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1、大学物理,教师：李昭涵,Tel：15137056806,办公室：70119,E-mail:,一.什么是物理学?,物理学是研究物质世界最基本形态的科学,物理学研究的范围 物质世界的层次和数量级,物理学(Physics),微观粒子Microscopic,介观物质mesoscopic,宏观物质macroscopic,宇观物质cosmological,绪 论,最小 的细胞,原子,原子核,基本粒子,DNA长度,星系团,银河系,最近恒星的距离,太阳系,太阳,山,哈勃半径,超星系团,人,蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次,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,
2、热力学(Thermodynamics)研究物质热运动的统计规律及其宏观表现,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,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,量子力学(Quantum mechanics)研究微观物质运动现象以及基本运动规律,二.物理学的五大基本理论,物理学是一门最基本的科学;是最古老、但发展最快的科学;它提供最多、最基本的科学研究手段。,物理学的基本框架,来自物理学：基本概念及其与方方面面的联系,物理学是一切自然科学的基础,物理学派生出来的分支及交叉学科,物理学构成了化学、生物学、材料科学、地
3、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。,粒子物理学,原子核物理学,原子分子物理学,固体物理学,凝聚态物理学,激光物理学,等离子体物理学,地球物理学,生物物理学,天体物理学,宇宙射线物理学,三.物理学是构成自然科学的理论基础,四.物理学与技术,20世纪，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科,核能的利用,激光器的产生,层析成像技术(CT),超导电子技术,粒子散射实验,X 射线的发现,受激辐射理论,低温超导微观理论,电子和信息技术的物理基础,从基本原理转变为技术的速度加快,几乎所有的重大新(高)技术领域的创立，事先都在物理学中经过长期的酝酿。,当今物理学和科学
4、技术的关系,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术革命”。李政道,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：,五.物理学的方法和科学态度,提出命题,推测答案,理论预言,实验验证,修改理论,现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学,从新的观测事实或实验事实中提炼出来，或从已有原理中推演出来,建立模型；用已知原理对现象作定性解释，进行逻辑推理和数学演算,新的理论必须提出能够为实验所证伪的预言,一切物理理论最终都要以观测或实验事实为准则,当一个理论与实验事实不符时，它就面临着被修改或被推翻,物理学的基本思想方法：用模型来描述自然，用数学
5、来表达模型，用实验来检验模型。,物理学描述的是关于实在世界的模型,我们可以把组成这个“世界”的这些运动事物的复杂组合，想象成天神们下的一盘巨大的象棋，而我们是这局棋的观众。我们不知道奕棋的规则，允许我们做的就是观看这场棋赛。当然，如果看的时间够长，我们终归能看出几条规则来。这些奕棋规则就是我们所说的基础物理学。如果你会下棋就一定知道，学会所有的规则是容易的，而要选择最佳的走法或理解人家为什么这样走则往往很困难。在自然界中也是如此，只是程度更厉害除了我们还不知道全部规则之外，用已知的规则我们确实能解释的事物也是非常有限的，因为所有的情况都极其复杂，我们不能用这些规则领会这盘棋的走法，更不用说预言
6、下一步将发生什么情况了。因此，我们只能满足于奕棋规则这个比较基本的问题。,费曼R.P.Feynman（19181988）,六.怎样学习物理学,著名物理学家费曼说：,学习物理学的困难：1）内容广泛：涵盖力学、热学、光学、电磁学等领域；2）时空跨度大：从经典到近代，从宏观到微观；3）方法变化大：从中学的常量问题到应用矢量和微积分处理复杂的变量问题。,学习的关键：,学习的重点：,物理模型 数学表述 研究方法与适用条件,勤于思考,悟物穷理,关于学习方法和学风的要求 反对应试观点，重视素质和能力的培养，特别是创新意识的培养。重视预习复习，主动培养自学能力，适应“粗线条”“快节奏”的讲课方式。学会记笔记（
