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University Physics,Xi’an Jiaotong University Aiping Fang apfang@ 2 / 20 / 2012,University physics AP Fang,,方愛平,理學院應用物理系,辦公電話：82663394,辦公室：主樓E1111,E-mail：apfang@,大學物理網(wǎng)址：202.117.23.17,課件下載：“教學園地” 姓名：學號 密碼：學號,一、什么是物理學？,● 物理學 —— 研究物質(zhì)世界中最基本形態(tài)和規(guī)律的科學,● 物理學研究范圍 —— 物質(zhì)世界的層次和數(shù)量級,Physics,,,質(zhì)子:,類星體:,,空間尺度：,,微觀粒子 Microscopic,介觀物質(zhì) mesoscopic,宏觀物質(zhì) macroscopic,宇觀物質(zhì) cosmological,,,,緒 論,University physics AP Fang,,基本粒子壽命,宇宙壽命,,時間尺度：,,最小 的細胞,原子,原子核,基本粒子,DNA長度,星系團,銀河系,最近恒 星的距離,太陽系,太陽,山,哈勃半徑,超星系團,人,蛇吞尾圖——形象地表示了物質(zhì)空間尺寸的層次,University physics AP Fang,,標準宇宙模型給出的宇宙起源與基本粒子標準模型給出的物質(zhì)組成是一致的,按空間尺度劃分： 量子力學 經(jīng)典物理學 宇宙物理學,按運動速率大小劃分： 相對論物理學 非相對論物理學,按客體大小劃分： 微觀系統(tǒng) 宏觀系統(tǒng),按運動速度劃分： 低速現(xiàn)象 高速現(xiàn)象,● 物理學的發(fā)展,,實驗 物理,理論 物理,計算 物理,Today Physics,University physics AP Fang,,二、物理學中的主要基本理論是什么？,● 牛頓力學（Newtonian mechanics） 研究物體機械運動的基本規(guī)律及關于時空相對性的規(guī)律,● 電磁學（Electromagnetism） 研究電磁現(xiàn)象、物質(zhì)的電磁運動規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律,● 熱力學（Thermodynamics） 研究物質(zhì)熱運動的統(tǒng)計規(guī)律及其宏觀表現(xiàn),● 相對論（Relativity） 研究物體的高速運動效應以及相關的動力學規(guī)律,● 量子力學（Quantum mechanics） 研究微觀物質(zhì)運動現(xiàn)象以及基本運動規(guī)律,★ 結(jié)論：物理學是一門最基本的科學；是最古老、但發(fā)展最快的科學；它提供最多、最基本的科學研究手段。,University physics AP Fang,,三、物理學構(gòu)成所有自然科學的理論基礎,● 物理學是一切自然科學的基礎,● 物理學派生的分支：,物理學構(gòu)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(shù)被應用到所有的自然科學之中。,● 物理學與數(shù)學之間的關系,University physics AP Fang,,四、物理學與技術(shù),二十世紀以來，物理學被公認為科技發(fā)展中最重要的帶頭學科,● 第一種模式 —— 熱機的發(fā)明,● 第二種模式 —— 電氣化的發(fā)展,核能的利用,激光器的產(chǎn)生,層析成像技術(shù)(CT),電子計算機,技術(shù)—— 物理—— 技術(shù),物理——技術(shù)—— 物理,? 粒子散射實驗,X 射線的發(fā)現(xiàn),受激輻射理論,晶體管的發(fā)現(xiàn),University physics AP Fang,,University physics AP Fang,,電子計算機的誕生,● 1947年 貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克來發(fā)明了晶體管，標志著信息時代的開始,● 1962年 發(fā)明了集成電路,● 70年代后期 出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路,● 1925 ? 