)中，總是指向曲線的凹側(cè)。瞬時(shí)加速度是速度隨時(shí)間的變化率。質(zhì)點(diǎn)在在直角坐標(biāo)系中：加速度的方向加速度的大小其中分量為六、運(yùn)動(dòng)學(xué)中的兩類(lèi)問(wèn)題1、已知質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求質(zhì)點(diǎn)的速度、加速度等問(wèn)題稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)第一類(lèi)問(wèn)題。解法：求導(dǎo)2、由加速度和初始條件求速度方程和運(yùn)動(dòng)方程的問(wèn)題稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)的第二類(lèi)問(wèn)題。解法：積分解：根據(jù)質(zhì)點(diǎn)速度的定義則有速度的大小根據(jù)質(zhì)點(diǎn)加速度的定義求質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度的大小，并討論它們的方向。例題1-1

已知質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程是式中R，

都是正值常量。加速度的大小則有根據(jù)矢量的點(diǎn)積運(yùn)算，分別計(jì)算

質(zhì)點(diǎn)做勻速率圓周運(yùn)動(dòng)。質(zhì)點(diǎn)的速度沿圓的切線方向，加速度沿半徑指向圓心；速度和加速度互相垂直。結(jié)論例題1-2一質(zhì)點(diǎn)作平面運(yùn)動(dòng)，已知加速度為，其中A、B、ω均為正常數(shù)，且A≠B,A≠0,B≠0。初始條件為t=0時(shí)，。求該質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。解已知加速度和初始條件求運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)而求出軌跡方程。

加速度三個(gè)分量

從x,y的表示式中消去ωt

，即可得質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為:質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓。例1-3

已知一質(zhì)點(diǎn)由靜止出發(fā)，它的加速度在軸和軸上的分量分別為和。求時(shí)質(zhì)點(diǎn)的速度和位置。解:

取質(zhì)點(diǎn)的出發(fā)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，由初始條件為，，，對(duì)上式進(jìn)行積分，得

s代入上式得利用初始條件，，對(duì)，進(jìn)行積分，得s時(shí)解由加速度的定義式得作變換有根據(jù)初始條件作定積分可得例題1-4

一質(zhì)點(diǎn)沿x軸正向運(yùn)動(dòng)，其加速度與位置的關(guān)系為a=3+2x。若在x=0處，其速度v0

=5m/s，求質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到x=3m處時(shí)所具有的速度v。速度的方向沿x軸正向。解選取豎直向上為y軸的正方向，坐標(biāo)原點(diǎn)在拋點(diǎn)處。設(shè)小球上升運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速率為v，阻力系數(shù)為k，則空氣阻力為此時(shí)小球的加速度為即作變換整理則得例題1