大學(xué)物理學(xué)電子教案質(zhì)點運動學(xué)基本概念

大學(xué)物理學(xué)電子教案質(zhì)點運動學(xué)——基本概念緒論力學(xué)內(nèi)容簡介三個概念：參考系、坐標(biāo)系、質(zhì)點四個物理量：位置矢量、位移、速度、加速度第一頁，共24頁。緒論一、物理學(xué)及其研究對象1．什么是物理學(xué)？物理學(xué)是研究物質(zhì)運動規(guī)律及其相互作用的科學(xué)。2．物理學(xué)的研究對象機械運動分子熱運動電磁運動原子和原子核運動其它微觀粒子運動3．物理學(xué)的分類經(jīng)典力學(xué)（ClassicalMechanics）熱力學(xué)（Thermodynamics）電磁學(xué)（Electromagnetics）相對論（Relativity）量子力學(xué)（QuantumMechanics）按照研究的方法，可分為：理論物理實驗物理計算物理第二頁，共24頁。1．系統(tǒng)的學(xué)科2．基礎(chǔ)課3．必修課二、學(xué)習(xí)物理學(xué)的意義三、幾點要求：1．課前盡量預(yù)習(xí)；2．上課認(rèn)真聽講，要求記筆記；3．課后認(rèn)真復(fù)習(xí)，作業(yè)要獨立完成，按時交作業(yè)；4．一些基本的概念要求記住，重要的公式要求會推導(dǎo)。

打好必要的物理基礎(chǔ)學(xué)習(xí)科學(xué)的思想方法和研究問題的方法三個提高科學(xué)實驗的能力抽象思維的能力計算能力第三頁，共24頁。意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家，實驗物理學(xué)的先驅(qū)者，提出著名的相對性原理、慣性原理、拋體的運動定律、擺振動的等時性等?！蛾P(guān)于兩門新科學(xué)的對話和數(shù)學(xué)證明對話集》總結(jié)了他的科學(xué)思想以及在物理學(xué)和天文學(xué)方面的研究成果。

英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家，經(jīng)典物理學(xué)的奠基人。《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》總結(jié)了前人和他自己關(guān)于力學(xué)以及微積分方面的研究成果，其中含有牛頓運動三條定律和萬有引力定律。否定絕對時空觀，創(chuàng)立了狹義相對論和廣義相對論。提出了光量子假設(shè)和自激發(fā)射和受激發(fā)射的概念，為激光的出現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)；用廣義相對論研究整個宇宙的時空結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)了宇宙學(xué)研究的新紀(jì)元，導(dǎo)致宇宙膨脹理論的建立。第四頁，共24頁。第一部分力學(xué)1．什么是力學(xué)機械運動是指物體之間或物體各部分之間發(fā)生的相對位置的變化。力學(xué)——研究機械運動及其規(guī)律的物理學(xué)分支。2．力學(xué)的分類根據(jù)研究內(nèi)容分類

運動學(xué)（Kinematics）——研究物體運動的規(guī)律

動力學(xué)（Dynamics）——研究物體運動的原因

靜力學(xué)（Statics）——研究物體平衡時的規(guī)律根據(jù)研究對象分類

質(zhì)點力學(xué)——研究對象為質(zhì)點

剛體力學(xué)——研究對象為剛體3．?dāng)?shù)學(xué)工具——微積分和矢量第五頁，共24頁。力學(xué)的總框架力學(xué)運動學(xué)動力學(xué)牛頓定律守恒定律動量守恒定律機械能守恒定律角動量守恒定律第六頁，共24頁。運動學(xué)——研究物體位置隨時間變化的規(guī)律主要內(nèi)容有：三個概念：參考系、坐標(biāo)系、質(zhì)點四個物理量：位置矢量、位移、速度、加速度四種運動：直線運動、曲線運動、斜拋運動、圓周運動第一章質(zhì)點運動學(xué)第七頁，共24頁。1-1質(zhì)點運動的描述一、參考系坐標(biāo)系質(zhì)點1、參考系運動的絕對性與相對性運動的絕對性：所有的物體都在不停地運動，沒有絕對不動的物體運動的相對性：描述物體的運動或靜止總是相對于某個選定的物體而言的第八頁，共24頁。參考系的定義為描述物體的運動而選擇的標(biāo)準(zhǔn)物稱為參考系說明參考系的選擇是任意的，主要根據(jù)問題的性質(zhì)和研究方便而定。在描述物體的運動時，必須指明參考系。若不指明參考系，則認(rèn)為以地面為參考系。選不同的參照系，運動的描述是不同的。以地球為參照系地球月亮以太陽為參照系太陽月亮地球軌道第九頁，共24頁。2、坐標(biāo)系引入坐標(biāo)系的必要性定量地描述物體相對于參照系的運動。物理學(xué)中常用的坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系xyzO說明坐標(biāo)系的選擇是任意的，主要由研究問題的方便而定。坐標(biāo)系的選擇不同，描述物體運動的方程是不同的。第十頁，共24頁。3、質(zhì)點質(zhì)點的引入任何物體都有大小和形狀。物體在運動時它各部分的位置變化是不同的，物體的運動情況是非常復(fù)雜的。質(zhì)點的概念當(dāng)物體的大小和形狀忽略不計時，可以把物體當(dāng)做只有質(zhì)量沒有形狀和大小的點——質(zhì)點。說明質(zhì)點的概念是在考慮主要因素而忽略次要因素引入的一個理想化的力學(xué)模型。一個物體能否當(dāng)做質(zhì)點，取決于研究問題的性質(zhì)。第十一頁，共24頁。二、位置矢量、運動方程、位移1、位置矢量基本概念從原點O到質(zhì)點所在的位置P點的有向線段，叫做位置矢量或位矢。說明位置矢量是矢量：有大小和方向；具有瞬時性；具有相對性；單位：米（m）zOxy

