理學(xué)類大學(xué)物理學(xué)(1)省公開(kāi)課一等獎(jiǎng)全國(guó)示范課微課金獎(jiǎng)

大學(xué)物理學(xué)講課教師：艾保全Email:aibq@Homepage:http://www.geocities.jp/aibq1976/1第1頁(yè)緒論(Introduction)物理學(xué)研究物質(zhì)包含一切實(shí)物物質(zhì)和一切場(chǎng)物質(zhì)。緒論-1一、物理學(xué)研究對(duì)象和內(nèi)容:

物理學(xué)：研究物質(zhì)最基本、最普遍運(yùn)動(dòng)形式以及物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)科學(xué)。

時(shí)間尺度：從宇宙誕生到無(wú)盡未來(lái)?？臻g尺寸：從亞核粒子到浩瀚宇宙（微觀、宏觀、宇觀）2第2頁(yè)物理學(xué)研究物質(zhì)無(wú)處不在，無(wú)時(shí)不有。從物理學(xué)研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式，包含機(jī)械運(yùn)動(dòng)，熱運(yùn)動(dòng)，電磁運(yùn)動(dòng)；同時(shí)又分為宏觀粒子運(yùn)動(dòng)和微觀運(yùn)動(dòng)，低速運(yùn)動(dòng)和高速運(yùn)動(dòng)；由此可將物理學(xué)分為多個(gè)分支。（李政道：從深層次上看，物理學(xué)是相通）3第3頁(yè)

物理學(xué)分支：物理學(xué)經(jīng)典物理當(dāng)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)新進(jìn)展時(shí)間t物理學(xué)分支發(fā)展力學(xué)電磁學(xué)熱學(xué)相對(duì)論量子論1600170018001900緒論-34第4頁(yè)

物理學(xué)發(fā)展總趨向：*學(xué)科之間大綜合。*相互滲透結(jié)合成邊緣學(xué)科。生物物理、化學(xué)物理、海洋物理、天體物理、地球物理、量子電子學(xué)、量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)、固體量子論等。二.物理學(xué)地位與作用：

大學(xué)物理是高等學(xué)校一門主要必修基礎(chǔ)課，這門課開(kāi)設(shè)，對(duì)學(xué)生打好必要物理基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)科學(xué)思想方法和研究問(wèn)題方法，提升科學(xué)文化素質(zhì)起著十分主要作用。

物理學(xué)不但是自然科學(xué)得以發(fā)展基礎(chǔ)，而且是高新技術(shù)發(fā)展主要源泉；它能推感人類社會(huì)進(jìn)步，與人類生產(chǎn)活動(dòng)和日常生活密不可分。激光與半導(dǎo)體緒論-45第5頁(yè)物理學(xué)發(fā)展經(jīng)歷了三次大突破，造成了三次工業(yè)革命。1)17、18世紀(jì)牛頓力學(xué)、熱力學(xué)2)19世紀(jì)70年代法拉第—麥克斯韋電磁理論第二次工業(yè)革命（電氣化）3)20世紀(jì)以來(lái)相對(duì)論、量子力學(xué)促進(jìn)了原子能、計(jì)算機(jī)、激光、半導(dǎo)體等廣泛應(yīng)用玻色-愛(ài)因斯坦凝聚（BEC)：量子信息、量子計(jì)算機(jī)，原子激光20世紀(jì)80年代以來(lái)，以高技術(shù)為關(guān)鍵科技革命六個(gè)高技術(shù)群：能源、材料、信息、生物、空間、海洋物理學(xué)研究結(jié)果源源不停地在高技術(shù)發(fā)展中得到應(yīng)用，而高技術(shù)發(fā)展又對(duì)物理學(xué)提出層出不窮研究課題。緒論-5第一次工業(yè)革命（蒸汽機(jī)）6第6頁(yè)三、怎樣學(xué)好大學(xué)物理？1、大學(xué)物理特點(diǎn):內(nèi)容：中學(xué)介紹特殊規(guī)律；大學(xué)介紹普遍規(guī)律。作業(yè)：中學(xué)作業(yè)量大；大學(xué)強(qiáng)調(diào)能力培養(yǎng)，作業(yè)量小。預(yù)習(xí)：課前簡(jiǎn)單瀏覽教材，明確教學(xué)主要內(nèi)容及難點(diǎn)。上課：注意聽(tīng)講，重視教師講課思緒和基本概念、基本原理、基本方法了解。適當(dāng)記筆記復(fù)習(xí)：做作業(yè)前，認(rèn)真閱讀教材，并結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)。要自覺(jué)地看書（包含參考書）。作業(yè)：認(rèn)真獨(dú)立完成全部作業(yè)，及時(shí)上交作業(yè)。答疑：有問(wèn)題及時(shí)答疑。數(shù)學(xué)工具：中學(xué)應(yīng)用初等數(shù)學(xué)；大學(xué)應(yīng)用高等數(shù)學(xué)。進(jìn)度：中學(xué)講解細(xì)致、進(jìn)度慢；大學(xué)強(qiáng)調(diào)自學(xué)、進(jìn)度快。2、學(xué)習(xí)方法與要求：緒論-77第7頁(yè)四、成績(jī)考評(píng)與作業(yè)要求：1、成績(jī)考評(píng):期中考試：20%作業(yè)：10%期末考試：70%1）獨(dú)立完成全部作業(yè)，及時(shí)交作業(yè)。全學(xué)期作業(yè)次數(shù)不滿三分之二者，不準(zhǔn)參加期末考試。作業(yè)紙上寫上班級(jí)、姓名及學(xué)號(hào)。2）作業(yè)要整齊條理，不準(zhǔn)剽竊作業(yè)。

