《大学物理教学课件》第1章.ppt

大学物理（2-1）,授课教师: 陈华东 私人邮箱： 公共邮箱：dawu_ （邮箱网站：） （password: dawuupc） 有关课件等教学材料都可在此信箱下载。 答疑时间:？待定； 答疑地点：文理楼286室 书面作业上交时间: 每周第一次上课 要求上助教网： 班级名称： 化工1201-03 石工1201-04 请参看助教网学生手册。 大学物理习题集 每本6元?。,大学物理（2-）,绪 论,1.什么是物理学?,由于物理学所研究的物质运动具有普遍性，所以物理学在自然科学中占有重要地位，成为自然科学和工程科学的基础。,物理学所研究的是物质运动最基本最普遍的形式，包括机械运动、分子热运动、电磁运动、原子和原子内部的运动等。,物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科。,物理学研究宇宙间物质存在的各种形式、性质、运动、转化和内部结构，从而认识运动和转化的基本规律。,物理学包括许多分支：力学、热学、声学、电磁学、光学、相对论、量子力学、核物理、粒子物理、凝聚态物理等，而每一个分支中又包括多个次分支。,物理学的基本概念和每一项突破及产生的新技术，形成的新分支和交叉科学，促进了自然科学更迅速地发展，从而改变人类的生活。,宇观：地磁极是如何产生的？大陆漂移。,宇宙的起源？,大爆炸？,宇宙的演化，黑洞的成因等。,宇宙的边界？,有，引力如何解释？无，边在哪儿？边外又有什么？,宏观：,力学：,热学：为什么热量从高温物体自动传向低温物体？反向是否可能？,电学：引力与电力计算公式的对称性？引力与电力是统一的吗？（大统一理论 ）,对称性,力学中的三个守恒定律,物理学研究的空间范围、时间范围,时空弯曲；广义相对论,光为什么在不同的媒质界面发生折射？折射时为什么遵守折射定律？（最小作用量原理）,微观： 物质的构成单元无限可分吗？,电子与反电子；质子与反质子；中子与反中子。反物质的宇宙在哪里？反物质世界中的物理规律如何？,静电平衡时，为何表面曲率小处电荷密度大？,光学：光的本质是什么？光在真空中一定沿直线传播吗？,介观：介于宏观与微观之间物理现象。,经典物理学经典力学：哥白尼(波),伽利略(意),牛顿(英)；热力学理论：卡诺，焦耳，开尔文，克劳修斯等；气体分子动理论：克劳修斯，麦克斯韦，玻耳兹曼等；经典电磁理论：库仑，奥斯特，安培，法拉第，麦克斯韦等。,相对论爱因斯坦(德),量子力学普朗克(法),玻尔(丹),伯恩(德),薛定谔(奥),德布罗意(法),海森伯(德),狄拉克。,3.物理学与科学技术 科学解决理论问题，技术解决实际问题。科学是和未知打交道，而技术在相对成熟的领域内工作。,非线性物理学(混沌),2.物理学史及著名物理学家简介:物理学的发展已有2600多年的历史,事实证明自然科学的理论研究一旦获得重大突破，必将为生产和技术带来巨大进步。科学技术是第一生产力。18世纪60年代第一次技术革命蒸汽机的应用牛顿力学和热力学发展的结果；19世纪70年代第二次技术革命电力的应用电磁理论发展的结果；20世纪第三次技术革命原子能、电子计算机、激光等相对论和量子力学。,六大技术群：能源技术、材料技术、信息技术、生物技术、空间技术和海洋技术。,4.物理学的方法论和科学观,物理学家已总结出一套获得知识、组织知识和运用知识的有效步骤和方法。从新的观察和实验事实中提出命题；建立物理模型，提出新的假说和原理；用新理论对一些物理现象作出预言；理论要用实验事实验证；与事实不符时要对理论进行修正。,物理学的研究成果源源不断地在高技术发展中得到应用，而高技术的发展又对物理学提出层出不穷的研究课题。,5.怎样学习物理学,21世纪科学技术的进步，必将在极大程度上依赖于物理学的发展。