大学物理主讲殷立峰.pptx

什么是物理学什么是物理学?物理是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的物理是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的物理是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的物理是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学。是一门以实验为基础的自然科学自然科学。是一门以实验为基础的自然科学自然科学。是一门以实验为基础的自然科学自然科学。是一门以实验为基础的自然科学,物理学物理学物理学物理学的一个永恒主题是寻找各种序（的一个永恒主题是寻找各种序（的一个永恒主题是寻找各种序（的一个永恒主题是寻找各种序（ordersorders）、对称性）、对称性）、对称性）、对称性（symmetrysymmetry）和对称破缺（）和对称破缺（）和对称破缺（）和对称破缺（symmetry-symmetry-breakingbreaking）,守恒律（守恒律（守恒律（守恒律（conservation lawsconservation laws）或不）或不）或不）或不变性（变性（变性（变性（invarianceinvariance）。）。）。）。绪论：绪论：什么是物理学什么是物理学?研究对象研究对象研究对象研究对象绪论：绪论：什么是物理学什么是物理学历史沿革历史沿革历史沿革历史沿革古希腊17世纪：天体力学，牛顿力学17世纪 18世纪：热力学第一次工业革命（蒸汽机、机械工业）19世纪：统计物理，电磁理论第二次工业革命（电力、无线电技术）20世纪：量子力学(1900-)相对论(1905-)量子规范场论第三次工业革命（半导体技术，IT）21世纪：新问题（中微子质量，暗物质暗能量）新理论？新工业革命？绪论：绪论：现代物理学分支与前沿现代物理学分支与前沿Physics Review Letter分栏与研究热点分栏与研究热点一般物理学：主要分支：数学物理、方法论、量子力学、统计物理、量子信息、非线性理论等研究热点：量子信息、Bose-Einstein凝结、非线性引力与天体物理：主要分支：相对论与引力、量子引力，星体与宇宙学、天体物理，地球物理等基本粒子与场：主要分支：量子规范场理论、夸克与量子色动力学、中微子物理、标准模型、统一场论等核物理：主要分支：核结构、核反应、核辐射、核工程等绪论：绪论：原子、分子与光物理：主要分支：原子/分子的电子结构、团簇物理、原子/分子与光互作用、冷原子/分子与精密测量、超快/超强光源、光与物质互作用、激光物理、光谱等经典物理学：主要分支：经典力学、流体力学、非线性动力学、(传)热学、声学、电学、电磁学经典光学、非线性光学、电磁波与物质互作用、无线电物理、连续介质等等离子体与离子束物理：主要分支：气体物理、放电、激光与等离子体互作用、离子束物理、磁禁闭等生物物理及交叉学科物理学：主要分支：软物质、生物物理、医学物理、复杂系统/网络、物理化学/化学物理、流变学、材料/能源/环境/信息与物理交叉领域、生物信息学等绪论：绪论：现代物理学分支与前沿现代物理学分支与前沿Physics Review