第1章质点运动学和牛顿运动定律-课件.ppt

1、一一.什么是物理学什么是物理学l 物理学物理学是研究物质世界最基本形态的科学是研究物质世界最基本形态的科学l 物理学研究的范围物理学研究的范围 物质世界的层次和数量级物质世界的层次和数量级物理学物理学 (Physics)质子质子 10-15 m空间尺度：空间尺度：物物 质质 结结 构构物质相互作用物质相互作用物质运动规律物质运动规律微观粒子微观粒子Microscopic介观物质介观物质mesoscopic宏观物质宏观物质macroscopic宇观物质宇观物质cosmological类星体类星体 10 26 m时间尺度：时间尺度：基本粒子寿命基本粒子寿命 10-25 s宇宙寿命宇宙寿命 1018

2、 sE-15E-12E-09E-06E-031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+28最小最小 的细胞的细胞原子原子原子核原子核基本粒子基本粒子DNA长度长度星系团星系团银河系银河系最近恒最近恒星的距离星的距离太阳系太阳系太阳太阳山山哈勃半径哈勃半径超星系团超星系团人人蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次物物理理现现象象 按空间尺度划分：按空间尺度划分：量子力学量子力学 经典物理学经典物理学 宇宙物理学宇宙物理学 按速率大小划分：按速率大小划分：相对论物理学相对论物理学 非相对论物理学非相对论物理学 按客体大小划分：

3、按客体大小划分：微观系统微观系统 宏观系统宏观系统 按运动速度划分：按运动速度划分：低速现象低速现象 高速现象高速现象 实验实验物理物理理论理论物理物理计算计算物理物理今日物理学今日物理学l 物理学的发展物理学的发展 牛顿力学牛顿力学(Mechanics)研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律 电磁学电磁学(Electromagnetism)研究电磁现象、物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律研究电磁现象、物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律 热力学热力学(Thermodynamics)研究物质热运动的统计规律及其宏观表现研究物质热运动的统计

4、规律及其宏观表现 相对论相对论(Relativity)研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律 量子力学量子力学(Quantum mechanics)研究微观物质运动现象以及基本运动规律研究微观物质运动现象以及基本运动规律二二.物理学的五大基本理论物理学的五大基本理论物理学是一门最基本的科学物理学是一门最基本的科学;是最古老、但发展最是最古老、但发展最快的科学快的科学;它提供最多、最基本的科学研究手段。它提供最多、最基本的科学研究手段。l 物理学是一切自然科学的基础物理学是一切自然科学的基础l 物理学派生出来的分支及交叉学科物理学派生出来的分支及交叉

5、学科物理学构成了化学、生物学、材料科学、物理学构成了化学、生物学、材料科学、地球物理学等学科的基础，物理学的基本地球物理学等学科的基础，物理学的基本概念和技术被应用到所有自然科学之中概念和技术被应用到所有自然科学之中。l 物理学与数学之间有着深刻的内在联系物理学与数学之间有着深刻的内在联系粒粒子子物物理理学学原原子子核核物物理理学学原原子子分分子子物物理理学学固固体体物物理理学学凝凝聚聚态态物物理理学学激激光光物物理理学学等等离离子子体体物物理理学学地地球球物物理理学学生生物物物物理理学学天天体体物物理理学学宇宇宙宙射射线线物物理理学学三三.物理学是构成自然科学的理论基础物理学是构成自然科学的

6、理论基础四四.物理学与技术物理学与技术2020世纪，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科世纪，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科 热机的发明和使用，提供了第一种模式：热机的发明和使用，提供了第一种模式：电气化的进程，提供了第二种模式：电气化的进程，提供了第二种模式：核能的利用核能的利用激光器的产生激光器的产生层析成像技术层析成像技术(CT)(CT)超导电子技术超导电子技术技术技术 物理物理 技术技术物理物理 技术技术 物理物理 粒子散射实验粒子散射实验X 射线的发现射线的发现受激辐射理论受激辐射理论低温超导微观理论低温超导微观理论电子计算机的诞生电子计算机的诞生 1947年年

7、 贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克来发明了贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克来发明了晶体管晶体管，标志着，标志着信息时代信息时代的开始的开始 1962年年 发明了发明了集成电路集成电路 70年代后期年代后期 出现了出现了大规模集成电路大规模集成电路 1925 26年年 建立了建立了量子力学量子力学 1926年年 建立了建立了费米费米 狄拉克统计狄拉克统计 1927年年 建立了建立了布洛赫波的理论布洛赫波的理论 1928年年 索末菲提出索末菲提出能带能带的猜想的猜想 1929年年 派尔斯提出派尔斯提出禁带禁带、空穴空穴的概念的概念 同年贝特提出了同年贝特提出了费米面费米面的概念的概念 1957年年 皮