26年 建立了量子力學,● 1926年 建立了費米??狄拉克統(tǒng)計,● 1927年 建立了布洛赫波的理論,● 1928年 索末菲提出能帶的猜想,● 1929年 派爾斯提出禁帶、空穴的概念 同年貝特提出了費米面的概念,● 1957年 皮帕得測量了第一個費米面,University physics AP Fang,,超晶格材料,納米材料,光子晶體,晶體管的發(fā)明,大規(guī)模集成電路,,電子計算機,,,信息技術(shù)與工程,● 當今物理學和科學技術(shù)的關系,兩種模式并存，相互交叉，相互促進,,,,量子力學,能帶理論,人工設計材料,,,● 幾乎所有的重大新(高)技術(shù)領域的創(chuàng)立，事先都在物理學中經(jīng)過長期的醞釀。,“沒有昨日的基礎科學就沒有今日的技術(shù)革命”。 —— 李政道,University physics AP Fang,,五、怎樣學習物理學?,,著名物理學家費曼說：,著名物理學家愛因斯坦說：,● 學習的方法：從整體上邏輯地、協(xié)調(diào)地學習物理學，了解 物理學中各個分支之間的相互聯(lián)系。,University physics AP Fang,,,,,?,,O,,,取一質(zhì)量元,切線方向,對固定軸的力矩,對所有質(zhì)元,合內(nèi)力矩 = 0,合外力矩 M,剛體的轉(zhuǎn)動慣量 J,,剛體繞定軸轉(zhuǎn)動定律,● 學習的關鍵：,勤于思考,悟物窮理,University physics AP Fang,,經(jīng)典理論解釋氫原子的線狀光譜遇到困難,電子繞原子核做圓周運動 輻射電磁波 原子系統(tǒng)的能量逐漸減小 不可能有穩(wěn)定的原子 原子光譜為連續(xù)的帶狀光譜,,,,,,,University physics AP Fang,,電子雙縫干涉實驗,,,僅縫A打開,僅縫B打開,雙縫同時打開時實際得到的干涉圖,,雙縫同時打開時所想象的干涉圖,實物粒子具有粒子性,實物粒子具有波動性,矛 盾,伴隨實物粒子的波到底是什么樣的波。,?,● 學習的重點：,● 物理模型 ● 數(shù)學表述 ● 研究方法與適用條件,University physics AP Fang,,不考慮分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并忽略其大小,標準狀況下氣體分子間平均距離,已知液氮的密度,氮分子半徑,理想氣體的微觀模型,理想氣體的狀態(tài)方程,實際氣體的狀態(tài)方程,University physics AP Fang,,六、本學期的任務和要求,● 任務：,經(jīng)典力學,狹義相對論,電磁學,● 聽課：信息量較大，進度較快，范圍較寬,要求：抓住主線，注重分析，學會總結(jié),● 閱讀：,●《大學物理》 吳百詩 主編 科學出版社 ● 《大學物理學》 張三慧 主編 清華大學出版社 ● 《費曼物理學講義》,教 材：《大學物理》 吳百詩 主編 高等教育出版社,參考書：,● 作業(yè)： ( 兩本 8. 00元，中二樓3216 ) 要求：獨立完成，舉一反三，一題多解，扎實練習,University physics AP Fang,,● 答疑時間安排：,2-16周 周一至周四 晚 7:30 ~ 10:00,地點：中二樓3224,另每兩周安排單獨答疑一次：地點：主樓E1111，時間待定,關于學生成績評定辦法,平時成績占總成績10%: 根據(jù)作業(yè)完成情況和隨堂測驗評定成績（注意：按學校規(guī)定缺交作業(yè)1/3以上者，不能參加期末考試）。 2. 期中考試占總成績10% 3. 期末考試占總成績80%: 題型及成績分布：(1)選擇題20分； (2) 填空題30分； (3) 計算及證明題50分,第一篇 經(jīng)典力學,經(jīng)典力學 —— 物體機械運動現(xiàn)象與動力學規(guī)律,? 機械運動 —— 物體相對于其他物體的位置隨時間發(fā)生的變化，或物體內(nèi)部的各部分的相對位置隨時間發(fā)生的變化。,物質(zhì)運動最基本、最簡單的運動形式,? 