人文物理

10-7m以上的客体 其下限相当于有机 大分子的尺寸
我们日常生活中所 接触到的都属于宏 观世界。
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第1章 宏观世界
§1.2 宏观客体的运动规律
Arts Physics
最简单，但又是最普遍的运动形式——机械运动
定义：物体的位置随时间发生 变化的运动，称为机械运动。
伽利略
为了研究运动变化 的规律，首先要对 运动状态进行描述
1.3 经典力学的应用
还有哪些？
力学是物理学最古老和最基础的学科，它的研究范围从 一般物体的机械运动直到天体运动。宇宙探测、航天、 航空，都属于力学问题，基本粒子的碰撞、衰变和相互 作用的径迹也属于力学问题。作为经典力学的牛顿力学 虽然被称为是一个相对准确的理论，但它的适用范围之 广, 令今天的物理学家都感到吃惊。
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第1章 宏观世界
Arts Physics
1.4 牛顿世界观的形成
宇宙钟表论
主要特点：1. 物质粒子性 2. 运动决定性
3. 时空绝对性 4. 作用泛力性
从17世纪到20世纪，这些观念影响了欧洲和其他地方所有 受过教育的人。牛顿物理学是如此成功，以致相伴的哲学 即牛顿世界观几乎毫无异议地被人们接受。人们吸收了这 些观念，却很少能意识到已吸收了这些观念。
方成反比。又称物质相互作用的普遍规律。
F

G
m1 m2 r2
er
G 6.754 10-11 m3 kg s2
卡文迪许扭称实验被评为 十大最优美物理实验。
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第1章 宏观世界
扭称原理流程图：
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引力
放 大
引力 力矩
金属丝 扭转
扭转 力矩
平面镜 放大 反射光
“对现象的观察提出假设，运用数学和逻辑 的手段得出推论，通过物理的或思想的实验 对推论进行检验，对假设进行修正和推广”
实质就是实验和理论和谐地结合起 来的方法………
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第1章 宏观世界
Arts Physics
1.2.2 牛顿三定律
牛顿第二定律
物体在外力作用下运动的加速度和外力成正比，
并且加速度的方向和外力方向相同,又称运动基
潮汐的形成
火箭、卫星
哈雷慧星回归的确 确预测 ……
哈雷慧星
第一颗人造地球卫星
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第1章 宏观世界
Arts Physics
1.4 牛顿世界观的形成
牛顿世界观的基础是牛顿力学。力学一词，在英文中与机械 (mechanics)是相同的，所以这种世界观又称为机械观 。
物质运动的目的论
宇宙钟表论
“所有事件，即使是那些由于其无足轻重、看起来似乎不遵循 伟大的自然法则的事件，都确实是这些法则的结果，就像日出 日落是自然法则的结果那样不容置疑。所以，我们必须把宇宙 的现状看成是以前状态的结果，又把它看成是它未来状态的原 因。如果有一个智慧生物，他在一个给定的时刻知道自然界中 一切作用力和宇宙中每个物体的位置，又有一副足够大的大脑 能够完成一切必需的计算，没有什么东西是不确定的，未来就 像过去一样是一本打开的书。” ——拉普拉斯
直线上，同时出现也同时消失。又称为作用反作用定律。
F12 F21
为什么我们只看 到苹果下落，未 见地球上升呢？
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第1章 宏观世界
1.2.3 万有引力定律
月亮为什么不掉下来？
Arts Physics
月亮以每秒1.02km绕地球 轨道飞行
物体有一定的速度，同时受到向心力作用，是维 持物体作圆周运动的必要条件。
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第1章 宏观世界
Arts Physics
1.4 牛顿世界观的形成
由于牛顿力学的迅速发展及其对经典物理学其他领域的成功渗 透，直到19世纪未，绝大部分的物理学家对这种机械观都顶 礼膜拜，只有极少数的物理学家敢站出来说不，这其中就有奥 地利的马赫。
他首先批评了牛顿对于质量的定义(1868)， 又在《力学史评》中批评了牛顿的绝对时 空及绝对运动概念，认为物体的惯性应由 宇宙中所有物质决定；此外马赫从自已的 经验论哲学思想出发，强调了可观察量的 重要性，所有这些都深深影响了20世纪近 代物理学的进展。
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第1章 宏观世界
1.2.4 运动量的描述
动量守恒的应用
火箭是动量守恒定律最重要 的应用之一。根据动量守恒 定律，当一个系统向后高速 射出一个小物体时，该系统 就会获得与小物体相同大小 但方向相反的动量，即系统 就获得向前的速度。火箭发 动机工作时，喷出的高速气 体给予火箭本体一个反作用 力，即推力，使火箭的速度 产生变化。
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人文物理
主讲：王清涛 联系：wangqt@qdu.edu.cn
人文 物理
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第二篇 从蛇头到蛇尾
Arts Physics
第二篇 从蛇头到蛇尾
介观
微观 量子力学 经典力学 42个数量级
宏观
天体物理 宇观
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第二篇 从蛇头到蛇尾
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第1章 宏观世界
§1.1宏观世界的数量级
牛顿第一定律 物体不受外力作用将保持静止或作匀速直线运动。物体 保持这种运动状态的特性，称为惯性，所以第一定律又 称为惯性定律。
伽利略斜面实验
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第1章 宏观世界
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1.2.2 牛顿三定律
伽利略的方法：经验(以实验和观察的形式)与思维
(以创造性构筑的理论和假说的形式)之间的动态的相互作 用。不是追随权威而是向经验和理性思维学习，正是这 个观念使伽利略的工作和科学如此强有力，并且经得起 时间的考验。
本定律.
F

