大学物理第一学期上半学期(第一章)

微结构物 理
（物理）
（物理）
（技术）
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(二)物理学与其他自然科学
• 由于物理规律的基本性和普遍性，致使 物理学和其他自然科学越来越紧密地结 合和渗透，从而形成了不少分支学科和 交叉学科，如； • 气象物理学、地球物理学、天体物理学、 宇宙物理学、量子化学、生物物理学、 量子生物学、计算物理、量子电子 学……..

y x o x
o
y
R
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质点和刚体 在某些问题中，物体的形状和大小并不重要，可 以忽略，可看成一个只有质量、没有大小和形状的 理想的点，这样的物体可称为质点。 在某些问题中，物体的形状和大小不能忽略，但是 外力作用下发生的形变可以忽略，可看成一个有质 量、有大小和形状、但不会发生形变的理想物体， 这样的物体可称为刚体。
★ 速率范围 0(静止) —— 3x108 m/s(光速)
不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究
4
5
▲物理学在不断发展
物理学发展到今天，可分为三个主 要时期 经典物理学时期：系统的实验观察 古代物理学时期：物理学还没有从 和数学演绎等研究方法被引入到物 哲学中分化出来，人们对物理世界 理学的研究中。 的认识水平，基本上处于对现象的 现代物理学时期：相对论和量子力 笼统描述、简单的经验总结和思辨 学的建立和发展 性的猜测水平
y
r r2 r1
P
r2 r2(t t )
r1
r 平均速度 t
o
r
r2
31
Q
x
参考系->质点->位矢->位移->速度
平均速度比较粗略，为了精确描述，引 入瞬时速度（instantaneous velocity）
当 t0时，P2点向 P1点无限靠近。
r (t Δ t ) r (t ) v lim Δ t 0 Δt
……
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“科学是一种方法。它教导我们：一些事物是怎样被 了解的，什么事情是已知的，现在了解到了什么程度 如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如 何思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象”。 ——R.P费曼 “我从不迷信权威，但命运捉弄了我——我自己变 ——A.爱因斯坦 成了权威” 希望两位著名物理学家的话，能成为大家学习 物理的座右铭。学习课程除了掌握基本知识外，更 重要的是学习一种科学的思维方法。正如一个古老 的故事所讲的那样，学生从老师那里得到的，应该 是一个点石成金的 法则 ，而不是一堆 金子 。
别是创新意识的培养。期末考试（70%） 本课程的目标: 上课认真听讲，不允许讨论和物理无关的内容； ▲重视预习和复习，主动培养自学能力，适应 每个人都能拿到学分，没有不及格； 认真完成作业，准备两本本子，本子封面的左上角 “粗线条”的讲课方式。 写上自己的学号。 更重要的是大家都能学到知识； ▲学会记笔记(记思路、要点和有特色的内容)。 有些内容中学中可能已有所涉及，千万不要不注意 更加重要的是学会考虑、解决复杂 ▲高质量地及时完成作业，摈弃“题海战术”。 听，因为很有可能会在讲课中穿插新的内容，这些 问题的思路；提高自己的能力和综 ▲严守课堂纪律。 新的内容将是我们最后考核的重点。
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目录 (第一篇——力学)
• • • • • • 质点运动学 质点动力学 机械能守恒 刚体力学基础 振动 波动
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第一篇 力学
• • • • • • 质点运动学 质点动力学 机械能守恒 刚体的定轴转动 振动 波动 质点力学中先讨论 运动学，再讨论动 力学。讨论之前对 质点的模型图象要 有一个正确的认识。
平面运动中：
ds
dr
dr dx dy v i j vx i v y j dt dt dt
v
v v
2 x
2 y
tan
vy vx
33
单位：m/s
加速度 参考系->质点->位矢->位移->速度->加速度