力學是物理學和許多工程技術(shù)學科的基礎,University physics AP Fang,,,質(zhì)點運動學,,質(zhì)點動力學,,剛體力學,,運動規(guī)律的原因,質(zhì)點集合（質(zhì)點系）,剛體運動的基礎,第一章 質(zhì)點運動學,預備知識：微積分，矢量代數(shù)，國際單位制（SI）,1-1 質(zhì)點運動學的基本概念,一、質(zhì)點 質(zhì)點系 剛體,? 質(zhì)點：,無大小與形狀的空間幾何點,具有一定的質(zhì)量,,? 質(zhì)點系 —— 若干質(zhì)點的集合體,對實際物體有條件的、合理的抽象描述,理 想 模 型,二、參照系 位置矢量,1. 參照系,描述物體的相對性 描述物體的近似性,? 剛體 —— 大小、形狀的變化可以忽略不計,University physics AP Fang,,? 參照物：,,,,,x,y,z,0,P,參照物,,選取的任意性，,? 參照系：參照物 + 坐標系 + 時鐘,? 極坐標系 ……,2 . 位置矢量（Position Vector）,運動的相對性,? 直角坐標系,? 自然坐標系,,,,,,,P ( t ),x,z,y,o,,,,,,直角坐標系,方向：,大?。?University physics AP Fang,,三、運動學方程 ( Equations of motion ),時刻 1：,時刻 2：,,,直角坐標系：,? 描述物體運動狀態(tài),? 運動疊加（合成）原理,? 確定物體運動軌跡 —— 軌跡方程,例：已知質(zhì)點運動,分析規(guī)律？,解：,質(zhì)點做平面圓周運動,University physics AP Fang,,1-2 位移 速度 加速度,一、位移（Displacement vector）,,,,,,,,x,y,z,O,P,P’,? 反映了物體運動中位置 （距離與方位）的變化。,? 討論：,1. 直角坐標系中,2. 位移與參照物位置的變化無關,,,,,,,O,,O’,University physics AP Fang,,4. 自然坐標系,,,,O’,P,Q,? s,,,,,前提：質(zhì)點相對參考系的運動軌跡已知,路程,5. 位移是矢量（有大小，有方向）,路程是標量,6. 位移僅與始、終兩點有關，而與運動的細節(jié)無關,一質(zhì)點以半徑R 作勻速圓周運動，以圓心為原點，半個 周期內(nèi)質(zhì)點位移的大小 ，位矢大小的增 量為 。,例：,,,University physics AP Fang,,二、速度,( 描述質(zhì)點位置變化快慢和方向的物理量 ),1. 平均速度,,,,O,,(1) 是矢量,說明,(3) 由于位移與所起始時刻及間隔大小有關，所以談到平均 速度時應指明哪一時刻所取哪段時間內(nèi)的平均值。,(4) 位矢大小的變化對速度有貢獻，位矢方向的變化同樣對 速度有貢獻。,(5) 它只能對時間 內(nèi)質(zhì)點位矢隨時間變化的情況作一粗略描述。,,(2) 直角坐標系,University physics AP Fang,,2. 瞬時速度,,,,,A,B,B’,? 速度的性質(zhì)：矢量性 瞬時性 相對性,? 速度與速率的區(qū)別,,B’’,,,,,,? 直角系：,,University physics AP Fang,指向自然坐標正的一側(cè),,? 自然坐標系：,方向,大小,方向,,,,,,,?,,University physics AP Fang,,例1：質(zhì)點運動方程：,求：1 軌跡方程,2,到,內(nèi)的,3,和,時，質(zhì)點的瞬時速度,解：,,,,,,,,,y,x,o,,,,University physics AP Fang,,,例2: 如圖，,桿以角速度,繞定點,勻速轉(zhuǎn)動，,端與重物,用細繩連接，,已知,求: 當,時，,的速度,B,M,l,R,?,r,解：,設,在t 時刻，,運動學方程,,,University physics AP Fang,,思考:,已知,求,? 答案二：先求出,? 答案一：先求出,你認為哪種方法是正確的？Why?,,,University physics AP Fang,,三、加速度,1. 平均加速度,2. 瞬時加速度,,,,,,,,,,A,B,O,它是描述速度矢量變化的物理量。,變化：速度大小和方向隨時間變化。,,說明,,(1) 加速度反映速度的變化（大小和方向）情況。,(2) 加速度的方向總是指向軌跡曲線凹的一面。