2、作業(yè)要求：總成績(jī)：滿分100分緒論-83、考勤要求：三次點(diǎn)名不到，不準(zhǔn)參加期末考試8第8頁(yè)力學(xué)9第9頁(yè)力學(xué)(Mechanics)第一章質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)1.1質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)函數(shù)1.2位移和速度1.3加速度1.4勻加速運(yùn)動(dòng)1.5勻加速直線運(yùn)動(dòng)1.6拋體運(yùn)動(dòng)1.8相對(duì)運(yùn)動(dòng)1.7圓周運(yùn)動(dòng)10第10頁(yè)§1質(zhì)點(diǎn)剛體一、實(shí)際研究對(duì)象簡(jiǎn)化理想模型二、質(zhì)點(diǎn)剛體11第11頁(yè)一、實(shí)際研究對(duì)象簡(jiǎn)化理想模型主要次要原因如研究對(duì)象是地球A.公轉(zhuǎn)ES主要原因：太陽(yáng)引力而其它天體作用力和形狀均可忽略

B.自轉(zhuǎn)形狀不可忽略這兩種情況應(yīng)作不一樣簡(jiǎn)化12第12頁(yè)二、質(zhì)點(diǎn)剛體1.質(zhì)點(diǎn)物體形狀可忽略，物體可看作有質(zhì)量點(diǎn)。2.剛體

物體形變可忽略，即，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，剛體上任兩點(diǎn)間距離不變。剛體由質(zhì)點(diǎn)組成。3.質(zhì)點(diǎn)系(普通物體均可看作質(zhì)點(diǎn)系)剛體質(zhì)點(diǎn)剛體特殊質(zhì)點(diǎn)系13第13頁(yè)1）模型建立

視詳細(xì)問(wèn)題如地球討論公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)質(zhì)點(diǎn)模型剛體模型ES<<14第14頁(yè)2）質(zhì)點(diǎn)力學(xué)是基礎(chǔ)如N個(gè)沙粒組成物質(zhì)系統(tǒng)質(zhì)點(diǎn)系方法：一個(gè)沙粒一個(gè)沙粒地處理如連續(xù)體方法：切割無(wú)限多個(gè)質(zhì)量元一個(gè)質(zhì)量元一個(gè)質(zhì)量元地處理15第15頁(yè)思緒質(zhì)點(diǎn)力學(xué)(模型)牛頓運(yùn)動(dòng)定律(總結(jié)性)質(zhì)點(diǎn)系處理物體系普通方法(普遍)剛體(模型)普通物體一級(jí)簡(jiǎn)化(特殊質(zhì)點(diǎn)系)16第16頁(yè)§2質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)描述一、位置矢量和位移矢量二、速度矢量三、加速度矢量四、其它物理量17第17頁(yè)一、位置矢量和位移矢量時(shí)刻t質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P點(diǎn)任選一參考點(diǎn)o(通常選坐標(biāo)原點(diǎn))為質(zhì)點(diǎn)t時(shí)刻位置矢量位置矢量也叫運(yùn)動(dòng)函數(shù)通常位矢是t函數(shù)寫成稱矢量18第18頁(yè)時(shí)間間隔內(nèi)若質(zhì)點(diǎn)在時(shí)間間隔內(nèi)，由P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到Q點(diǎn)。則t1時(shí)刻，位矢為t2時(shí)刻，位矢為定義矢量為質(zhì)點(diǎn)在位移（displacement）位移基本定義式由矢量三角形，知19第19頁(yè)二、速度矢量1)平均速度2)瞬時(shí)速度（instantaneousvelocity）基本定義式20第20頁(yè)1）位矢與參考點(diǎn)相關(guān)位移與參考點(diǎn)無(wú)關(guān)2）平均速度與時(shí)間間隔相關(guān)方向是該時(shí)間間隔內(nèi)位移方向o討論21第21頁(yè)瞬時(shí)速度方向就是位移t0方向。由圖可知，在