因此，大学物理教学对于培养具有坚实基础的、能参与国际竞争的高级工程技术人才是至关重要的。物理素质是现代高水平工程技术人才素质结构中的最基础的部分，素质与知识和能力是密切相关的，素质的培养需要一定的知识和能力为基础。,培养获取知识的能力（课堂教学；博览群书（自学）；互相交流讨论；多观察勤思考）；提高科学文化素质；培养提出问题的能力（对遇到的问题多问几个为什么？）；培养解决问题的能力和提高应用知识的能力。,B) 培养科学素质(科学方法、科学态度、科学的世界观、人生观),C)科学美的体验和感受,A) 物理学是自然科学的许多领域和工程技术的基础。,物理学是理工科各专业学生的一门重要的基础课。同学们应牢固地掌握物理学的基本理论和基本知识，深刻理解物理规律的意义，并在运算能力和独立钻研能力等方面受到严格的训练，为今后学习专业知识及近代科学技术打下必要的物理基础。,物理学研究多种物质运动形态和多种相互作用，因此物理学具有许多有特色的科学观点和研究方法。例如能量的、粒子的、场的、对称与守恒的观点，分析、综合、演绎、归纳、叠加、类比、联想、试探以及唯象的、统计的、定性与半定量的分析问题的方法。通过物理学的学习，应使自己掌握物理学的这些观点和方法，使之能够根据物理学的普遍规律理解各种物理现象，进而逐步学会抓住物理本质，提出问题、分析问题与解决问题。,本章重点：1.2；1.3 本章作业：,质点运动学研究质点的位置、位移、速度、加速度等随时间变化的规律。,1.1.1、参考系(reference frame)和坐标系(coordinate),参考系：为了描述物体的运动而选取的参考标准物体。 （运动描述的相对性）,在运动学中，参考系的选择是任意的；在动力学中则不然,坐标系：直角坐标系、自然坐标系、极坐标系、球坐标系等.,1.1.2、时间和空间的计量,时间表征物理事件的顺序性和物质运动的持续性。时间测量的标准单位是秒。1967年定义秒为铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁辐射周期的9192631770倍。量度时间范围从宇宙年龄1018s(约200亿年）到微观粒子的最短寿命 10-24s.极限的时间间隔为普朗克时间10-43s,小于此时间，现有的时间概念就不适用了。,1、时间及其计量,2、空间及其计量,空间反映物质运动的广延性。在巴黎国际标准局标准米尺；1983年定义米为真空中光在1/299792458s时间内所行经的距离。空间范围从宇宙范围的尺度1026 m(约200亿光年）到微粒的尺度10-15 m.极限的空间长度为普朗克长度10-35m,小于此值，现有的空间概念就不适用了。,1.1.3、质点（mass point）,相对性；理想模型；质点运动是研究物质运动的基础.,具有物体的质量，没有形状和大小的几何点。,在不能把物体当作质点时，可把整个物体视为由许多个质点组成的质点系，弄清每个质点的运动情况，就可以了解整个物体的运动。,1.2.1、位置矢量(position vector),位置矢量的方向:,位置矢量的大小：,在直角坐标系中位置矢量为:,参考系坐标系原点和坐标轴钟,在直角坐标系中，在t 时刻某质点在点P的位置可用自坐标系原点O指向点P的有向线段 表示，矢量 称为位置矢量，简称位矢.,1.2.2、运动方程,质点的位置随时间变化的函数关系，称为质点的运动方程。,在直角坐标系中，,根据轨迹的形状，质点运动分为直线运动 和 曲线运动。,质点在空间连续经过的各点连成的曲线即质点的运动轨迹。,轨迹方程(trajectory),从运动方程中消去t，则可得：,或：,在直角坐标系中：,从质点初位置到质点末位置所引的矢量 定义为位移。,位移矢量的大小,位移矢量的方向,1.2.3、位移矢量(displacement) 路程,1） 和 是两个不同的概念。