,University physics AP Fang,,(3) 直角坐標系,(4) 自然坐標系,第一項 大小,方向,切向加速度,意義,反映速度大小的變化,University physics AP Fang,,第二項,法向加速度,反映速度方向變化的快慢,意義,University physics AP Fang,,,? 勻速圓周運動為例,,,,,,,P,Q,O,??,R,?s,??,,,,,討論,(1) 在一般情況下,其中? 為曲率半徑，,引入曲率圓后，整條曲線就可看成是由許多不同曲率半徑的圓弧所構(gòu)成,,,,,,,,,,?,,?,,,,,,,,,,,的方向指向曲率圓中心,,University physics AP Fang,,(2) 自然坐標系與直角坐標系的關系,當,?,?,University physics AP Fang,,思考題：拋體運動中的曲率半徑？,,,y,x,o,,B,C,?,,,,對B 點：,,例1：,,,,,如圖示，求速度大小與時間的關系,解：,,,,University physics AP Fang,,例2: 將光滑鋼絲彎成一豎直平面內(nèi)的曲線，一質(zhì)點可沿鋼絲向下滑動。,已知，質(zhì)點運動的切向加速度為,g 重力加速度，? 為切向與水平方向夾角,求：,,,,,,y,x,?,O,g,dy,ds,P,解：由題意知,,,,,,,University physics AP Fang,,University physics AP Fang,,已知質(zhì)點運動方程為,求：,之間的路程 。,例3：,解：,質(zhì)點運動速度為,速率為,路程有,圓周運動的角量描述以及角量與線量之間的關系,? 角位置（Angular position）與角位移,當,質(zhì)點圓周運動的角位移,規(guī)定：右手法則確定,的正負取值,? 角速度（Angular velocity）,當,定義：質(zhì)點作圓周運動的角速度,描述質(zhì)點轉(zhuǎn)動速率和轉(zhuǎn)動方向,,,,,,,,,,,d?,P,Q,o,o,??,?,x,P,Q,y,— 質(zhì)點的圓周運動方程,三、圓周運動,University physics AP Fang,,? 角加速度,角加速度＝角速度對時間的一階導數(shù),? 注意：角加速度方向與角速度變化量的方向相同,,,,o,P,? 角量與線量的關系,,,,,,,P,o,d?,University physics AP Fang,,? 線位移與角位移的關系：,? 速度與角速度的關系：,? 大?。?? 方向：由右手法則確定,,,? 加速度與角加速度的關系：,,,,University physics AP Fang,,例1：一質(zhì)點作半徑為,的圓周運動，已知運動學方程為,試求：1）當,時，質(zhì)點運動的切向加速度和法向加速,2）當,時，質(zhì)點的加速度與半徑成,角？,解： 1）由已知條件，,度以及加速度的大小?,,,,2）設,時刻，質(zhì)點的加速度與半徑成,角，則,,,,University physics AP Fang,,例1： 一質(zhì)點在水平面內(nèi)以順時針方向沿半徑為,道運動。此質(zhì)點的角速度與運動時間的平方成正比，即,—— 待定常數(shù),已知質(zhì)點,末的線速度為,，求,時質(zhì)點的線速度和線加速度？,的圓形軌,解：先確定常數(shù),,,,,University physics AP Fang,,University physics AP Fang,,一質(zhì)點沿半徑為R 的圓周運動,運動學方程為: 其中 都是常數(shù),,例2：,解：,求：,(2) 加速度的大小等于b 的時刻;,(1) 在t 時刻質(zhì)點的加速度,(3) 加速度的大小等于b 時,質(zhì)點沿圓周運行的圈數(shù)。,(1),(2),(3),圈數(shù)為:,1-3 質(zhì)點運動學的兩類問題,—— 描述運動狀態(tài)的物理量,—— 描述運動狀態(tài)變化的物理量,,（微分問題）,（積分問題）,例：,,,,,初始條件,University physics AP Fang,,（1）第一類問題（微分問題） ：由運動學方程，求,例1： 已知質(zhì)點的運動學方程,為常數(shù)，,解：,討論：,? 結(jié)果表征加速度與速度反方向。,? 當,求,質(zhì)點作減速運動，直至靜止。