8、帕得皮帕得测量测量了了第一个费米第一个费米面面超晶格材料超晶格材料纳米材料纳米材料光子晶体光子晶体晶体管的发明晶体管的发明大规模集成电路大规模集成电路电子计算机电子计算机信息技术与工程信息技术与工程 几乎所有的重大几乎所有的重大(高高)新技术领域的创立，事先都在物理学中新技术领域的创立，事先都在物理学中经过长期的酝酿。经过长期的酝酿。当今物理学和科学技术的关系当今物理学和科学技术的关系两种模式并存，相互交叉，相互促进两种模式并存，相互交叉，相互促进“没有昨日的基础科学就没有今日的技没有昨日的基础科学就没有今日的技术革命术革命”。李政道李政道量子力学量子力学能带理论能带理论人工设计材料人工设计材

9、料五五.物理学的方法和科学态度物理学的方法和科学态度提提出出命命题题推推测测答答案案理理论论预预言言实实验验验验证证修修改改理理论论现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学 从新的从新的观测事实观测事实或实验事或实验事实中提炼实中提炼出来，或出来，或从已有原从已有原理中推演理中推演出来出来 建立模建立模型；用已型；用已知原理对知原理对现象作定现象作定性解释，性解释，进行逻辑进行逻辑推理和数推理和数学演算学演算 新的新的理论必须理论必须提出能够提出能够为实验所为实验所证伪的预证伪的预言言 一切一切物理理物理理论最终论最终都要以都要以观测或观测或实验

10、事实验事实为准实为准则则 当一当一个理论与个理论与实验事实实验事实不符时，不符时，它就面临它就面临着被修改着被修改或被推翻或被推翻 六六.怎样学习物理学怎样学习物理学著名物理学家费曼说：著名物理学家费曼说：科学是一种方法。它教导人们：一些事物是科学是一种方法。它教导人们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了怎样被了解的，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，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断，如何区别真伪和表面现象。著名物理学家爱因斯坦说：著名物理

11、学家爱因斯坦说：发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化人来，他一定会更好地适应进步和变化。学习的观点：学习的观点：从整体上逻辑地、协调地学习物理学，了解从整体上逻辑地、协调地学习物理学

12、，了解 物理学中各个分支之间的相互联系。物理学中各个分支之间的相互联系。学习的关键：学习的关键：学习的重点：学习的重点：物理模型物理模型 数学表述数学表述 研究方法与适用条件研究方法与适用条件勤于思考勤于思考悟物穷理悟物穷理七七.参考书：大学物理学大学物理学 张三慧张三慧 主编主编 清华大学出版社清华大学出版社 大学物理教程大学物理教程 吴锡珑吴锡珑 主编主编 高等教育出版社高等教育出版社 大学物理学习指导大学物理学习指导 张孝林张孝林 主编主编 科学出版社科学出版社 普通物理学习题研讨教程普通物理学习题研讨教程 杂志杂志:大学物理大学物理 工科物理工科物理第第 1 1 章章 质点运动学和牛顿

13、运动质点运动学和牛顿运动定律定律一、参考系和坐标系一、参考系和坐标系 描述物质运动具有相对性描述物质运动具有相对性用以标定物体的空间位置而设置的用以标定物体的空间位置而设置的坐标系统坐标系统 物质运动具有绝对性物质运动具有绝对性参考系：参考系：坐标系：坐标系：为描述物体的运动而选取的参考物体为描述物体的运动而选取的参考物体 在同一参考系上建立不同的坐标系在同一参考系上建立不同的坐标系,对同一对同一物体的运动规律和结果的描述完全相同物体的运动规律和结果的描述完全相同.1-1 1-1 质点运动的描述质点运动的描述二、质点二、质点质点：质点：具有一定质量的几何点具有一定质量的几何点两种可以把物体看作

14、质点来处理的情况两种可以把物体看作质点来处理的情况:作平动的物体，可以被看作质点。作平动的物体，可以被看作质点。两相互作用着的物体，如果它们之间的两相互作用着的物体，如果它们之间的 距离距离远大于本身的线度，可以把这两物体看作质点。远大于本身的线度，可以把这两物体看作质点。三、位置矢量三、位置矢量（位矢）（位矢）zyxo位矢位矢:用有向线段表示用有向线段表示记作记作:kzj yi xr大小为：大小为：222zyxr位矢的方向：位矢的方向：rzcosrycosrxcos1coscoscos222P(x,y,z)r运动方程：运动方程：ktzjtyitxr)()()(矢量形式矢量形式参数形式参数形式