,4 ）位移只取决于初末位置，与原点的选择无关 （位矢与原点的选择有关）。,1.2.4、速度矢量（Velocity）: 表示质点运动快慢及方向的物理量,1、平均速度,2、速度,方向沿切向，并指向前进方向。,在直角坐标系中：,速度大小,定义：,定义：平均加速度 =,大小：,瞬时加速度:,方向：t0 时 的极限方向。在曲线运动中， 总是指向曲线的凹侧。,1.2.5、加速度矢量（acceleration）:表示速度变化快慢的物理量,在直角坐标系中：,加速度的方向,加速度的大小,其中分量为,解 根据质点速度的定义,则有,速度的大小,根据质点加速度的定义,例题1-1 已知质点的运动方程是,式中R,都是正值常量。求质点的速度和加速度的大小，并讨论它们的方向。,加速度的大小,则有,根据矢量的点积运算，分别计算,质点做匀速率圆周运动。质点的速度沿圆的切线方向，加速度沿半径指向圆心；速度和加速度互相垂直。,例题1-2 一质点作平面运动，已知加速度为 ，其中A、B、均为正常数，且AB, A0, B0。初始条件为t=0时， 。求该质点的运动轨迹。,解 这个问题是已知加速度和初始条件求运动方程，进而求出轨迹方程的问题。,由加速度三个分量,的定义可得,从x,y的表示式中消去t ，即可得质点的运动轨迹方程为:,结果表明，质点的运动轨迹为椭圆。,例题1-3 一质点沿x轴正向运动，其加速度与位置的关系为a=3+2x。若在x=0处，其速度v0=5m/s，求质点运动到x=3m处时所具有的速度。,解 已知 ，由加速度的定义式得：,根据初始条件作定积分,速度的方向沿x轴正向。,解 选取竖直向上为y轴的正方向，坐标原点在抛点处。,设小球上升运动的瞬时速率为v，阻力系数为k，则空气阻力为,此时小球的加速度为,即,作变换,整理则得,例题1-4 以初速度v0由地面竖直向上抛出一个质量为m 的小球，若上抛小球受到与其瞬时速率成正比的空气阻力，求小球能升达的最大高度是多大？,根据初始条件，作定积分,可得,当小球达到最大高度H 时，v = 0。可得,例题1-5 已知一质点由静止出发，它的加速度在x轴和y轴上的分量分别为ax=10t和ay=15t 2 。求t=5s 时质点的速度和位置。,解 取质点的出发点为坐标原点，由定义得,根据题意，初始条件为 t=0 ,v0x=0 ,v0y=0 ，对上式进行积分，得,t=5s代入上式得,利用初始条件t=0 , x0=0 , y0=0 ，对 vx , vy 进行积分，得,s代入上式得,切向（tangential）单位矢量,法向（normal）单位矢量,1.3.1、自然坐标系,其方向都是随位置（时间）变化的,在质点运动的轨迹上任取一点O作为自然坐标系的原点，沿轨迹规定一个弧长正方向,则可以用由原点到质点所在位置的弧长s来描述质点的位置,在自然坐标系中弧长s是可正可负的坐标量，当质点P 位于O点狐长正方向一侧时取正值，处于O点另一侧时去负值。,称为切向加速度,称为法向加速度,速度矢量表示为,加速度矢量表示为,1.3.2、质点作圆周运动时的切向加速度和法向加速度,由加速度的定义,是矢量，方向垂直于,并指向圆心，与,的方向一致。,的长度等于1，于是有,由于,质点速率变化的快慢,质点速度方向变化的快慢,切向加速度,法向加速度,加速度的大小,1.3.4、圆周运动的角量描述,1、角位置（angular position）：,3、角位移(angular displacement)：,1.3.3 一般平面曲线运动中的切向加速度和法向加速度,曲线上任一点P的附近极短的一段曲线上，可用与它相切处曲率半径为的圆弧来代替,则一般平面曲线运动的切向加速度和法向加速度,2、运动方程,（瞬时）角速度,4、角速度(angular velocity),平均角速度,5、角加速度(angular acceleration),平均角加速度,（瞬时）角加速度,角速度是矢量，其方向垂直于质点运动的平面，指向由右手螺旋法则确定：当四指沿运动方向弯曲时，大拇指的指向就是角速度的方向。