Letter分栏与研究热点分栏与研究热点凝聚态I：结构等主要分支：固体/液体结构、晶体动力学、非晶、表面与界面、薄膜、相变、低维系统(非电子特性)、纳米材料、物态方程、量子流体、高温高压物理、凝聚态物质的力/声/热学特性、非电子输运特性等凝聚态II：电子特性等主要分支：块材/表面/薄膜/低维/纳米材料的电子结构和电子/光学性能、发光/光谱、电子/离子激发、凝聚态物质中的电子输运、半导体、超导、介电/压电/铁电、磁性材料/磁共振、磁光、量子光学、光子晶体、磁电、局域态、电子强关联、自旋电子学、轨道电子学等绪论：绪论：现代物理学分支与前沿现代物理学分支与前沿Physics Review Letter分栏与研究热点分栏与研究热点大大 学学 物物 理理n n力学（1-8周）n n气体分子运动论和热力学（9-18周）其中，第九周，期中考试；第19、20周，期末考试 学习与成绩n n成绩：平时成绩（作业）10%n n 期中考试 40%n n 期末考试 50%一、一、参考系参考系参考系参考系：用来描述物体运动而选作参考的物体、：用来描述物体运动而选作参考的物体、或相对静止的物体系。或相对静止的物体系。运动的相对性决定描述物体运动必须选取参考系运动的相对性决定描述物体运动必须选取参考系 在运动学中，参考系可任选，但以描述方便为原则在运动学中，参考系可任选，但以描述方便为原则 不同参考系中，对物体运动的描述不同不同参考系中，对物体运动的描述不同 （如轨迹、（如轨迹、速度等）速度等）运动描述的相对性运动描述的相对性 常用参考系常用参考系:太阳参考系太阳参考系（太阳（太阳 恒星参考系）恒星参考系）地心参考系地心参考系（地球（地球 行星参考系）行星参考系）地面参考系地面参考系或或实验室参考系实验室参考系质心参考系质心参考系第第 1 章章 质点运动学质点运动学二、二、坐标系坐标系坐标系：坐标系：由固结在参考系上的一组有刻度的射线、由固结在参考系上的一组有刻度的射线、曲线或角度表示。曲线或角度表示。坐标系为参考系的数学抽象坐标系为参考系的数学抽象（两者相对静止两者相对静止）坐标系可任选，坐标系可任选，以描述方便为原则以描述方便为原则在同一参考系中，用不同的坐标系描述同一物体的在同一参考系中，用不同的坐标系描述同一物体的运动时，其数学表述不同（运动时，其数学表述不同（与坐标系的选择有关与坐标系的选择有关）。常用的坐标系常用的坐标系:直角坐标系直角坐标系球坐标系球坐标系柱坐标系柱坐标系 三、质点三、质点1.物体的大小、形状可忽略时物体的大小、形状可忽略时2.运动过程中，物体各部分运动相同运动过程中，物体各部分运动相同（如图：在研究地球公转时）（如图：在研究地球公转时）(如图：物体的平动如图：物体的平动)太阳太阳地球地球R 6400km1.5108km“点点”具有该物体相同的质量具有该物体相同的质量真实物体真实物体无穷多质点的集合无穷多质点的集合物体物体质点质点微分微分dx积分积分 f(x)dx四、质点的位置坐标和位置矢量四、质点的位置坐标和位置矢量位置矢量位置矢量（或矢径）：（或矢径）：质点位置：质点位置：P(x,y,z)=P(t)1.直角坐标系直角坐标系zyxyzxOP(x,y,z)位置矢量在直角坐标系中位置矢量在直角坐标系中表示为：表示为：单位矢量：单位矢量：“模模”12.标量和矢量标量和矢量标量：标量：只具有数值大小，而没有方向只具有数值大小，而没有方向。比。比如质量、密度、如质量、密度、温度、功、能量、路程、速率、体积、时间、热量、电阻温度、功、能量、路程、速率、体积、时间、热量、电阻等物理量。无论选取什么坐标系，标量的数值恒保持不变。等物理量。无论选取什么坐标系，标量的数值恒保持不变。矢量：矢量：大小和方向。比如速度、加速度、位移、力、冲量、大小和方向。比如速度、加速度、位移、力、冲量、动量、电场强度、磁场强度动量、电场强度、磁场强度等都是矢量。用带箭头的等都是矢量。用带箭头的字母来表示矢量。字母来表示矢量。标量之间的运算遵循一般的代数法则。