15、)()()(tzztyytxx轨道方程轨道方程xozy四、运动学方程四、运动学方程消消去去 t五、位移五、位移设质点作曲线运动设质点作曲线运动t时刻位于时刻位于A点，位矢点，位矢t+t时刻位于时刻位于B点，位矢点，位矢ArBr 位移：位移：在在 t时间内，位矢的变化量（即时间内，位矢的变化量（即A到到B的有向线段）的有向线段）ABrrrAB-zyxoBA在直角坐标系中在直角坐标系中k zj yi xr222zyxrABoA数学上数学上:BArrr-ABrrr-ABABrrrrr-BrArr物理意义上物理意义上:r为两矢量之差为两矢量之差r为两矢量之差的大小为两矢量之差的大小为两矢量大小之差为两

16、矢量大小之差r2012.10真题第真题第1题题六、速度六、速度速度是反映质点运动的快慢和方向的物理量速度是反映质点运动的快慢和方向的物理量单位时间内质点所发生的位移单位时间内质点所发生的位移1 1、平均速度、平均速度设质点作一般曲线运动设质点作一般曲线运动tA时刻位于时刻位于A点，点，tB时刻位于时刻位于B点点在在 t时间内发生位移时间内发生位移ABrrr-平均速度：平均速度：smtrv平均速度的方向与平均速度的方向与 t时间内位移的方向一致时间内位移的方向一致BAozyx2 2、瞬时速度、瞬时速度质点在某一时刻所具有的速度质点在某一时刻所具有的速度10lim-smdtrdtrvt速度的方向为

17、轨道上质点所在处的切线方向。速度的方向为轨道上质点所在处的切线方向。kvjvivvzyxdtdzvdtdyvdtdxvzyx,ozyxAB222zyxvvvvv3 3、速率、速率在在 t时间内，质点所经过路程时间内，质点所经过路程 s对时间的变化率对时间的变化率1-smtsvdtdstsvtlim0一般情况：一般情况：当当 t0时：时：srBA例题例题:某质点运动学方程为某质点运动学方程为 单位单位(m)，求，求t=0，1s时质点的速度矢量时质点的速度矢量.ktj tir251510-注：先求导再代入注：先求导再代入解：解：k tjdtrdv1015jvt1501cos0coscos/15sm

18、vkjvt1015118.5642.3390832.0cos555.003.1810cos0cos/03.18101522smvt1时刻，质点速度为时刻，质点速度为t2时刻，质点速度为时刻，质点速度为1v2v七、加速度七、加速度加速度是反映速度变化的物理量加速度是反映速度变化的物理量 t时间内，速度增量为：时间内，速度增量为：12vvv-tva平均加速度的方向与速度增量的方向一致平均加速度的方向与速度增量的方向一致xozy1v2v1v2vv当当 t0时，平均加速度的极限即为瞬时加速度。时，平均加速度的极限即为瞬时加速度。kajaiaazyx222222dtzddtdvadtyddtdvadtx

19、ddtdvazzyyxx222zyxaaaa当当 t趋向零时，速度增量趋向零时，速度增量 的极限方向的极限方向v220limdtrddtvdtvat1、已知运动方程，求质点任意时刻的位置、速、已知运动方程，求质点任意时刻的位置、速度以及加速度度以及加速度2、已知运动质点的速度函数（或加速度函数）、已知运动质点的速度函数（或加速度函数）以及初始条件求质点的运动方程以及初始条件求质点的运动方程注意：注意：矢量积分可以化为标量积分（沿各方矢量积分可以化为标量积分（沿各方向分解）向分解）已知质点的运动方程已知质点的运动方程 mjti tr22192-t=2秒时质点的位置、速度以及加速度。秒时质点的位置

20、、速度以及加速度。方向沿方向沿y轴的负方向轴的负方向再看再看 P9：例题：例题1-32012.10真题第真题第21题题 圆周运动是一般曲线运动的一个特例，曲圆周运动是一般曲线运动的一个特例，曲率半径恒为率半径恒为r。dtdvatrvan20tarvaan21-2 1-2 圆周运动及其描述圆周运动及其描述设：质点作半径为设：质点作半径为r的圆周运动的圆周运动角位置角位置 逆时针转向逆时针转向为正为正顺时针转向顺时针转向为负为负)(10lim-sraddtdtt)(20lim-sraddtdttrB sxoA 圆周运动的角量描述圆周运动的角量描述02022000221-tttratrs dtdrd