t0過(guò)程中，位移由割線→切線。所以：速度方向是路徑運(yùn)動(dòng)切線方向。另外注意到：所以速度大小與速率值相等速率基本定義式3）瞬時(shí)速度大小和方向o運(yùn)動(dòng)路徑22第22頁(yè)三、加速度矢量從P點(diǎn)畫速度矢量三角形1)平均加速度2)瞬時(shí)加速度基本定義式23第23頁(yè)1）矢量物理量全方面地反應(yīng)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，便于理論推導(dǎo)和普通性定義。在t時(shí)刻，描述運(yùn)動(dòng)物理量是三者之間關(guān)系是運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題基本定義式即處理問(wèn)題基本出發(fā)式討論24第24頁(yè)

2）通常，在詳細(xì)解題時(shí)，需依據(jù)解題方便選取適當(dāng)正交坐標(biāo)系。慣用坐標(biāo)系有：

直角坐標(biāo)系平面極坐標(biāo)系球坐標(biāo)系柱坐標(biāo)系等等25第25頁(yè)在直角坐標(biāo)系中可寫成：分別是x、y、z方向單位矢量直角坐標(biāo)系26第26頁(yè)求導(dǎo)求導(dǎo)積分積分質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)兩類基本問(wèn)題

一由質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程能夠求得質(zhì)點(diǎn)在任一時(shí)刻位矢、速度和加速度；

二已知質(zhì)點(diǎn)加速度以及初始速度和初始位置,可求質(zhì)點(diǎn)速度及其運(yùn)動(dòng)方程.27第27頁(yè)一加速度為恒矢量時(shí)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程已知一質(zhì)點(diǎn)作平面運(yùn)動(dòng),其加速度為恒矢量,有

積分可得寫成份量式加速運(yùn)動(dòng)28第28頁(yè)積分可得寫成份量式為29第29頁(yè)二斜拋運(yùn)動(dòng)

當(dāng)子彈從槍口射出時(shí)，椰子剛好從樹(shù)上由靜止自由下落.試說(shuō)明為何子彈總能夠射中椰子?30第30頁(yè)求斜拋運(yùn)動(dòng)軌跡方程和最大射程已知時(shí)31第31頁(yè)消去方程中參數(shù)

得軌跡最大射程實(shí)際路徑真空中路徑

因?yàn)榭諝庾枇?，?shí)際射程小于最大射程.求最大射程aa2202cos2tanvxxy-=32第32頁(yè)

例1設(shè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為其中（1）求時(shí)速度.（2）作出質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡圖.解（1）由題意可得速度分量分別為時(shí)速度為速度與軸之間夾角33第33頁(yè)（2）運(yùn)動(dòng)方程由運(yùn)動(dòng)方程消去參數(shù)可得軌跡方程為0軌跡圖246-6-4-224634第34頁(yè)

例1如圖所表示,A、B兩物體由一長(zhǎng)為剛性細(xì)桿相連,A、B兩物體可在光滑軌道上滑行.如物體A以恒定速率向左滑行,當(dāng)時(shí),物體B速率為多少？解建立坐標(biāo)系如圖,OAB為一直角三角形，剛性細(xì)桿長(zhǎng)度l為一常量ABl物體A速度（1）物體B速度（2）35第35頁(yè)ABl兩邊對(duì)t求導(dǎo)得沿軸正向,當(dāng)時(shí)(1)(2)式代入得36第36頁(yè)hs例1求：船速靠岸速率解：l37第37頁(yè)例3

路燈距地面高度為h，身高為l人以速度v0在路上勻速行走。求：（1）人影頭部移動(dòng)速度。（2）影長(zhǎng)增加速率。ox2xx1hl兩邊求導(dǎo)：

解：（1）（2）設(shè)人影頭部移動(dòng)速度為，影長(zhǎng)為b設(shè)影長(zhǎng)增加速率為38第38頁(yè)一、勻速圓周運(yùn)動(dòng)∽稱向心加速度。ORAB1-7圓周運(yùn)動(dòng)沿半徑指向圓心,39第39頁(yè)二、變速圓周運(yùn)動(dòng)

