大學物理課件《力學》ch

力學-物理基礎力學是物理學的基礎學科之一,涉及物體運動和變形的規(guī)律。掌握力學的基本概念和定律對于理解更復雜的物理現(xiàn)象至關重要。第一章緒論力學是物理學的基礎之一,研究物體受力與運動的規(guī)律。這一章節(jié)將概述力學的內容和發(fā)展歷程,為后續(xù)的深入學習奠定基礎。什么是力學研究物體運動和力的關系力學研究物體在力的作用下如何運動，以及物體的加速度、速度、位移等運動量之間的關系。解決現(xiàn)實世界中的問題力學理論和方法廣泛應用于工程、航天等領域，可以幫助我們解決各種實際問題。建立物理定律和模型通過實驗觀察和數(shù)學分析,力學建立了一套描述物體運動規(guī)律的理論體系。力學的研究內容運動學研究物體的位置、速度和加速度等幾何性質,不涉及引起運動的原因。動力學研究引起運動的原因,如力、質量和能量等物理量之間的關系。靜力學研究物體的平衡狀態(tài),分析作用于物體上的力的平衡條件。流體力學研究流體(液體和氣體)的運動規(guī)律及其與外界力的相互作用。力學的分類1理論力學研究物體運動和力的作用規(guī)律,包括質點力學、剛體力學、連續(xù)介質力學等。2應用力學將力學理論應用于工程實踐,如機械、建筑、航空航天等領域。3統(tǒng)計力學研究大量微觀粒子的集體行為,適用于氣體、量子等領域。4量子力學研究微觀粒子運動的量子效應,是現(xiàn)代物理的基礎之一。力學的發(fā)展歷程1古典力學涵蓋了牛頓力學、剛體動力學等內容2相對論力學對高速運動下的質點和物體進行研究3量子力學從量子層面描述微觀粒子的運動規(guī)律4現(xiàn)代力學包括流體力學、材料力學等新興分支力學作為一門基礎學科,在漫長的歷史中不斷發(fā)展與完善。從牛頓經(jīng)典力學到相對論力學,再到量子力學的興起,力學的研究范圍越來越廣泛,對人類認識宇宙、探索未知做出了重大貢獻?，F(xiàn)代力學還涉及流體、材料等新興領域,必將幫助我們更好地解決各種工程實際問題。質點運動學探討描述質點位置、速度和加速度等運動學特征的基本概念和理論方法。質點概念及基本量質點定義質點是理想化的物體模型,用來描述質量可忽略不計的物體或系統(tǒng)。它通常只有質量和位置兩個基本屬性。質量質量描述了物體對外界作用產生變化的能力,是質點的一個基本屬性。位置通過坐標系可以準確描述質點在空間中的位置。位置是質點另一個重要的基本屬性。坐標系與運動學基本量三維坐標系三維直角坐標系由三個相互垂直的坐標軸組成,用于描述物體在三維空間中的位置和運動。位移向量位移向量表示物體從初始位置到終止位置的變化量,是描述物體運動的基本量之一。速度向量速度向量表示物體在單位時間內的位置變化量,描述物體運動的速度和方向。平直運動的運動學描述1位移物體在直線上移動的距離。2速度物體在單位時間內的位移。3加速度物體速度隨時間的變化率。4運動方程描述位移、速度和加速度之間關系的數(shù)學方程。平直運動的運動學描述主要包括位移、速度和加速度三個基本量。通過建立運動方程可以描述這些量之間的關系,為分析平面物體的運動軌跡和規(guī)律提供理論依據(jù)。曲線運動的運動學描述速度描述曲線運動的速度可用矢量表示,包含速度大小和方向兩個要素。速度矢量總是沿切線方向。加速度描述曲線運動的加速度也可分解為沿徑向和切向的矢量分量。總加速度則是兩者的矢量和。位移描述曲線運動的位移可用弧長來描述,即沿曲線路徑的長度。同時還需考慮運動方向。相對運動的描述1參考系與相對運動描述相對運動需要先確立參考系。只有在固定的參考系中,才能準確定義物體的位置、速度和加速度等運動學量。2速度與加速度的相對性物體的運動狀態(tài)完全取決于參考系的選擇。同一個物體在不同參考系中可能表現(xiàn)出不同的速度和加速度。3經(jīng)典相對性原理物理定律在任意慣性參考系中都成立,沒有絕對靜止的參考系。