1、大大 學學 物物 理理 學學( (上上) )教教 師：師： 劉素美劉素美聯系方式：聯系方式：兩個黃鸝鳴翠柳兩個黃鸝鳴翠柳一行白一行白 鷺上青天鷺上青天窗含西嶺千秋雪窗含西嶺千秋雪門泊東吳萬里船門泊東吳萬里船絕句絕句 杜甫杜甫 愛因斯坦追光愛因斯坦追光日常生活物體日常生活物體天體天體光速光速原子尺度原子尺度增加質量增加質量增加速度增加速度縮減大小縮減大小牛頓力學牛頓力學狹義相對論狹義相對論量子力學量子力學廣義相對論廣義相對論一、什么是物理學一、什么是物理學?l 物理學是研究物質世界最基本形態的科學。物理學是研究物質世界最基本形態的科學。l 物理學研究的范圍：物理學研究的

2、范圍： 物質世界的層次和數量級。物質世界的層次和數量級。物理學物理學 (Physics)物物 質質 結結 構構物質相互作用物質相互作用物質運動規律物質運動規律質子質子 1010-15-15 m空間尺度：空間尺度：類星體類星體 10 26 m時間尺度：時間尺度：基本粒子壽命基本粒子壽命 10-25 s宇宙壽命宇宙壽命 1018 s微觀粒子微觀粒子介觀物質介觀物質宏觀物質宏觀物質宇觀物質宇觀物質E- -15E- -12E- -09E- -06E- -031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小最小 的細胞的細胞原子原子原子核原子核基本粒子基本粒子DNA長度長

3、度星系團星系團銀河系銀河系最近恒最近恒星的距離星的距離太陽系太陽系太陽太陽山山哈勃半徑哈勃半徑超星系團超星系團人人蛇吞尾圖，形象地表示了物質空間尺寸的層次蛇吞尾圖，形象地表示了物質空間尺寸的層次 牛頓力學：牛頓力學： 研究物體機械運動的基本規律及關于時空相對性的規律。研究物體機械運動的基本規律及關于時空相對性的規律。 熱力學：熱力學： 研究物質熱運動的統計規律及其宏觀表現。研究物質熱運動的統計規律及其宏觀表現。電磁學電磁學 ： 研究電磁現象、物質的電磁運動規律及電磁輻射等規律。研究電磁現象、物質的電磁運動規律及電磁輻射等規律。 相對論：相對論： 研究物體的高速運動效應以及相關的動力學規律。研究

4、物體的高速運動效應以及相關的動力學規律。 量子力學：量子力學： 研究微觀物質運動現象以及基本運動規律。研究微觀物質運動現象以及基本運動規律。二、物理學的五大基本理論二、物理學的五大基本理論l物理學派生出來的分支及交叉學科。物理學派生出來的分支及交叉學科。l物理學與數學之間有著深刻的內在聯系。物理學與數學之間有著深刻的內在聯系。粒粒子子物物理理學學原原子子核核物物理理學學原原子子分分子子物物理理學學固固體體物物理理學學凝凝聚聚態態物物理理學學激激光光物物理理學學等等離離子子體體物物理理學學地地球球物物理理學學生生物物物物理理學學天天體體物物理理學學宇宇宙宙射射線線物物理理學學三、物理學是構成自然

5、科學的理論基礎三、物理學是構成自然科學的理論基礎物理學構成了化學、生物學、材料科學、地球物理學等學科物理學構成了化學、生物學、材料科學、地球物理學等學科的基礎，物理學的基本概念和技術被應用到所有自然科學之中。的基礎，物理學的基本概念和技術被應用到所有自然科學之中。l物理學是一切自然科學的基礎。物理學是一切自然科學的基礎。 3) 20世紀以來世紀以來 相對論、量子力學相對論、量子力學促進了原子能、計算機、激光等的廣泛應用（信息化）促進了原子能、計算機、激光等的廣泛應用（信息化）2)19世紀世紀70年代年代 法拉第法拉第 麥克斯韋的電磁理論麥克斯韋的電磁理論第二次工業革命（電氣化）第二次工業革命（

