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1、基 础 物 理 学牛牛 顿顿麦克麦克斯韦斯韦爱因斯坦爱因斯坦学习物理学的目的：学习物理学的目的：（1）培养辩证唯物主义的世界观）培养辩证唯物主义的世界观（2）学会掌握科学的方法）学会掌握科学的方法（3）培养科学思维能力、发展智力）培养科学思维能力、发展智力（4）培养探索与创新精神）培养探索与创新精神（1）注重物理思想和物理方法的思考和研究注重物理思想和物理方法的思考和研究（2）主动培养自学能力，课前预习、课后复习。主动培养自学能力，课前预习、课后复习。（3）学会记笔记（记思路、要点和有特色的内容）。学会记笔记（记思路、要点和有特色的内容）。（4）高质量及时地完成作业。高质量及时地完成作业。学习
2、方法和要求：学习方法和要求：第一篇 力学力学是一门古老的科学，起源于公元前力学是一门古老的科学，起源于公元前4世纪。但力学世纪。但力学成为一门科学理论是从成为一门科学理论是从17世纪开始的，由伽利略论述惯世纪开始的，由伽利略论述惯性运动到牛顿提出三个运动定律。性运动到牛顿提出三个运动定律。经典力学经典力学（牛顿力学）（牛顿力学）相对论力学相对论力学量子力学量子力学弱引力场弱引力场中大块物中大块物体的低速体的低速运动运动高速领域高速领域微观领域微观领域质点力学质点力学刚体力学刚体力学流体力学流体力学运动学运动学1、动力学、动力学2、机械能守恒、机械能守恒3、振动、振动6、波动、波动7、相对论、相
3、对论8刚体定轴转动刚体定轴转动4流体力学流体力学5第一章 质 点 运 动 学 运动学研究物质在空间位置的变化与时间的运动学研究物质在空间位置的变化与时间的关系。它只研究物质的关系。它只研究物质的机械运动机械运动状态，而不涉状态，而不涉及引起运动和改变运动的原因及引起运动和改变运动的原因。主要内容：主要内容：（1 1）位矢、位移、速度、加速度（矢量性、微积分）；）位矢、位移、速度、加速度（矢量性、微积分）；（2 2）直线运动、曲线运动；）直线运动、曲线运动；（3 3）相对运动、伽利略相对性原理。）相对运动、伽利略相对性原理。1-1 参照系、坐标系、质点：运动是物质存在的形式，是物质的固有属性。运
4、动是物质存在的形式，是物质的固有属性。以不同物体为参照物观察同一物体以不同物体为参照物观察同一物体运动时，所得结果不同。运动时，所得结果不同。描述一个物体的运动前，被选择作为参考标准的描述一个物体的运动前，被选择作为参考标准的一个（或一组）物体。一个（或一组）物体。参照系的数学抽象。参照系的数学抽象。只有质量而没有形状、大小、结构的点。只有质量而没有形状、大小、结构的点。注：时刻和时间（间隔）的区别。注：时刻和时间（间隔）的区别。运动的绝对性：运动的绝对性：运动描述的相对性：运动描述的相对性：参照系：参照系：坐标系：坐标系：质点：质点：12空间空间反映了物质运动的广延性，反映了物质运动的广延性
5、，时间时间反映了物质运动的持续性。反映了物质运动的持续性。空间和时间牛顿的牛顿的绝对时空绝对时空观：空间和时间的存在独立于物质，观：空间和时间的存在独立于物质，与物质的运动无关。与物质的运动无关。爱因斯坦的爱因斯坦的相对论时空相对论时空观：时间与空间的测量依赖观：时间与空间的测量依赖于物质的运动。于物质的运动。空间尺度空间尺度 （相差（相差 1042） 1026 m（150亿光年）（哈勃半径）亿光年）（哈勃半径） 10-16 m（核子）（核子）时间尺度时间尺度 （相差（相差1044 ） 1018 s（150亿年）（宇宙年龄）亿年）（宇宙年龄） 10-25 s（Z0粒子寿命）粒子寿命） 1m10
6、-1610-1410-1010-510101031061026 1021W+核子核子微观微观介观介观宏观宏观宇观宇观山山太阳系太阳系地球地球哈勃半径哈勃半径星系星系原子原子原子核原子核DNA人人1-2 质点运动的描述：1、 位置矢量：位置矢量：直角坐标系中，质点的直角坐标系中，质点的运动（参数）方程运动（参数）方程：轨道方程轨道方程：由矢量方程表示的运动方程：由矢量方程表示的运动方程：)t ( zz),t (yy),t (xx 0)z , y,x(f k)t ( zj )t ( yi )t (x)t (rr rzcos,rycos,rxcoszyxrr222 xyz0 ijk)z , y,x(
7、P称为质点的称为质点的位置矢量位置矢量或或位矢位矢。r2、位移：、位移：xyz0r rs rr )t (A)tt (B t 时刻：时刻：kzj yi xr t + t 时刻：时刻：k zj yi x r k)z z(j )y y(i )x x(r rr kzjyixr 则质点在则质点在 t 时间内的时间内的位移位移为：为：注注： 路程与位移的区别；路程与位移的区别；dsrd0r;drrd,rr 时，时，但但 3、速度：速度：（质点位置变化的快慢及方向）（质点位置变化的快慢及方向）xyz0r r r)t (A)tt (B AvBvv速度在直角坐标系中的表示：速度在直角坐标系中的表示：平均速度平均