,根據(jù)運動學方程，,質(zhì)點速度隨時間變化,University physics AP Fang,,例2：如圖示,求小船靠岸過程中的,,,,,,,,h,,x,l,,,x,,y,o,,,?,,u,解：答案:,？,方法1 建立運動學方程,答案1: 直角坐標系,—— 運動學方程,,,,,University physics AP Fang,,解：以坐標圓點做小船的位矢，確定位移，再根據(jù)速度定義求解,方法2 矢量分析,,,,,,（2）第二類問題（積分問題）,由,以質(zhì)點的勻加速直線運動為引子：,,,,,答案2:,,,求運動方程（＋初始條件）,University physics AP Fang,,? v ~ t 關系,? x ~ t 關系,,? v ~ x 關系,,,University physics AP Fang,,例3：,，小船以速度,軌跡?,垂直流,,,x,y,o,,u,水方向向?qū)Π秳澣ァ?求：小船的運動,解：直角坐標系,中流速度為,根據(jù)題意,由速度定義，可得：,,,已知河寬為 d , 河水流速為,,(k 為待定系數(shù)）,University physics AP Fang,,小船的運動軌跡：,y,,,,,—— 典型的運動學第二類問題,總結(jié)：,1. 對實際問題建立物理、數(shù)學模型,2. 根據(jù)題意，確定初始條件。,University physics AP Fang,,,,,,例4：一船平行于海岸線航行，離岸距離為,速率為,一快艇從港口出發(fā)，以,解：,發(fā)恰好追上？,y,x,u,o,v,?,D,P,,,由此，得,,都是相對于地面的速度,,追擊這條船。,已知,快艇應從哪一點出,,,,University physics AP Fang,,1-4 不同參照系中速度和加速度的變換,一、基本概念,,,o,P,o′,x,x′,y,y’,,,,,,,,,,,,,絕對參照系s ，,(研究對象),三種運動,相對運動：動點相對于動系的運動稱為相對運動；相對位移；相對速度；相對加速度。,二個參照系,一個動點,相對參照系s,絕對運動：動點相對于定系的運動稱為絕對運動；絕對位移；絕對速度；絕對加速度,牽連運動：動系相對于定系的運動稱為牽連運動；牽連位移；牽連速度；牽連加速度,University physics AP Fang,,S′相對 S 平動，速度為,—— 牽連位移,—— 相對位移,—— 絕對位移,,位移合成關系式,二、相對位移（設兩個相對平動的參照系）,三、速度變換定理 加速度變換定理,? 速度變換關系：,University physics AP Fang,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,—— 伽利略速度變換定理,? 加速度變換關系：,,注意：,1. 速度，加速度合成公式的矢量性。,2. 速度合成公式對任何形式的牽連運動（平動、轉(zhuǎn)動）都是成立的，而上面給出的加速度合成公式只對牽連運動為平動時成立，牽連運動為轉(zhuǎn)動時，情況比較復雜。,University physics AP Fang,,例1：一個帶篷子的卡車，,，當它停,運動時，雨滴,解：由速度變換關系，得,畫出矢量圖,,,,,車蓬高為,路邊時，雨滴可落入車內(nèi),若它以,恰好不能落入車中，求雨滴速度。,h,,,d,,,?,在,?,,注意：1. 確定三個速度和它們之間的矢量關系。,2. 適當畫出矢量圖，有助于分析問題。,University physics AP Fang,,升降機以加速度 1.22 m/s2 上升，有一螺母自升降機的天花板松落，天花板與升降機的底板相距 2.74m 。,,,,h,,,,,O,x,,取螺母剛松落為計時零點.,三種加速度為:,動點為螺母,取二個坐標系如圖,例2：,解：,螺母自天花板落到底板所需的時間.,求：,,University physics AP Fang,,例3：,用槍瞄準攀伏在樹上的猴子，隨著槍響，受驚的猴子開始向下掉落, 設空氣阻力可以忽略不計。,證明：不論子彈的初速度v0多大，都會擊中自由下落的猴子。,證：,取地面為基本參考系，猴子為運動參考系。子彈為運動物體，則子彈的速度為:,常矢量,子彈相對于猴子作勻速直線運動，只要初始被瞄準，不論子彈的初速度v0為多大，自由下落的猴子都會被擊中。,University physics AP Fang,,