6、電氣化）物理學的發展經歷了三次大的突破，導致了三次工業革命。物理學的發展經歷了三次大的突破，導致了三次工業革命。1)17、18世紀世紀 牛頓力學、熱力學牛頓力學、熱力學第一次工業革命（蒸汽機）第一次工業革命（蒸汽機）四、物理學與技術四、物理學與技術 幾乎所有的重大新幾乎所有的重大新(高高)技術領域的創立，事先都在物理學中技術領域的創立，事先都在物理學中經過長期的醞釀。經過長期的醞釀。 當今物理學和科學技術的關系：當今物理學和科學技術的關系：五、物理學的方法和科學態度五、物理學的方法和科學態度4）邏輯推理與數學演算：邏輯推理與數學演算：用數學語言描述物理概念和物理用數學語言描述物理概念和物理 規

7、律，用數學演算進行物理計算和物理推導。規律，用數學演算進行物理計算和物理推導。 物理學是一門實驗科學，物理學的研究方法是自然科學最常用物理學是一門實驗科學，物理學的研究方法是自然科學最常用最科學的方法。物理學的方法包括：最科學的方法。物理學的方法包括：1）觀察與實驗：觀察與實驗：從新的觀測和實驗事實提出命題；或用從新的觀測和實驗事實提出命題；或用 觀察與實驗的方法驗證理論。觀察與實驗的方法驗證理論。3）建立理想模型：建立理想模型：用已知的原理和事實，突出主要因素，用已知的原理和事實，突出主要因素， 建立理想的唯象的物理模型。建立理想的唯象的物理模型。2）假假 說：說：當實驗事實與舊理論不相符時

8、，根據事實提當實驗事實與舊理論不相符時，根據事實提 出新的假說和原理。出新的假說和原理。六、怎樣學習物理學六、怎樣學習物理學愛因斯坦：愛因斯坦： “興趣興趣是是 最好的最好的 老師。老師。”海森堡：海森堡：“科學扎科學扎根于根于討論討論。”李政道：李政道：“物理學物理學的精髓的精髓在于在于創創新新。”著名物理著名物理學家費曼學家費曼說：科學說：科學是一種是一種方方法法。“境自遠塵皆入詠，物含妙理總堪尋。境自遠塵皆入詠，物含妙理總堪尋。”學什么學什么 物理概念物理概念1 物理框架物理框架2 物理思路物理思路3 物理方法物理方法4物理概念是物理學的精髓和核心。物理概念是物理學的精髓和核心。觀點觀點

9、 觀念觀念 規律規律 定律定律 物理圖像等物理圖像等物理框架物理框架 知識的整體性知識的整體性知識結構、來龍去脈、相互聯系知識結構、來龍去脈、相互聯系物理思路物理思路 解決問題的途徑解決問題的途徑如何觀察、分析、思考、研究處理問題如何觀察、分析、思考、研究處理問題類比法類比法 演繹法演繹法 歸納法歸納法反證法反證法 模型化法等模型化法等科學就是一種方法科學就是一種方法 費曼費曼過渡三：過渡三：抱著走抱著走扶著走扶著走指著走指著走大學教師扮演的角色大學教師扮演的角色 交通警察交通警察要在要在“交警交警”的引導下，學會自己走路（學習）！的引導下，學會自己走路（學習）！過渡一：過渡一：應試考試應試考

10、試 重視學習過程重視學習過程積累知識積累知識培養能力培養能力提高素質提高素質大學生大學生努力培養自我獲取知識的能力！努力培養自我獲取知識的能力！（選拔性（選拔性合格性）合格性）過渡二：過渡二：特殊（特殊（對象、狀態、過程對象、狀態、過程）一般（一般（對象、狀態、過程對象、狀態、過程）中學物理討論特殊情況的結論；大學物理講一般規律。中學物理討論特殊情況的結論；大學物理講一般規律。概念、思路、方法等均要發生變化！概念、思路、方法等均要發生變化！盡快完成由中學向大學的三個過渡盡快完成由中學向大學的三個過渡成績考核與作業要求成績考核與作業要求1、成績考核、成績考核2、作業要求、作業要求期中考試期中考試