m
a
注意：
(1)物体的质量就是用来恒量物体惯性大小的物理量
(2)F 应理解为物体所受之合力
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1.2.2 牛顿三定律
牛顿第三定律
力是成对出现的，只要一个物体施力于第二个物体，第二
个物体就施力于第一个物体，这两个力被称为作用力与反
作用力。这两个力总是大小相等，方向相反，始终在同一
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齐奥尔科夫斯基
v

ve
ln
me m1
改变地球面貌的十大公式之一
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第1章 宏观世界
11 2
A2 B2 C 2
F1 x1 F2 x2
eln N N
F

G
m1 m2 r2
2E

ku c2
2E t2
S k lnΩ
v

ve
ln
me m1
E mc2
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第1章 宏观世界
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§1.2.1 运动的描述 参考系
所谓参考系，就是为描述物体的运动而选定的另一个作为参 考的物体；而坐标系是固结于参考系上的一个数学抽象。
直角坐标系
自然坐标系
极坐标系
惯性系:惯性定律在其中成立的参考系，反之称为非惯性系
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日心系
Z
地面系
o
Y
X 地心系
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1.2.3 万有引力定律
月亮为什么不掉下来？
7.9千米/秒
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牛顿的这种理想抛体实验，如今已经实现，这就 是人造地球卫星。如果卫星离地面越高，所需要 的速率就越小，例如月亮只需1千米/秒多一点。
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第1章 宏观世界
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1.2.3 万有引力定律
动量为零!!
只用动量还不能准确描述转动物体的运动强度， 为此引入一个新物理量——角动量
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第1章 宏观世界
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1.2.4 运动量的描述
角动量定义：
L

r
mv
L

J
大小：L rmv sin r p pr
百度文库
方向满足右手螺旋法则

角动量定理
dL dt
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1.2.3 万有引力定律
思考： (1)两个60㎏的人相距1米，估算出他们之间的 万有引力？
0.00000024牛顿
(2)如何不用锻炼或节食来达到减轻体重的目的？
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第1章 宏观世界
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牛顿提出万有引力定律，但并没有阐明引力的本 质，以及引力是如何传递的？直到如今，这仍然 是一个谜 。 配乐诗朗诵：质量奏鸣曲
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第1章 宏观世界
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1.2.4 运动量的描述
思考：运动状态相同的物体，运动的强度是否一样？
笛卡尔
“运动的量是用它的速度和质量
一起来量度的”，称为动量
动量：
P