這是牛頓力學的基礎。質點動力學探討如何描述質點的運動及其影響因素,包括力的概念、牛頓運動定律等基本原理。力的概念及分類力的概念力是導致物體運動改變的原因,描述物體間相互作用的量。它是一個向量量,既有大小又有方向。力的分類力可分為接觸力和作用力。接觸力是物體表面直接接觸時產生的力,如摩擦力;作用力是通過場傳遞的力,如重力、彈力等。常見力的種類常見的力包括重力、彈力、摩擦力、拉力、推力、支持力等,在研究物體運動和平衡時需仔細分析各種力的作用。牛頓三定律慣性定律物體除非受到外力作用,否則保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)。這說明了物體的慣性性質。加速度定律物體所受到的合力與物體的加速度成正比,方向相同。這說明了外力對物體運動的作用。作用力-反作用力定律任何一個物體施加在另一個物體上的力,都會遭到被施力物體的等大反作用力。這說明了力的相互作用。慣性系和慣性力1慣性系慣性系是相對于它的點保持其初速度和方向不變的參考系。在慣性系內,物體的運動遵循牛頓定律。2慣性力物體在非慣性系中運動時,會產生慣性力。慣性力時一種虛擬的力,不是物體間的相互作用力。3識別慣性系通過觀察物體的運動可以判斷某參考系是否為慣性系。如果物體勻速直線運動,則該系可視為慣性系。質點平衡條件靜止平衡當質點受到的合外力為零時,質點處于靜止平衡狀態(tài)。這意味著作用在質點上的所有力彼此平衡,沒有產生加速度。動態(tài)平衡當質點以勻速直線運動時,也滿足平衡條件。此時，合外力為零,但質點具有恒定的速度和方向。幾何條件質點平衡的幾何條件是力的矢量和等于零。力的大小、方向和作用點都必須滿足這一條件。應用示例如懸垂物體、緩慢提升的貨物等,都需要滿足質點平衡條件才能保持穩(wěn)定。功和能能量的概念能量是物體具有的一種屬性,描述了物體能夠做功的能力。功的概念當一個物體受到力的作用時,如果物體發(fā)生位移,則該力做了功。能量守恒定律能量既可以轉化也可以轉移,但總量保持不變。這就是能量守恒定律。功率和能量守恒功率定義功率是物體做功的快慢程度,即單位時間內做功的量。公式是：功率=功/時間。能量守恒能量是不會憑空消失或產生的,而是相互轉換的。無論一個物理過程如何進行,總能量是恒定不變的。能量轉換能量可以相互轉換,如位能轉化為動能,熱能轉化為電能。但總能量是守恒的,不會消失。剛體動力學探討剛體的平面運動以及在運動過程中力和力矩的作用。剛體概念及平面運動描述剛體概念剛體是指在外力作用下不會發(fā)生變形的物體。它是一種理想化的模型,用于描述在力學問題中不可忽視變形的物體。剛體平面運動剛體的平面運動包括平移和旋轉兩種基本形式。平面運動中,剛體內各點的運動軌跡都在同一平面內進行。位置描述剛體的位置可用一個參考點和剛體內某一點的位置矢量來唯一確定。旋轉運動則需要加上剛體繞某軸的角度。剛體平衡條件1合外力平衡剛體處于平衡狀態(tài)時,所有施加在剛體上的外力的合力必須為零。2合力矩平衡剛體處于平衡狀態(tài)時,所有施加在剛體上的外力的合力矩必須為零。3靜摩擦力當外力小于靜摩擦力的最大值時,剛體保持靜止狀態(tài)。4動摩擦力當外力大于靜摩擦力的最大值時,剛體將開始運動,此時動摩擦力開始起作用。剛體轉動動力學定軸轉動剛體繞一固定軸轉動時的動力學規(guī)律。轉動慣量描述剛體轉動慣性的重要參數(shù)，決定了轉動慣勞。角加速度剛體受力后的角加速度變化情況，推動轉動運動。動量和力矩動量動量是質點運動狀態(tài)的一個基本物理量,表示質點在單位時間內運動所產生的機械能的變化量。動量的大小取決于質點的質量和速度。力矩力矩是作用在物體上的力產生的轉動作用的大小。力矩的大小取決于力的大小和作用點與轉動軸之間的距離。動量定理動量定理表明,合外力對物體的動量變化率等于這個合外力的大小。它是牛頓第二定律的另一個表述形式。力矩定理力矩定理表明,合外力矩對物體的角動量變化率