11、 ： 10%作作 業：業： 20%期期 末考試：末考試： 70%總成績：滿分總成績：滿分100分分 2）要求說明已知條件并畫圖，注明解決問題的思路和所）要求說明已知條件并畫圖，注明解決問題的思路和所采用的基本物理規律。采用的基本物理規律。 1）獨立完成全部作業，及時上交作業。）獨立完成全部作業，及時上交作業。全學期作業次數全學期作業次數不滿三分之二，不準參加期末考試不滿三分之二，不準參加期末考試。 作業紙上寫上班級、姓作業紙上寫上班級、姓名、點名冊序號。名、點名冊序號。 3）每周第一次課前交作業，每個班均按班級學號排序。）每周第一次課前交作業，每個班均按班級學號排序。 4）答疑地點為）答疑地點

12、為*，每周一次，時間，每周一次，時間*七、教學計劃七、教學計劃 大學物理教程大學物理教程 賈瑞皋賈瑞皋 主編主編 科學出版社科學出版社 大學物理學習指導大學物理學習指導 任蘭亭任蘭亭 主編主編 石油大學出版社石油大學出版社 費曼物理學講義費曼物理學講義 力學世界力學世界、力學以外的世界力學以外的世界 北京大學出版社北京大學出版社教材：教材：大學物理學大學物理學 李元成李元成 主編主編 中國石油大學出版社中國石油大學出版社 參考書：參考書： 內內 容容參考學時參考學時 緒論緒論1 第第 1 章章 質點運動學質點運動學4 第第 2 章章 牛頓運動定律牛頓運動定律4 第第 3 章章 功和能功和能4

13、第第 4 章章 動量和角動量和角動量動量6 第第 5 章章 剛體力學基礎剛體力學基礎6 第第 6 章章 狹義相對論狹義相對論6 第第 7 章章 氣體動理論氣體動理論4 第第 8 章章 熱力學基礎熱力學基礎6 第第 9 章章 機械振動和機械波機械振動和機械波10 第第10章章 波動光學波動光學13請允許我說明我講這門課的主請允許我說明我講這門課的主要目的。我的目的不是教你們要目的。我的目的不是教你們如何應付考試，甚至不是讓你如何應付考試，甚至不是讓你們掌握這些知識，以便更好地們掌握這些知識，以便更好地為今后你們面臨的工作或軍事為今后你們面臨的工作或軍事工作服務。我最希望的是，你工作服務。我最希望

14、的是，你們能夠像真正的物理學家一樣，們能夠像真正的物理學家一樣，欣賞到這個世界的美妙。物理欣賞到這個世界的美妙。物理學家們看待這個世界的方式，學家們看待這個世界的方式，我相信，是這個現代化時代真我相信，是這個現代化時代真正文化內涵的主要部分。也許正文化內涵的主要部分。也許你們學會的不僅僅是如何欣賞你們學會的不僅僅是如何欣賞這種文化，甚至也愿意參加到這種文化，甚至也愿意參加到這個人類思想誕生以來最偉大這個人類思想誕生以來最偉大的探索中來。的探索中來。R.P.Feynman (1918-1988)美國物理學家，美國物理學家，諾貝爾物理獎獲得者諾貝爾物理獎獲得者 潮汐：沿海地區的一種自然現象，指海水