21、tds22rrvandtdrdtdvrv 2ran与线量对比？！与线量对比？！半径为半径为r=0.2m的飞轮，可绕的飞轮，可绕o轴转动。已轴转动。已知轮缘上一点知轮缘上一点M的运动方程为的运动方程为=-t2+4t，求在，求在1秒秒时刻时刻M点的速度和加速度。点的速度和加速度。42-tdtd2-dtd1sm4.0)412(2.0)4t2(rrv-24.0)2(2.0-smrat2228.0)412(2.0-smran22289.0-smaaant-4.634.08.011tgaatgtnoxnataav一质点沿半径为一质点沿半径为R的圆周运动，其路程的圆周运动，其路程s随时随时间间t的变化规律为

22、的变化规律为 ，式中，式中b，c为大于为大于零的常数，且零的常数，且 。求（。求（1）质点的切向加速）质点的切向加速度和法向加速度。（度和法向加速度。（2）经过多长时间，切向加速）经过多长时间，切向加速度等于法向加速度。度等于法向加速度。221ctbts-Rcb 2ctbdtdsv-cdtdvat-RctbRvan22)(-ntaa cRcbcRcbt2012.10真题第真题第2题题1、万有引力、万有引力22121rmmGFF2211/1067.6kgmNG-1-4 常见力常见力重力：在地球表面的物体，受到地球的吸引而使物重力：在地球表面的物体，受到地球的吸引而使物体受到的力。体受到的力。重力

23、与重力加速度的方向都是竖直向下。重力与重力加速度的方向都是竖直向下。R 地轴地轴赤道面赤道面mfGFf向心力万有引力万有引力F重力重力GgmG 2sm8.9-g 物体发生弹性变形后，内部产生企图物体发生弹性变形后，内部产生企图恢复形变的力。恢复形变的力。xkF-（胡克定律，（胡克定律，k k 称为劲度系数）称为劲度系数）0 xF（1）弹簧的弹力弹簧的弹力（2）正压力（支持力）正压力（支持力）两个物体相互接触且相两个物体相互接触且相互挤压时产生的，大小取决互挤压时产生的，大小取决于相互挤压的程度，方向垂于相互挤压的程度，方向垂直于接触面指向对方。直于接触面指向对方。NN（3）绳对物体的拉力）绳对

24、物体的拉力张力张力-绳内部各段之间的弹性作用力绳内部各段之间的弹性作用力BBAATTTTBA-，点的张力：点和amTTBA由牛顿第二定律：BAFFATATBTBT 当物体与接触面存在相对滑动趋势时，物体所受到当物体与接触面存在相对滑动趋势时，物体所受到接触面对它的阻力。其方向与相对滑动趋势方向相反。接触面对它的阻力。其方向与相对滑动趋势方向相反。静摩擦力的大小随外力的变化而变化。静摩擦力的大小随外力的变化而变化。为静摩擦系数：为静摩擦系数：与接触面的材料和表面情况有关与接触面的材料和表面情况有关FNgmFf-当物体相对于接触面滑动时，物当物体相对于接触面滑动时，物体所受到接触面对它的阻力。其方

25、向体所受到接触面对它的阻力。其方向与滑动方向相反。与滑动方向相反。为滑动摩擦系数：为滑动摩擦系数：与接触面的材料和表面与接触面的材料和表面情况有关，还与物体的情况有关，还与物体的相对运动速度有关相对运动速度有关vNgm英国物理学家英国物理学家,经典物理学的经典物理学的奠基人奠基人.他对力学、光学、热学、他对力学、光学、热学、天文学和数学等学科都有重大发现天文学和数学等学科都有重大发现,其代表作其代表作自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理是力学的经典著作。恩格斯评价说是力学的经典著作。恩格斯评价说:牛顿由于发明了万有引力定律而创牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学；由于进行了光立了科学

26、的天文学；由于进行了光的分解，而创立了科学的光学；由的分解，而创立了科学的光学；由于创立了二项式定理和无限理论而于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学；由于认识了力创立了科学的数学；由于认识了力的本质，而创立了科学的力学。的本质，而创立了科学的力学。牛顿牛顿 Issac Newton （16431727）1-5 1-5 牛顿运动定律牛顿运动定律 任何物体都要保持其静止或匀速直线运动状态，任何物体都要保持其静止或匀速直线运动状态，直到外力迫使它改变运动状态为止直到外力迫使它改变运动状态为止.)()(,)()(tmtpttptFvddv时，时，恒矢量恒矢量0F 动量为动量为 的物体，在合外