标量之间的运算遵循一般的代数法则。单位矢量单位矢量(方向矢量方向矢量)：“模模”11）矢量的加法）矢量的加法1.平行四边形法则平行四边形法则2.三角形法则三角形法则2）矢量的减法）矢量的减法将将的尾部连在一起，新矢量的箭头指向被减数的尾部连在一起，新矢量的箭头指向被减数矢量和矢量的乘积，可构成新的标量，也可构成新的矢量，矢量和矢量的乘积，可构成新的标量，也可构成新的矢量，构成标量的乘积叫标积构成标量的乘积叫标积()；构成矢量的乘积叫矢积；构成矢量的乘积叫矢积（）。）。矢量和标量的乘积仍为矢量，方向为原来矢量方向。矢量和标量的乘积仍为矢量，方向为原来矢量方向。3）矢量和标量的乘法）矢量和标量的乘法4）矢量和矢量的乘法）矢量和矢量的乘法标积标积（点乘），得到一个新的标量（点乘），得到一个新的标量矢积叉乘），得到一个新的矢量矢积（叉乘），得到一个新的矢量O叉乘的右手螺旋法则2.极坐标系极坐标系位置矢量在极坐标系中位置矢量在极坐标系中可用单位矢量表示为：可用单位矢量表示为：Po极轴极轴径向单位矢量径向单位矢量横向单位矢量横向单位矢量五、运动方程与轨道五、运动方程与轨道质点的位置与运动时间质点的位置与运动时间(t)有关，位置矢量满有关，位置矢量满足一定的函数关系：足一定的函数关系：轨道（方程）轨道（方程）质点质点运动方程运动方程或：或：如：如：消去时间参量：消去时间参量：分量形式：分量形式：(a)车作匀速运动时车作匀速运动时车上的人观察到车上的人观察到球球作直线运动作直线运动*物体运动的轨迹依赖于观察者所处的参考系物体运动的轨迹依赖于观察者所处的参考系*(b)车作匀速直线运动时，车作匀速直线运动时，地面上的人观察到地面上的人观察到球球作抛物线运动作抛物线运动*物体运动的轨迹依赖于观察者所处的参考系物体运动的轨迹依赖于观察者所处的参考系*一、位移一、位移一、位移一、位移1.2 质点的位移和速度质点的位移和速度yxzOsAB设在设在设在设在 t t 时间内质点从时间内质点从时间内质点从时间内质点从A A运动运动运动运动到到到到B B，则质点在，则质点在，则质点在，则质点在 t t 时间内的时间内的时间内的时间内的位移位移位移位移定义为：定义为：定义为：定义为：由图可知位移与初、末时刻位置矢量的关系：由图可知位移与初、末时刻位置矢量的关系：由图可知位移与初、末时刻位置矢量的关系：由图可知位移与初、末时刻位置矢量的关系：ABC位移的性质：位移的性质：1.矢量性矢量性如图所示：位移满足矢量叠加性质。如图所示：位移满足矢量叠加性质。即在即在t1+t2时间内的时间内的总总位移满足：位移满足：直角坐标系中：直角坐标系中：2.2.位移与路程位移与路程位移与路程位移与路程 s s 不同不同不同不同OsAB当时间间隔很小时：当时间间隔很小时：当时间间隔很小时：当时间间隔很小时：记为：记为：记为：记为：若定义：若定义：若定义：若定义：a.a.位移为矢量，路程为标量位移为矢量，路程为标量位移为矢量，路程为标量位移为矢量，路程为标量b.b.二、速度二、速度平均速度：平均速度：瞬时速度：瞬时速度：OsAB注意：速度为矢量！注意：速度为矢量！(1)方向方向(2)大小大小速度大小与速度大小与速率速率相等！相等！OsAB沿沿A点处轨道的切线方向点处轨道的切线方向时，时，速率：速率：三、速度的分量形式三、速度的分量形式1.直角坐标系直角坐标系2.自然坐标系自然坐标系速度速度:坐标坐标:速率速率:oP一种正交的曲线坐标系，用于描述流体运动。它由与瞬间速度矢相切的t轴和垂直于速度矢指向曲线的凹侧的n轴构成，加上垂直于水平面的z轴，即可描述三维运动。3.