P(x,y,z)第十二頁，共24頁。2、運動方程質(zhì)點運動時，它相對坐標(biāo)原點O的位置矢量r是隨時間變化的。因此，r是時間的函數(shù)運動學(xué)的重要任務(wù)之一，就是找出各種具體運動所遵循的運動方程。質(zhì)點運動時，在坐標(biāo)系中描繪的曲線稱為運動的軌跡。軌跡是直線：直線運動軌跡是曲線：曲線運動x·zyz(t)y(t)x(t)r(t)P(t)0第十三頁，共24頁。例1、自由落體運動的運動方程為例2、平拋運動的運動方程為軌跡方程第十四頁，共24頁。3、位移定義把由始點到終點的有向線段定義為質(zhì)點的位移矢量，簡稱位移。它是描述質(zhì)點位置變化的物理量。計算xyzOP1P2位移與路程的區(qū)別位移是矢量：是指位置矢量的變化路程是標(biāo)量：是指運動軌跡的長度說明位移是矢量；具有瞬時性；具有相對性；單位：米（m）第十五頁，共24頁。三、速度1、平均速度xyzO2．瞬時速度定義：平均速度的極限值稱為瞬時速度，簡稱速度3、關(guān)于速度的說明速度是矢量，有大小和方向勻速運動：速度為恒量變速運動：速度為變量速度具有瞬時性；具有相對性；單位：m·s-1

第十六頁，共24頁。伽利略(1564—1642)提出相對性原理、慣性原理、拋體的運動定律、擺振動的等時性等。伽利略捍衛(wèi)哥白尼日心說?！蛾P(guān)于兩門新科學(xué)的對話和數(shù)學(xué)證明對話集》一書，總結(jié)了他的科學(xué)思想以及在物理學(xué)和天文學(xué)方面的研究成果。四、加速度意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家，實驗物理學(xué)的先驅(qū)者。第十七頁，共24頁。1、平均加速度速度的增量與所用時間的比值叫做質(zhì)點的平均加速度2、瞬時加速度定義：平均加速度的極限值稱為瞬時加速度，簡稱加速度xyzO方向：

t0時速度增量的極限方向；在曲線運動中，總是指向曲線的凹側(cè)。第十八頁，共24頁。3、說明1)加速度是矢量，有大小和方向勻變速運動：加速度為恒量非勻變速運動：加速度為變量2)加速度具有瞬時性3)具有相對性4)單位：m·s-2

1、位置矢量和速度是描述質(zhì)點狀態(tài)的物理量，位移和加速度是反映質(zhì)點運動狀態(tài)變化的物理量。2、質(zhì)點運動學(xué)的兩類問題：第一類問題：已知質(zhì)點的運動方程，求質(zhì)點的狀態(tài)——用微分方法求解；第二類問題：已知質(zhì)點的狀態(tài)，求質(zhì)點的運動方程——用積分方法求解。小結(jié)第十九頁，共24頁。例3、一個質(zhì)點在x軸上作直線運動，運動方程為x=2t3+4t2+8，式中x的單位為米，t的單位為秒，求(1)任意時刻的速度和加速度；(2)在t=2s和t=3s時刻，物體的位置，速度和加速度；(3)在t=2s到t=3s時間內(nèi)，物體的平均速度和平均加速度。解：(1)由速度和加速度的定義式，可求得

(2)t=2s時

t=3s時

(3)

第二十頁，共24頁。例4、一質(zhì)點的運動方程為x=4t2,y=2t+3,其中x和y的單位是米，t的單位是秒。試求：（1）運動軌跡；（2）第一秒內(nèi)的位移；（3）t=0和t=1兩時刻質(zhì)點的速度和加速度。解（1）由運動方程x=4t2

y=2t+3消去參數(shù)t得x=(y

3)2此為拋物線方程，即質(zhì)點的運動軌跡為拋物線。（2）先將運動方程寫成位置矢量形式第一秒內(nèi)的位移為第二十一頁，共24頁。（3）由速度及加速度定義第二十二頁，共24頁。例5、設(shè)某質(zhì)點沿x軸運動，在t=0時的速度為v0，其加速度與速度的大小成正比而方向相反，比例系數(shù)為k(k>0)，試求速度隨時間變化的關(guān)系式。解：由題意及加速度的定義式，可知

因而積分

得所以

速度的方向保持不變，但大小隨時間增大而減小，直到速度等于零為止。

第二十三頁，共24頁。小結(jié)三個概念：參考系