27、力的物体，在合外力 的作用下，其动的作用下，其动量随时间的变化率应当等于作用于物体的合外力量随时间的变化率应当等于作用于物体的合外力.pF微分形式-ttFtpd)()(d321aaaaxxmaFyymaF zzmaF kajaiaazyxkFjFiFFzyx321FFFF 力的叠加原理力的叠加原理瞬时瞬时关系关系牛顿定律的研究对象是单个物体牛顿定律的研究对象是单个物体（质点）（质点）cv当当 时，时，为常量为常量)()(tamtFm适用条件：适用条件：1、适用于平动物体和质点、适用于平动物体和质点2、适用于低速物体、适用于低速物体3、适用于宏观物体、适用于宏观物体4、适用于惯性参考系、适用于惯

28、性参考系 两个物体之间作用力两个物体之间作用力 和反作和反作用力用力 ,沿同一直线沿同一直线,大小相等大小相等,方向相反方向相反,分别作用分别作用 在两个物体上在两个物体上.FF2112FF-（物体间相互作用规律）（物体间相互作用规律）mmTTPP地球地球amF解题步骤：解题步骤：十六字诀十六字诀隔离物体隔离物体明确研究对象明确研究对象具体分析具体分析研究对象的运动情况和受研究对象的运动情况和受力情况，作出受力图力情况，作出受力图选定坐标选定坐标参考系、坐标系、正方向参考系、坐标系、正方向建立方程建立方程分量式分量式如图所示，两木块质量分别为如图所示，两木块质量分别为mA=1.0kg,mB=2

29、.0kg。A、B间的摩擦系数间的摩擦系数 1=0.20。B与与桌面的摩擦系数桌面的摩擦系数 2=0.30。若木块滑动后它们的。若木块滑动后它们的加速度大小均为加速度大小均为0.15ms-2。求作用在。求作用在B物上的物上的拉力？拉力？BAAyxBFgmA1fT1NgmB1NF2N1fT2faaamTfA-101-gmNA111NfamTgmAA-1yxAgmA1fT1NaamTffFB-21012-gmNNB222NfamTgmmgmFBBAA-)(21BgmB1NF2N1fT2fyxa例题例题2 设电梯中有一质量可以忽略的滑轮，在滑轮两侧设电梯中有一质量可以忽略的滑轮，在滑轮两侧用轻绳悬挂着

30、质量分别为用轻绳悬挂着质量分别为m1和和m2的重物的重物A和和B，已知，已知m1m2。当电梯。当电梯(1)匀速上升，匀速上升，(2)匀加速上升时，求绳中匀加速上升时，求绳中的张力和物体的张力和物体A相对于电梯的加速度。相对于电梯的加速度。raram1 1m2 2oygm1gm2TT解解：以地面为参考系，物体以地面为参考系，物体A A和和B B为研究对象，分别为研究对象，分别进行受力分析。进行受力分析。物体在竖直方向运动，建立坐标系物体在竖直方向运动，建立坐标系oy1am1 11am2 22a(1)(1)电梯匀速上升，物体对电梯的加速度等于它们对电梯匀速上升，物体对电梯的加速度等于它们对地面的加

31、速度。地面的加速度。A的加速度为负，的加速度为负，B的加速度为正，的加速度为正，根据牛顿第二定律，对根据牛顿第二定律，对A和和B分别得到：分别得到：r11amgmT-r22amgmT-上两式消去上两式消去T，得到：，得到：gmmmma2121r-gmmmmT21212 将将ar r代入上面任一式代入上面任一式T，得到：，得到：raram1 1m2 20aoy(2)(2)电梯以加速度电梯以加速度a a上升时，上升时，A A对地的加速度对地的加速度a-a-a ar r，B B的对地的加速度为的对地的加速度为a+aa+ar r，根据牛顿第，根据牛顿第二定律，对二定律，对A A和和B B分别得到：分别得到：)(r11aamgmT-)(r22aamgmT -解此方程组得到：解此方程组得到：)(2121rgammmma -)(22121gammmmT raram1 1m2 20aoy讨论：讨论：由由(2)(2)的结果，令的结果，令a=0，即得到的结果，即得到的结果gmmmma2121r-gmmmmT21212 由由(2)(2)的结果，电梯加速下降时，的结果，电梯加速下降时，a0)(2121ragmmmma-)(22121agmmmmTraram1 1m2 2a当当a=-ga=-g时，时，a ar r=0,T=0,=0,T=0,失重状态失重状态