平面极坐标系平面极坐标系时，方向：时，方向：大小：大小：解：解：速度：速度：xoy 例例1-1质点的运动方程为质点的运动方程为讨论质点的运动性质。讨论质点的运动性质。位置矢量：位置矢量：速度大小速度大小匀速圆周运动！匀速圆周运动！速度沿切线方向！速度沿切线方向！xoy 例例1-2如图示小船在绳子的如图示小船在绳子的牵引下运动，求船靠岸的速牵引下运动，求船靠岸的速率。率。解：解：或：或：由：由：和和得到船的靠岸速率：得到船的靠岸速率：shEND导数运算的几个公式：导数运算的几个公式：1）2）3）4）5）6）7）导数运算的几个定理：导数运算的几个定理：1）2）eg.3）4）eg.复合函数的导数复合函数的导数eg.二阶导数的定义二阶导数的定义积分运算：积分运算：如果 关键是找到导数f(x)的原函数 例例例例 一质点作斜抛运动，用一质点作斜抛运动，用一质点作斜抛运动，用一质点作斜抛运动，用t t1 1代表落地时间，代表落地时间，代表落地时间，代表落地时间，A A和和和和B B代表抛代表抛代表抛代表抛点和落点，试说明如下三个积分的物理意义。点和落点，试说明如下三个积分的物理意义。点和落点，试说明如下三个积分的物理意义。点和落点，试说明如下三个积分的物理意义。解：解：解：解：oAB1.3 质点的加速度质点的加速度瞬时加速度瞬时加速度 (t 0)一、加速度定义一、加速度定义yxzoAB设在设在设在设在 t t 时间内质点从时间内质点从时间内质点从时间内质点从A A运动运动运动运动到到到到B B，则质点在则质点在则质点在则质点在 t t 时间内时间内时间内时间内的平均加速度定义为：的平均加速度定义为：的平均加速度定义为：的平均加速度定义为：1.直角坐标系直角坐标系二、加速度的分量形式二、加速度的分量形式2.自然坐标系自然坐标系oo大小：大小：为为 间的夹角间的夹角o定义曲率：定义曲率：间的路程间的路程（曲线上某个点的切线方向角对弧长的转动率。曲率越大，表示曲线的弯曲程度越大。）曲率半径：曲率半径：p反映速度反映速度大小大小的变化的变化!反映速度反映速度方向方向的变化的变化!切向加速度分量：切向加速度分量：法向加速度分量：法向加速度分量：*圆周运动圆周运动圆周运动圆周运动*Rso角速度角速度角加速度角加速度*运动学两类问题运动学两类问题*初值问题初值问题1.已知：已知：，求：，求：方法：求导数方法：求导数2.已知：已知：或或 求：求：方法：求积分方法：求积分 例例例例1-31-3已知运动方程，已知运动方程，已知运动方程，已知运动方程，求求求求 。p1.4 相对运动相对运动两两个个相相对对平平动动参参考考系系对质点位置（矢量）描述的相对性对质点位置（矢量）描述的相对性!一、运动描述的相对性一、运动描述的相对性 y yoPo xx S S(x,y,z)(x,y,z)yS系系相对相对S系平动，速度为系平动，速度为利用速度和加速度定义：利用速度和加速度定义：牵连速度牵连速度牵连加速度牵连加速度S 参考系时间参考系时间 如果如果 则：则：二、伽利略坐标变换二、伽利略坐标变换相相对对运运动动沿沿 S 系系 的的 x 轴轴方方向向 设设 o 和和 o 重合时开始计时重合时开始计时 t=t =0yyxxxxzzyooyutzP写成分量形式：写成分量形式：伽利略伽利略(Galilean)时时空坐标变换。空坐标变换。END设设 o 和和 o 重合时开始计时重合时开始计时 t=t =0 例例1-5 气球以气球以 匀速上升，水平速度因风的影响匀速上升，水平速度因风的影响为为 ，求求运动运动方程方程、运动距离与高度运动距离与高度 y 的的 关系关系、切向加速度及轨道曲率与切向加速度及轨道曲率与y 的关系的关系。解：解：oxyEND