15、在天潮汐：沿海地區的一種自然現象，指海水在天體（主要是月球和太陽）引潮力作用下所產生的周體（主要是月球和太陽）引潮力作用下所產生的周期性運動。一般每日漲落兩次。期性運動。一般每日漲落兩次。 農歷每月的十五農歷每月的十五或十六附近，太陽或十六附近，太陽和月亮在地球的兩和月亮在地球的兩側，太陽和月球的側，太陽和月球的引潮力你推我拉也引潮力你推我拉也會引起會引起“大潮大潮”。農歷的初八和二十農歷的初八和二十三時，太陽引潮力三時，太陽引潮力和月球引潮力互相和月球引潮力互相抵消了一部分所以抵消了一部分所以就發生了就發生了“小小潮潮”。每天漲潮的。每天漲潮的時刻也推遲時刻也推遲50分鐘分鐘左右。左右。每天

16、漲潮落潮時間往后拖延每天漲潮落潮時間往后拖延4848分鐘分鐘最通俗易懂的方式給你講講最通俗易懂的方式給你講講什么是引力波什么是引力波http:/ 力學力學( (mechanics) )是研究物體是研究物體機械運動機械運動的規律及其應用的的規律及其應用的科學。通常把經典力學分為科學。通常把經典力學分為運動學運動學（kinematics) )、動力學動力學( (dynamics) )和靜力學和靜力學( (statics) )。運動學：研究物體運動學：研究物體運動的描述運動的描述。動力學：研究物體運動與物體間動力學：研究物體運動與物體間相互作用相互作用的聯系及其規律。的聯系及其規律。靜力學：研究物體

17、在相互作用下的平衡問題。靜力學：研究物體在相互作用下的平衡問題。 第第 1 篇篇 力力 學學本章主要內容：本章主要內容：1 1、了解運動學的基本概念（質點，參考系，坐標系）、了解運動學的基本概念（質點，參考系，坐標系）2 2、掌握描述質點運動的基本物理量、掌握描述質點運動的基本物理量3 3、平面曲線運動、平面曲線運動4 4、了解運動的相對性、了解運動的相對性第第1章章 質點運動學質點運動學1.1 運動學的一些基本概念運動學的一些基本概念一、參考系和坐標系一、參考系和坐標系參考系參考系：為了描述物體的運動而選取的標準物體。：為了描述物體的運動而選取的標準物體。 坐標系坐標系：為了定量描述物體的運

18、動，在參考系上固定為了定量描述物體的運動，在參考系上固定一個坐標系。一個坐標系。運動描述的相對性：運動描述的相對性： 所選參考系不同，對同一物體的描述也不同。所選參考系不同，對同一物體的描述也不同。 最常見的坐標是最常見的坐標是直角坐標系直角坐標系、自然坐標系、極坐標系等、自然坐標系、極坐標系等xOzy)z ,y,x(P直角坐標系直角坐標系Ox),(P 極坐標系極坐標系POtene自然坐標系自然坐標系 二、時間和空間的計量二、時間和空間的計量 1、時間及其計量時間及其計量時間表征時間表征物理事件的順序性物理事件的順序性和和物質運動的持續性物質運動的持續性。 1秒的長度等于銫秒的長度等于銫133

19、原子基態兩個超精細能級之間躍遷相對原子基態兩個超精細能級之間躍遷相對應的輻射周期的應的輻射周期的9 192 631 770倍。倍。 微觀粒子的最短壽命是微觀粒子的最短壽命是10-24 s，宇宙的年齡大約是，宇宙的年齡大約是1018 s。2、空間及其計量空間及其計量空間反映空間反映物質運動的廣延性物質運動的廣延性。 1米是米是1299792458秒的時間間隔內光在真空中行程的長度。秒的時間間隔內光在真空中行程的長度。 宇宙范圍的尺度宇宙范圍的尺度1027m，微觀粒子尺度，微觀粒子尺度10-15m。三、質點三、質點忽略了物體大小和形狀，只具有物體的質量的幾何點。忽略了物體大小和形狀，只具有物體的質