7、记思路、要点和有特色的内容）。独立、认真完成作业，摒弃“题海战术”。遵守课堂纪律、尊重他人。,著名物理学家爱因斯坦说：,2、期末考试成绩占总成绩70,学习成绩计算方法,1、平时成绩占总成绩30主要根据作业完成情况评定成绩（注意：按学校规定缺交作业1/3以上者，不能参加期末考试）。,力学（mechanics),一门研究机械运动(mechanical motion)的科学,两种基本形式：,1.平动-物体上任意两点间的连线在运动 过程中恒保持平行的运动,2.定轴转动-各点绕一固定轴作圆周运动的运动形式,1.质点-把实际物体看成只有质量而无大小 形 状的力学研究对象。,两个基本模型：,机械运动：物体之
8、间或同一物体各部分之 间相对位置的变化,2.刚体-任何情况下大小形状都不发生变化的力学研究对象,不能看成质点的物体可看成质点的集合-质点系,注意：,第一章 质点运动 时间 空间,1-1 质点运动的描述之一,1-2 质点运动的描述之二,1-3 经典时空观及其局限性,1-4 相对论时空观,教学基本要求,一、掌握位矢、位移、速度和加速度等概念.,二、能借助于直角坐标系计算质点在平面内运动时的速度和加速度.,三、掌握质点作圆周运动时的切向加速度、法向加速度、角速度、角加速度等概念和角量与线量的关系，并能做相关计算.,四、了解惯性参考系、伽利略变换和经典时空观，了解伽利略相对性原理，了解狭义相对论产生的
9、科学背景（含洛伦兹变换）.了解狭义相对论的基本原理和时空观的基本理论.,*五、了解狭义相对论中同时的相对性及长度收缩和时间膨胀等相对论效应，会做简单的相关计算.,1-1 质点运动的描述之一,一.运动描述的相对性,1、参考系,描述物质运动具有相对性,物质运动具有绝对性,东汉“尚书纬考灵曜”云：“地恒动不止而人不知，比如人在大舟中，闭牖而坐，舟行而不觉也。”,参考系：用来描述物体运动而选作为参考的物体或物体系,太阳参考系 地心参考系 地面参考系或实验室参考系 质心参考系,(1)运动学中参考系可任选，不同参考系中物体的运动形式（如轨迹、速度等）可以不同。描述物体运动时，必须 指明参考系。(2)若不指
10、明参考系，则认为以地面为参考系。(3)常用参考系:,2、坐标系：固结在参考系上的一组有刻度的射线、曲线或 角度。是参考系的数学抽象。,(1)直角坐标系：,直角坐标(x,y,z)确定质点位置,(2)平面极坐标系,平面极坐标(r,)确定质点的位置,通常规定从极轴沿逆时针方向的为正,分别是x、y、z方向的单位矢量,横向单位矢量:,径向单位矢量:,(3)自然坐标系：,在已知运动轨迹上任选一点O为原点建立的坐标系,自然坐标 s(t)确定质点的位置,:切向单位矢量,:法向单位矢量,二.描述质点运动的物理量,位矢：表征空间某点P的位置，由 原点O到P的矢量,1.位置矢量（位矢）,位矢 的方向余弦,式中、分别
11、为x、y、z 方向的单位矢量.,*,2.位移和路程,位移：描述质点一段时间内位置的改变,路程：在一段时间内，质点所经过的 路径的总长度,注意,意义不同!,一般情况下,但,即元路程等于元位移大小,通常也有,在极限情况下有,3.速度：描述质点位置变化快慢和变 化方向的物理量,平均速度,在 时间内，质点位移为,瞬时速度（简称速度）,若质点在三维空间中运动，其速度,当 时,速度大小（速率）:,-轨道切线向前方向,速度方向：的方向,用自然坐标表示：,一运动质点在某瞬时位于位矢 的端点处，其速度大小为,（A）,（B）,（C）,（D）,讨论,注意,速率,4.加速度：描述质点速度变化快慢和变化方向的物理量,平
12、均加速度,（瞬时）加速度,方向：沿速度增量的方向,大小:,直角坐标系下:,即：,加速度方向:指向轨道曲线凹下的 一侧,请思考：速度增加、减小或大小不变时，,之间夹角有何特点.,是否有,讨论,三.运动方程,2.轨迹方程：从运动方程中消去参数 t 得到质点位置坐标 之间的关系式,1.运动方程：质点位置矢量随时间变化的函数关系,3.质点运动学两类基本问题,由质点的运动方程求得质点在任一时刻的速度和加速度（通过求导计算）；,已知质点的加速度以及初始速度和初始位置,求质点速度及其运动方程（通过积分计算）.,例：已知质点的运动方程是，式中R、是常数.,（1）运动学方程的分量式是,由 中消去时间参量t，,求:（1）质点轨道方程；（2）质点的速度和加速度.,得到轨迹方程,解：,（2）将 对时间求导,例：设质点沿x轴作匀变速直线运动，加速度 不随时间变化，初位置为x0，初速度为.试用积分法求出质点的速度公式和运动方程.,解：因为质点做直线运动,所以,对上式两边做积分运算,得,将初始条件带入上式,确定积分常数,所以速度公式为,由速度定义,有,所以,对上式两边积分运算:,得,将初始条件带入上式,确定积分常数,运动方程为,