4. 加速度（acceleration）
描述质点速度的大小和方向随时间变化快慢 的物理量。 v (t )
当专业课来对待！
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(五)参考书目
▲《普通物理学辅导与答疑》（一套三册）， 清华大学 物理系 基础物理教研组 ▲《新概念物理教程》力学，热学，赵凯华，罗蔚茵
▲《基础物理学》上、下册，陆果
▲《物理学教程》（一套七册），夏学江，史斌星主编
▲《伯克利物理学教程》一套五册
▲《Physics》，R.Resnick,D.Halliday
t时刻，P点位矢为
r1 r2
y r2
Q r P r1 x
t+Δt时刻在Q点位矢为 P Q 位移 r r2 r1 其大小为PQ的距离 方向则从P指向Q
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位移（displacement）
概念： • 反映质点位臵变 化的物理量
2. 从初始位臵指向 末位臵的有向线 段。
z P 1 r(t)
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质点运动学
• • • • 基本概念：参考系 坐标系 质点 质点运动的描述 直线运动 圆周运动
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质点运动学
一、 质点运动学一些基本概念
1、参照系和坐标系 宇宙中的一切物体都在运动，没有绝对静止的物体， 这叫运动的绝对性。 为了描述一个物体的机械运动，必须选另一个物体作 参照物，被选作参照的物体称为参照系，参照系的选 择可视问题性质而任意选定。 同一物体的运动，由于我们选取的参照系不同， 对它的运动的描述就不同，这称为运动描述的相对 性。 因此，描述运动必须指出参照系。 17
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可以作为质点处理的物体的 条件： 大小和形状对运动没有影响或影响可以忽略。
研究地球公转
质
点
RES 1.5 10 RE 6.4 103
8
2.4 10 1
4
地球上各点的公转速度相差很小，忽略地球自 身尺寸的影响，作为质点处理。
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研究地球自转
v R
地球上各点的速 度相差很大，地球自 身的大小和形状不能 忽略，不能作质点处 理。
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▲物理学在不断发展
★前沿：
粒子物理，混沌，高温超导，光子学， 微结构物理 ......
★经典物理也在发展:
波动光学→信息光学 牛顿力学的决定性→内在随机性 ……
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(二)物理学与其他科学技术
物理学基本规律渗透在自然科学的一切领域， 应用于生产技术的各个部门，是许多自然科学的 基础，也是工程技术特别是高新技术的基础。 ▲历史上物理与技术的关系大致有两种模式： 技术－物理－技术(以第一次工业革命为标志) 物理－技术－物理(以电气化进程为标志) ▲本世纪两种模式并存、交叉，但几乎所有重大的 新技术的创立，都是以物理学的发展为先导的。
注意：参照系不一定是静止的。
只有参照系不能定量地描述物体的位臵。所以要在参 照系上固定一个坐标系。这样就可定量描述物体的位 臵。常用的坐标系有直角坐标系(x,y,z)，极坐标系 (,)，球坐标系(R,, )，柱坐标系(R, ,z )。
参考系（frame of reference, reference system） 描述一个物体的运动，需要参照系 坐标系（coordinate system）为了能定量描述 z z z R
O
Δr
P2
r(t+Δ t ) y
x
大小： r P1 P2 r r ( t t ) r ( t ) P 方向： 1 P2
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路程（path）：
z P 1 Δ s
注意区分 Δ r 、r
Δr
P2
质点实际运动轨迹的长度 s 叫路程。
P2
P1
r(t)
欢迎同学们 来上大学物 理课!