20、量的幾何點。相對性；理想模型；質點運動是研究物質運動的基礎。相對性；理想模型；質點運動是研究物質運動的基礎。注意注意1.2 描述質點運動的基本物理量描述質點運動的基本物理量方向方向: :大小：大小：rzryrx cos ,cos , cos在直角坐標系中在直角坐標系中: :kzjyixr 222zyxrr r定義定義：從參考點：從參考點O 到質點所處位置到質點所處位置 P 所引的矢量所引的矢量 叫做叫做 質點的位置矢量，質點的位置矢量，簡稱位矢。簡稱位矢。rr 表示質點到參考點的距離。表示質點到參考點的距離。 的的方向方向表示質點相對參考點的方位。表示質點相對參考點的方位。r一、位置矢量一、位

21、置矢量Ozyx As r 1r B2r12rrr- - 在直角坐標系中在直角坐標系中從質點初位置到質點末位置所引的矢量從質點初位置到質點末位置所引的矢量 定義為位移。定義為位移。r kzjyixr 二、運動方程二、運動方程質點的位置隨時間變化的函數關系，稱為質點的位置隨時間變化的函數關系，稱為質點的運動方程。質點的運動方程。ktzjtyitxr)()()( 在直角坐標系中，在直角坐標系中，或：或：)(),(),(tzztyytxx 三、位移矢量和路程三、位移矢量和路程 位移矢量的大小位移矢量的大小222zyxr 位移矢量的方向位移矢量的方向rz ,ry ,rxcoscoscosOzyx As

22、r 1r B2r路程是從路程是從 A A 到到B B的軌跡長度，用的軌跡長度，用s s表示。表示。)|(|1212rrrrrr - - - - , sr 一一般般和和是兩個不同的概念是兩個不同的概念r r4）位移只取決于初末位置，與原點的選擇無關。位移只取決于初末位置，與原點的選擇無關。 但是，位矢與原點的選擇有關。但是，位矢與原點的選擇有關。2）位移與路程的區別：位移與路程的區別：3）位移大小位移大小 與與位矢大小的增量位矢大小的增量 的區別：的區別： r r 。但但srdd 注意注意四、速度矢量四、速度矢量: : 表示表示質點運動快慢及方向質點運動快慢及方向的物理量的物理量0 t令令trv

23、 1、平均速度、平均速度定義：平均速度定義：平均速度2、速度（瞬時速度）、速度（瞬時速度）trtrtvdd0lim 方向沿切向，并指向前進方向。方向沿切向，并指向前進方向。在直角坐標系中在直角坐標系中tzvtyvtxvzyxdd,dd,dd 速度是位置矢量隨時間的變化率。速度是位置矢量隨時間的變化率。ktzjtyitxtrvdddddddd 質點在質點在 內內12ttt- - 12rrr- - 位移是位移是222zyxvvvvv 大小大小vv ,vv ,vvzyx coscoscos 方向方向五、加速度矢量五、加速度矢量 表示表示速度變化的快慢速度變化的快慢的物理量的物理量定義：平均加速度定義

24、：平均加速度tva 大小：大小：tvaadd 瞬時加速度瞬時加速度12 vvv- - 方向：方向： t0 時時 的的極限方向極限方向。在曲線運動中，。在曲線運動中， 總是指向曲線的總是指向曲線的凹側凹側。v 220trtvtvatddddlim 瞬時加速度是速度隨瞬時加速度是速度隨時間的變化率。時間的變化率。 , , 21vttvt質點在質點在在直角坐標系中：在直角坐標系中：kajaiaazyx 222zyxaaaaa 加速度的方向加速度的方向加速度的大小加速度的大小aaaaaazyx cos ,cos ,cos222222dddd,dddd,ddddtztvatytvatxtvazzyyxx

25、 其中分量為其中分量為六、運動學中的兩類問題六、運動學中的兩類問題 1、已知質點的已知質點的運動學方程運動學方程求質點的求質點的速度、加速度速度、加速度等問題等問題稱為運動學稱為運動學第一類問題。第一類問題。trvdd 22ddddtrtva 解法：求導解法：求導kzj yixr ),()()()(zyxxttzztyytxx ）約約去去（ 2、由由加速度和初始條件加速度和初始條件求求速度方程和運動方程速度方程和運動方程的問題的問題稱為運動學的稱為運動學的第二類問題。第二類問題。 21d0tttavv 21d0tttvrr解法：積分解法：積分tavdd tvvtav0dd0解：根據質點解：根據