,当质点作匀速率圆周运动时，角速度是恒量，角加速度为零；当质点作变速率圆周运动时，角速度不是恒量，角加速度一般也不是恒量。当角加速度是恒量时，质点作匀变速圆周运动。 在匀速率圆周运动中的角位置、角速度和角加速度间的关系与匀加速直线运动中的位移、速度和加速度间的关系形式上完全类似，它可写为,1.3.5、角量与线量的关系,规定角速度矢量的方向由右手螺旋法则确定，即右手四指沿质点运动方向弯曲时，大拇指的方向规定为角速度的方向。,由加速度的定义,切向加速度,法向加速度,运动学中的两类问题,1、已知质点的运动学方程求质点的速度、加速度等问题常称为运动学第一类问题,2、由加速度和初始条件求速度方程和运动方程的问题称为运动学的第二类问题,圆周运动的第二类运动学问题,解 （1）由角速度和角加速度的定义，得,把 t = 2s代入运动方程、角速度和角加速度方程，可得,例题1-6 一质点作半径为 R=1.0m的圆周运动，其运动方程为 =2t3+3t，其中 以 rad 计，t 以 s 计。 试求：（1）t = 2s时质点的角位置、角速度和角加速度。 （2） t = 2s时质点的切向加速度、法向加速度和加速度。,（2）根据线量与角量的关系，可得,加速度,加速度的大小,设加速度与法向加速度的夹角为，则,例题1-7 如图所示，汽车以5m/s的匀速率在广场上沿半径为 R=250m的环形马路上行驶。当汽车油门关闭以后，由于与地面的摩擦作用，汽车沿马路匀减速滑行50m而停止，试求： （1）汽车在关闭油门前运动的加速度。 （2）汽车在关闭油门后4s时运动的加速度。,解 （1）汽车关闭油门前时作匀速率圆周运动，其切向加速度和法向加速度分别为,则，其方向指向环心O。,（2）汽车在关闭油门后滑行50m而停止。汽车的切向加速度为,油门关闭4（s）时，汽车的速率为,此时法向加速度为:,总加速度的大小为:,总加速度与速度的夹角为,例题1-8 一飞轮以n=1500r/min的转速转动，受到制动而均匀地减速，经t=50s后静止。 （1）求角加速度和从制动开始到静止时飞轮的转数N为多少？ ( 2）求制动开始t=25s时飞轮的角速度 (3）设飞轮的半径R=1m时，求t=25s时，飞轮边缘上一点的速度、切向加速度和法向加速度,解 （1）由匀变速圆周运动基本公式,从开始制动到静止，飞轮的角位移及转数N分别为,( 2）t=25s时飞轮的角速度为,(3）t=25s时，飞轮边缘上一点的速度为,切向加速度和法向加速度为,解 设加速度与速度方向的夹角为，则,所以,两边积分,例题1-9 质点沿半径为 R 的圆轨道运动，初速度为v0，加速度与速 度方向的夹角恒定，如图所示求速度的大小与时间的关系,解:取t=0时质点的位置O为自然坐标系原点，以质点运动的方向为自然坐标正向，并设任意时刻t质点的速度为v，自然坐标为s .,（1）,代入t=1s，可得质点的速度和加速度的大小为,例题1-10 质点沿半径R=3m的圆周运动，如图所示。已知切向加速度at=3m/s2, t=0 时质点在O点，其速度v0=0 ，试求： （1）t=1s时质点速度和加速度的大小； （2）第2秒内质点所通过的路程。,利用初始条件作定积分,（2）由 得 ，利用初始条件作定积分,代入数据可得第2秒内质点通过的路程为,同一质点在不同参考系中的位置矢量、速度和加速度等物理量之间的关系的规律。,物体运动的描述依赖于观察者所处的参考系,S（oxy)系和S(oxy)系在t=0时重合，P,P点重合。在t 时间内S相对S位移D，则,伽利略速度相加原理,若u为常量，则,在相对作匀速直线运动的不同参考系中观察同一质点的运动，所得的加速度相同。,位移相加原理,而位移