大学物理和中学物理的不同之处： 大学物理需要用到高等数学的一些内容；
大学物理中物理问题的研究范围更趋于一般化，而 不是考虑一些特殊的情况；
大学物理研究的内容更宽广；
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大学物理课的要求：
▲反对应试观点，重视素质和能力的培养，特
Chap 1-7之后会 关于学习方法和学风的要求 有期中检查（20%）
• • • • 机械运动， 电磁运动， 热运动， 原子、原子核和粒子运动
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▲研究范围十分广泛
★ 空间尺度 (相差1045
——1046)
1026 m(约150亿光年)(宇宙)——10－20 m(夸克) ★ 时间尺度 (相差1045)
1018s(150亿年)(宇宙年龄)——10-27s(硬 g 射线周期)
解：
x a cost
，
y sin t
在这两式中消去t，得轨道方程
x2 y2 2 1 2 a b
因此质点的轨道是一个以a与b为长、短半轴的椭圆。
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今天的内容
• • • • 位移、速度、加速度 直线运动 曲线运动 圆周运动
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r r (t ) 运动方程的矢量形式
注：在直线运动中，常取直线为x(y)轴，此 时质点运动只有一个空间方向，所以可用标 量表示，记作x=x(t)。
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例如：
★ 爱因斯坦受激辐 射理论（1917） （物理）
第一台激光器 诞生（1960）
（技术）
现代光学
（物理）
★被誉为第二次工业革命的整个信息技术的发生、发展， 其硬件部分几乎都以物理学成果为基础：
量子力学 费米—狄拉克统计 固体能带理论 （20年代） 晶体管诞生(1947) 集成电路(1962) 大规模集成电路 （70年代后期）
有问题及时问我，可以上课举手提问，（非常欢迎， 要勤于思考,悟物穷理，不断建 可能会加分），也可以课后讨论，或者通过E-mail 立自己的物理图象。 进行讨论（liangwu@suda.edu.cn） 2
不能逃课
合素质。
物理学的研究对象
物理学是研究物质最基 本运动形态的规律和物质基 本结构的科学。
z
cos g z / r
2 2
cos x / r
cos y / r
2
g r k o i j
x
P(x,y,z)
cos cos cos g 1
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质点的运动方程、轨道 设质点作平面运动，在平面上取坐标O-XY，则 质点P的位臵由两个坐标X、Y确定。质点运动 时，X、Y随t变化，为t的函数。记作:
r (t )
(t )
P P2 2 P2 PP2 P1 2 P2 P2 2 P rr t t )) P2 (( 0 t
lim Δ r Δ t 0 Δ t dr dt
o
r (t t )
v
·
速度方向：沿轨迹切线方向。32
瞬时速率
dr ds v v dt dt
O
Δr
r(t+Δ t )
r(t)
y
O
r(t+Δ t )
Δr
x 注意： s
r r ， d r d r
r , 但 d s
dr ；
要分清 r 、r、r 等的几何意义。
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速度:表示质点运动快慢的物理量
平均速度和瞬时速度（都是矢量）
t t t r 1 r1(t)
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◆工程技术人员良好的物理素质表现在： *在工程技术问题面前，能够从物理本质上
提出问题和作出判断； （分析问题）
*能够把物理学的思想、观点、规律和方法
运用到工程技术的实际中； （解决问题）
*注意物理学的发展，不断探索如何把物理学
的新成果引入到工程技术中。 （不断创新）
要重视提高科学素质，不要把物理课
x x (t ) y y (t )
它给出任一时刻质点的位臵，表示质点的运 动规律，称为质点的运动方程。 在运动方程中，消去t得f(x,y)=0,此方程 称为质点的轨道方程。轨道是直线的称为 直线运动，轨道是曲线的称为曲线运动。
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例1．一质点的运动方程为
，求质点的轨道方程。
r a costi b sin tj
百度文库
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研究汽车在平直道路上运动
除车轮外，汽车各部分运动情况完全相同， 车轮的运动是次要的，可把汽车作为质点处理。
研究汽车突然刹车“前倾”或转弯 涉及转动问题，汽车各部分运动情况不同， 各车轮受力差异很大，不能把汽车作质点处理。
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质点运动描述
1 位矢（position vector of a particle）
z
r (t )
P1
P2
r (t t )
在坐标系中，位置可以用从原点到质点所在位置 的矢径来表示，即 z( t )
z
·
r xi yj zk
P( t )
●
^k z
x
^ x O ^ x( t ) y j i
r( t )
y( t )
y
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参考系->质点->位矢
在其他坐标系中的表示
r xi yj zk 2 2 2 r r x y z