m

v
p Mvc
动量定理：
I
t2
Fd
t

P
t1
几个物体组成的系统，不受外力作 用，系统的总动量保持不变，称为 动量守恒定律。
转动角度
转动
金属丝 扭 转角度
放 大
光点 移动
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卡文迪许扭称实验的意义
①证明了万有引力的存在，使万有引力定律 进入了真正实用的时代； ②开创了微小量测量的先河，使科学放大思 想得到推广； ③卡文迪许被称为“第一个称量地球质量的 人”！
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1.2.1 运动的描述
描述物体运动的状态，首先要指出物体在哪儿运动？ 运动的快慢快慢怎样。为此需引入相应的物理量。
时间、时刻
z
位矢、位移、速度、加速度
r
O
P(x, y, z)
y
r = r(t) 运动方程
x
v lim r dr
t t0 d t
dv d2r a
dt dt2
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1.2.2 牛顿三定律
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：“让牛顿去吧！” 于是一切成为光明。
——亚历山大·波普
“如果说我 比多数人看 得远一些的 话，那是因 为我站在巨 人们的肩 上。”
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1.2.2 牛顿三定律
天体之间，以及地球与地球上的物体之间。牛顿推断， 引力是普遍存在的，宇宙中的每一对物体之间都有这 种力作用着，称为万有引力。
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第1章 宏观世界
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1.2.3 万有引力定律
万有引力定律
自然界中任何两个物体都以一定的力互相吸引，这个吸引力
的大小同两个物体质量的乘积成正比，同它们之间距离的平


M外
角动量守恒：当质点系所受外力对某参考点（或轴） 的力矩的矢量和为零时，质点系对该参考点（或轴） 的角动量守恒。
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第1章 宏观世界
演示 角动量定恒 车轮的旋进
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第1章 宏观世界
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1.2.4 运动量的描述
思考：质量不同，但动量相同的两物体它们对外 做功的本领是否相同？
1.牛顿认为地球拉着月亮和下落的苹果所受到的力的方
式完全相同，这个力是地球施加给一切物体的吸引力。 后来，牛顿根据这个道理推论，不仅地球与月亮之间 有吸引力，地球与太阳之间也存在着吸引力，这就是 以太阳为中心，各个行星(包括地球在内)能按一定轨 道绕着太阳运动的根据。
2. 我们只有一个宇宙，一个自然界。引力应不只存在于

功是力的空间累积效应 A F S FS cos
运动的物体是具有做功 本领，因运动的物体具
Ek

1 2
mv2
p2 2m
有能，称为动能。
另外拉伸或压缩的弹簧，或者被举高的物体，也 都有作功的本领，它们也具有能，称为势能 。势 能和动能一起称为机械能。
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马赫
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1.4 牛顿世界观的形成
机械观面临的真正挑战来自20世纪新的实验事实，而 后由爱因斯坦给我们带来一种全新的世界观。不过我 们应该认识到，机械观是物理学发展过程中的必然产 物，它的提出决不是幼稚可笑的，它使物理理论彻底 摆脱了神学的干扰，带动了整个经典物理学的成长； 即使在现代，牛顿力学也没有丧失其活力，在大量现 代化的工程技术中仍然正常地发挥着它的作用。科学 是有继承性的，当我们谈论机械观的偏激和片面时， 对那些为机械观奋斗的前辈，仍然是怀着崇敬、感激 的心情。
第1章 宏观世界
1.2.1 运动的描述 物理模型 质点、质点系、刚体 惯性系……
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“建模”是物理学认识物质世界的基本策略，离开 了模型，物理学将寸步难行，陷入一种不可知论。
一个好的物理学家，往往就是善于提出物理模 型的科学家。
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第1章 宏观世界
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h
mv
原始人
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计数规则
毕达哥拉斯 勾股定理
阿基米德 杠杆原理
纳皮尔
对数
牛顿
万有引力
麦克斯韦 电磁波方程
玻尔兹曼 熵公式
齐奥尔科夫斯基 火箭飞行原理
爱因斯坦 德布罗意
质能公式 物质波波长
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第1章 宏观世界
Arts Physics
1.2.4 运动量的描述
思考：下面两种情形，它们的动量各为多少？ p Mvc