DCEF在三角形CDE中,取CE上一點(diǎn)F,使CF=CD=vA,則FE=vB-vAo改變了速度方向改變了速度大小40第40頁(yè)速度方向改變率速度大小改變率方向：指向圓心方向：沿切線方向41第41頁(yè)1.角坐標(biāo)角位移角速度角加速度角速度角加速度描述質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)位置ABO描述質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)位置改變描述質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢描述質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度改變快慢三、圓周運(yùn)動(dòng)角量描述：角坐標(biāo)角位移單位：?jiǎn)挝唬?2第42頁(yè)2.線量和角量關(guān)系A(chǔ)BORds43第43頁(yè)3.勻變速率圓周運(yùn)動(dòng)與勻變速直線運(yùn)動(dòng)類比44第44頁(yè)四、普通曲線運(yùn)動(dòng)

在自然坐標(biāo)系中:P45第45頁(yè)

對(duì)于作曲線運(yùn)動(dòng)物體，以下幾個(gè)說(shuō)法中哪一個(gè)是正確：

（A）切向加速度必不為零；（B）法向加速度必不為零（拐點(diǎn)處除外）；（C）因?yàn)樗俣妊厍芯€方向，法向分速度必為零，所以法向加速度必為零；（D）若物體作勻速率運(yùn)動(dòng)，其總加速度必為零；（E）若物體加速度為恒矢量，它一定作勻變速率運(yùn)動(dòng).討論46第46頁(yè)例4

已知質(zhì)點(diǎn)作半徑為R=0.1m圓周運(yùn)動(dòng),其相對(duì)于圓心角坐標(biāo)為θ=2+t3

rad,求t=2s時(shí)切向加速度at和法向加速度an。解:47第47頁(yè)解:曲率半徑最大出現(xiàn)在何處?gg例5已知拋體運(yùn)動(dòng)速度為(如圖),求最高點(diǎn)處曲率半徑。48第48頁(yè)例6

碟盤是一張表面覆蓋一層信息紀(jì)錄物質(zhì)塑性圓片，若碟盤可讀部分內(nèi)外半徑分別為2.50cm和5.80cm，在回放時(shí)，碟盤被以恒定線速度由內(nèi)向外沿螺旋掃描線（阿基米德螺線）進(jìn)行掃描。(1)若開(kāi)始時(shí)讀寫碟盤角速度為50.0rad·s-1，則讀完時(shí)角速度為多少？(2)若螺旋線間距為1.60μm，求掃描線總長(zhǎng)度和回放時(shí)間。解：(1)近似將螺線視為同心圓49第49頁(yè)在盤上任取一同心圓環(huán)帶,帶寬dr,(2)單位長(zhǎng)度圈數(shù):回放時(shí)間:dr含圈數(shù):掃描總長(zhǎng)度：50第50頁(yè)一時(shí)間與空間

在兩個(gè)相對(duì)作直線運(yùn)動(dòng)參考系中，時(shí)間測(cè)量是絕正確，空間測(cè)量也是絕正確，與參考系無(wú)關(guān)，時(shí)間和長(zhǎng)度絕對(duì)性是經(jīng)典力學(xué)或牛頓力學(xué)基礎(chǔ).AB

小車以較低速度沿水平軌道先后經(jīng)過(guò)點(diǎn)A和點(diǎn)B.地面上人測(cè)得車經(jīng)過(guò)A、B兩點(diǎn)間距離和時(shí)間與車上人測(cè)量結(jié)果相同.相對(duì)運(yùn)動(dòng)51第51頁(yè)物體運(yùn)動(dòng)軌跡依賴于觀察者所處參考系二相對(duì)運(yùn)動(dòng)52第52頁(yè)*速度變換位移關(guān)系P質(zhì)點(diǎn)在相對(duì)作勻速直線運(yùn)動(dòng)兩個(gè)坐標(biāo)系中位移S系系

53第53頁(yè)伽利略速度變換若則

注意當(dāng)靠近光速時(shí)，伽利略速度變換不成立！加速度關(guān)系絕對(duì)速度相對(duì)速度牽連速度54第54頁(yè)

例

如圖示，一試驗(yàn)者A在以10m/s速率沿水平軌道前進(jìn)平板車上控制一臺(tái)射彈器,此射彈器以與車前進(jìn)方向呈度角斜向上射出一彈丸.此時(shí)站在地面上另一試驗(yàn)者B看到彈丸鉛直向上運(yùn)動(dòng),求彈丸上升高度.A

B速度變換解地面參考系為S系平板車參考系為