國內外經典教材名師講堂程守洙《普通物理學》第一章力和運動主講老師：宋鋼普通物理學

依托的教材《普通物理》

程守洙、江之詠主編

高等教育出版社

緒論

物理學研究內容：

研究物質運動規律及其相互作用的科學。

本書的構成：

五個部分

力學（四個章節）

熱學（二個章節）

電磁學（三個章節）

振動與波動（三個章節）

近代物理（三個章節）

其中近代物理又包括量子力學基礎、固體與激光以及核物理等。

這些內容并未涵蓋物理學所有的研究方向，只是為工科學習提供了基礎。第一篇力學

內容劃分：

第一章力和運動

第二章運動守恒量與守恒定律

第三章剛體和流體運動

第四章相對論基礎

第一章力與運動

學習向導：

第一，如何描述物體運動狀態

第二，從運動方程出發求得位移、速度、加速度

第三，了解經典力學時空觀的局限性

第四，動力學——研究物體之間的相互作用，以及這種相互作用所引起的物體的運動狀態發生變化的規律。

第五，牛頓運動定律——質點動力學的基礎。宏觀物體低速運動v<<c慣性系非慣性系牛頓定律守恒定律動量守恒定律機械能守恒定律角動量守恒定律剛體力學振動和波動流體力學微觀物體運動高速運動v～c狹義相對論:慣性系下廣義相對論:非慣性系下一、質點的運動描述