26、質點速度的定義速度的定義jtRitR)cos()sin( - - 則有則有tRv tRvyxcossin- ;速度的大小速度的大小根據質點根據質點加速度的定義加速度的定義rjtRitR222)sin()cos( - - - - - - tvadd 例題例題1-1 已知質點的運動方程是已知質點的運動方程是jtRitRr)sin()cos(式中式中R R， 都是正值常量。都是正值常量。求質點的速度和加速度的大小，并討論它們的方向。求質點的速度和加速度的大小，并討論它們的方向。RtRtRvvvyx2222)cos()sin(dtrdv加速度的大小加速度的大小則有則有tRatRayx sin ;cos

27、22- - - - 2222222)sin()cos( RtRtRaaayx - - - - 根據根據矢量的點積運算矢量的點積運算，分別計算，分別計算0 -)sin()cos()cos()sin(jtRitRjtRitRrv0 22-)sin()cos()cos()sin(jtRitRjtRitRav 質點做勻速率圓周運動。質點的速度沿圓的切線方質點做勻速率圓周運動。質點的速度沿圓的切線方向，加速度沿半徑指向圓心；速度和加速度互相垂直。向，加速度沿半徑指向圓心；速度和加速度互相垂直。結論結論 例題例題1-1-2一質點作平面運動，已知加速度為一質點作平面運動，已知加速度為 ，其中，其中A A、B

28、 B、 均為正常數，且均為正常數，且A AB B, , A A0, 0, B B00。初始條件為。初始條件為 時，時， 。求該質點的運動軌跡。求該質點的運動軌跡。 , tcosAax 2- - tsinBay 2- - 0t, 00 xv,Bvy 0,Ax 000y 解解: :由由222222dddd dddd ddddtztvatytvatxtvazzyyxx,可得可得 - - - - ttxxxtAttAtavv0200sindcos0d - - ttyyytcosBttsinBBtavv0200dd - - ttxtcosAttsinAAtvxx000dd ttytsinBttcosBt

29、vyy000d0d 從從 的表示式中消去的表示式中消去 ，即可得質點的運動軌跡方，即可得質點的運動軌跡方程為程為: : yx,t12222 ByAx質點的運動軌跡為質點的運動軌跡為橢圓橢圓。 例例1-3 1-3 一質點沿一質點沿 軸正向運動，其加速度與位置的關系為軸正向運動，其加速度與位置的關系為 。若在。若在 處，其速度處，其速度 ， 求質點運動到求質點運動到 處時所具有的速度。處時所具有的速度。 xa23 0 x10sm5- - vm3 xx 解：解： 已知已知 ，由加速度的定義式得：，由加速度的定義式得： xa23 xatv23dd xxvvtxxvtv23ddddddddx)x(vvd

30、23d 根據初始條件作定積分根據初始條件作定積分 3 0 5 d23dx)x(vvv1sm81. 7-v速度的方向沿速度的方向沿 軸正向。軸正向。 xv解解 選取選取豎直向上為軸的正方向豎直向上為軸的正方向，坐標原點在拋點處。，坐標原點在拋點處。kvf- - 設小球上升運動的瞬時速率為設小球上升運動的瞬時速率為v，阻力系數為，阻力系數為k，則則空氣空氣阻力阻力為為此時小球的此時小球的加速度加速度為為vmkga- - - 即即)(ddkmgvmktv - - 作作變換變換整理則得整理則得yvkmgvkmgkmdd)/1(- - - - 例題例題1-4 以初速度以初速度v0由地面豎直向上拋出一個質量為由地面豎直向上拋出一個質量為 m 的的小球，若上拋小球受到與其瞬時速率成正比的空氣阻力，求小球小球，若上拋小球受到與其瞬時速率成正比的空氣阻