1．質點：

引入

任何物體都有大小和形狀。物體在運動時它各部分的位置變化是不同的，物體的運動情況是非常復雜的。

概念

當物體的大小和形狀忽略不計時，可以把物體當做只有質量沒有形狀和大小的點——質點。

說明

質點的概念是在考慮主要因素而忽略次要因素引入的一個理想化的力學模型。

一個物體能否當做質點，取決于研究問題的性質。2．參考系

哲學中的運動與靜止：運動是絕對的，靜止是相對的。

對運動的觀察引入參考系的概念。

為描述物體的運動而選擇的標準物稱為參考系

說明

參考系的選擇是任意的，主要根據問題的性質和研究方便而定。

在描述物體的運動時，必須指明參考系。

若不指明參考系，則認為以地面為參考系。

參考系不同，則對運動的描述是不同的。坐標系

定量地描述物體相對于參照系的運動。

常用的坐標系

一般應用直角坐標系

其它體系:球坐標系、柱坐標系、自然坐標系等

坐標系的選擇是任意的，主要由研究問題的方便而定。坐標系的選擇不同，描述物體運動的方程是不同的。xyzO3．空間與時間

現有的時間與空間尺度范圍：

10-15m（微觀粒子尺寸）～1026m（宇宙的范圍）

10-43s（微觀粒子最短壽命）～1018s（宇宙年齡）

4．運動學方程

5．位矢

已知P點坐標（x,y,z）

我們可以求得向量OP，也就是位置矢量位矢。

位置矢量特點

有大小和方向；具有瞬時性；

具有相對性；單位：米（m）。6．位移

從A點運動到B點，此時質點的位移為向量AB

如果多個位移相互疊加時，服從平行四邊形法則。

從A點運動到B點再運動到C點，最終的和位移為兩個位移的向量和。如果在直角坐標系中建立方程關系

從P1點到P2點描述位移變化的有兩個量，一個向量，一個是標量。這兩個差別在于：

位移是矢量：是指位置矢量的變化

路程是標量：是指運動軌跡的長度xyzOP1P27．速度

從A點運動到B點

xyzO

特點：

是矢量，有大小和方向。勻速運動：速度為恒量。

變速運動：速度為變量；具有瞬時性；具有相對性；單位：m·s-1

。

8．加速度

平均加速度

速度的增量與所用時間的比值叫做質點

的平均加速度。

瞬時加速度

平均加速度的極限值稱為瞬時加速度，簡稱加速度。

方向：

t0時速度增量的極限方向；在曲線運動中，總是指向曲線的凹側。

注意

加速度是矢量，有大小和方向；

勻變速運動：加速度為恒量；

非勻變速運動：加速度為變量；

與速度具有相同的特點，

單位：m·s-2

。

位置矢量和速度是描述質點狀態的物理量，位移和加速度是反映質點運動狀態變化的物理

量。

出題形式：

已知質點的運動方程，求質點的狀態——用微分方法求解；

已知質點的狀態，求質點的運動方程——用積分方法求解。

二、圓周運動

1．切向加速度和法向加速度

任意速度

加速度

切向加速度

法向加速度

說明：

上述公式是在自然坐標系中構建的

切向加速度改變線速度的大小

法向加速度只改變運動方向，無論什么情

況，法向加速度始終指向圓心，R為曲率半徑。

在勻速圓周運動中，切向加速度為0，法向

加速度指向圓心，大小不變。2．圓周運動的角量描述

角速度角加速度

角速度與線速度的關系

勻變速圓周運動方程線量與角量的關系vθθRxΔS0ω,

Δan=0a

=0勻速直線運動an=0a

0變速直線運動an

0a

=

0勻速曲線運動an

0a

0變速曲線運動3．拋體運動的矢量形式

拋物體運動矢量方程

v0為初速度，θ為出

射角度，t=0時質點

在原點。則

a=-g=-gj

代換成v與g,注意g的方向

消去t可以得到軌跡方程

令y=0可以得到射程

將運動方程對x求導，則可以得到上升的最大高度三、相對運動常見力與基本力

1．相對運動伽利略變換

兩個絕對：

時間絕對性：在兩個作相對直線運動的參考系中，時間的測量與參考系無關。

空間絕對性：在兩個作相對直線運動的參考系中，長度的測量與參考系無關。

以地球為參照系地球月亮以太陽為參照系太陽月亮地球軌道坐標變換yOxO′yx′O系O’系速度變換位移關系若則當接近光速時，伽利略速度變換不成立！加速度變換2．常見的幾種力

國際單位與量綱

量綱

只有量綱相同的物理量才能相加減或用等號相連接；

量綱可以用來幫助記憶與推導公式。cdmolAKskgm坎德拉摩爾安培開秒千克米發光強度物質的量

電流熱力學溫度時間質量長度

常見力與基本力

1．重力

2．彈性力

彈簧被拉伸或壓縮時，其內部就產生反抗力，并企圖恢復原來的形狀，這種力稱為彈簧的恢復力。

胡克定律：

3．摩擦力

當一物體在另一物體表面上滑動或有滑動的趨勢時，在接觸面上有一種阻礙它們相對滑動的力，這種力稱為摩擦力。

摩擦力分為靜摩擦與滑動摩擦

4．萬有引力

即任何二質點都要相互吸引，引力的大小和兩個質點的質量

、

的乘積成正比，和它們距離

的平方成反比；引力的方向在它們連線方向上。

四、牛頓運動定律

1.牛頓第一定律

第一定律內容：

任何物體都將保持其靜止或勻速直線運動狀態，直到其他物體的相互作用迫使它改變運動狀態為止。

對于第一定律來說也叫做慣性定律，

說明了力的概念和力的作用。定義了一種特殊的參考系——慣性系，牛頓力學在慣性系下成立。

2．牛頓第二定律

內容：

一般熟知的內容：

單位：NKgm/s2

特點：

對應性：力產生自己的加速度；

矢量性：力只改變該方向上物體的運動狀態；

瞬時性：合外力是與加速度相伴隨的。

牛頓第二定律微分表達式：

運動的變化與所加的動力成正比，并且發生在這力所沿直線的方向上。

3．牛頓第三定律

第三定律內容：

兩個物體之間的作用力與反作用力，沿同一直線，大小相等，方向相反，分別作用在兩個物體上。

對于第三定律來說：

作用力與反作用力是矛盾的兩個方面，它們同時產生，同時消滅，任何一方都不能孤立地存在。他們是同一種性質的力，分別作用在兩個不同的物體上，它們不能互相抵消。

牛頓第三定律對任何參考系都成立。

4．牛頓運動定律應用

牛頓第二定律的基本解題步驟：

確定研究對象；

進行受力分析；

選擇坐標系；

列運動方程；

解方程；

必要時進行討論。

五、伽利略相對性原理非慣性系慣性力

1．伽利略相對性原理

一切相對于慣性系作勻速直線運動的參考系也都是慣性系，在這些慣性系內，所有力學現象