8、速度：trv 指向指向 方向方向r 瞬时瞬时速度速度：)sm(dtrdtrlimv0t 指向指向 的极限方向，即轨道切线方向。的极限方向，即轨道切线方向。vr 速度的大小速度的大小(速率速率)dtdsdtrdvv 注：注：dtdrdtrdv kvjvivkdtdzjdtdyidtdxdtrdvzyx 2z2y2xvvvv 4、加速度：加速度：（质点速度变化的快慢及方向）（质点速度变化的快慢及方向）xyz0r r)t (A)tt (B v v瞬时加速度瞬时加速度：)sm(dtrddtvdtvlima2220t 平均加速度平均加速度：指向指向 方向方向v tva 指向指向 的极限方向，一般不在轨道
9、的的极限方向，一般不在轨道的切线方向。切线方向。av 注：注：dtdvdtvd 加速度在直角坐标系中的表示：加速度在直角坐标系中的表示：kajaiakdtdvjdtdvidtdvdtvdazyxzyx 2z2y2xaaaa v vv v 运动学中的两类问题运动学中的两类问题 微分问题微分问题： 积分问题积分问题：)t (aa)t (vv)t (rr dtrdv 22dtrddtvda )t (rr),t (rr)t (vv00 求求和初始条件和初始条件已知：已知：)t (vv),t (vv)t (aa00 求求和初始条件和初始条件已知：已知： tt00dt)t (avv tt00dt)t (v
10、rr1-3 直 线 运 动：1、直线运动中的位移、速度和加速度：直线运动中的位移、速度和加速度：运动方程运动方程：)t (xx 速度速度：dtdxtxlimvtxv0t 加速度加速度：dtdvtvlimatva0t xxtt00dtvdxdtvdx vvtt00dtadvdtadv tt00dtavvxt0t0ttxxx0 tt00dtvxxv-t 曲线下的面积曲线下的面积vt0t0ttvvv0vt0tatv02ta21tv02、匀速直线运动：匀速直线运动：0 xx0t,0av 时时，设设常常量量，运动方程运动方程：vtxx0 3、匀变速直线运动：匀变速直线运动：常量常量 a设设t = 0 0
11、 时，质点速度为时，质点速度为 v0，坐标为，坐标为 x0则则： t0200000at21tvxdt)atv(xxatvv又又： vvxx00dvvdxadtdvvdtdxdxdvdtdva即即：)xx(a2vv0202 习习 题题 1-17在离水面高为在离水面高为h的岸边，有人以的岸边，有人以v0匀速用绳把船拉向岸边，匀速用绳把船拉向岸边，当船与岸的水平距离是当船与岸的水平距离是 s 时，求船的速度和加速度。时，求船的速度和加速度。hslv0dlds解一：解一：22hls sshvhl2dtdll2dtdsv22022 解二：解二：22shsdscosdsdl sshvvshsdtdsdtd
12、l22022 即即解三：解三：sshvcosvv2200 2222220sdtdsshdtdssh2s2v )ssh(dtdvdtdva220 2222220shshssvv sshvv220 320shva 即：即：1-4 圆 周 运 动：、匀速圆周运动匀速圆周运动：（速度大小不变、方向变化）（速度大小不变、方向变化）v vv t 时间内速度增量时间内速度增量：v vv tABRvtvRABvv 当当t0 时的极限方向指向圆心时的极限方向指向圆心v nRvntslimRvntABlimRvtvlima20t0t0t A(t)B(t+t)Rov vsnnRva2 称为称为法向加速度法向加速度或
13、或向心加速度向心加速度称为称为单位法线矢量单位法线矢量n1、圆周运动的圆周运动的“自然坐标自然坐标”表示表示：、变速圆周运动变速圆周运动：（速度大小、方向均变化）（速度大小、方向均变化）t 时间内速度增量时间内速度增量：tnvvv vv dtdvnRvtvlimtvlimtvlima2t0tn0t0t nRva2n 法向加速度法向加速度（由速度方向变化引起）（由速度方向变化引起） dtdvat 切向加速度切向加速度（由速度大小变化引起）（由速度大小变化引起）ABRov vn v vv nv tv v v 速度方向变化对速度方向变化对 的贡献的贡献:vn 速度大小变化对速度大小变化对 的贡献的贡
14、献:vt tn2t2naatanaaaa tanaao变速圆周运动的加速度在变速圆周运动的加速度在“自然坐标系自然坐标系”中表示为：中表示为： dtdvnRvaaa2tn 任意曲线运动中的加速度任意曲线运动中的加速度：由数学知：曲线上每一点都对应一个与之相切的曲率圆，由数学知：曲线上每一点都对应一个与之相切的曲率圆，其半径其半径称为曲率半径。称为曲率半径。当以当以P点的曲率圆代替点的曲率圆代替P点附近元弧段时（以圆代曲），点附近元弧段时（以圆代曲），则质点在则质点在P点时的加速度可表示为：点时的加速度可表示为： dtdvnvaaa2n Pn 2、圆周运动的圆周运动的角量表示角量表示：A(t)B
15、(t+t)Ro + +s yx角位移角位移： = (t +t ) (t)规定：规定： 逆时针为正、顺时针为负。逆时针为正、顺时针为负。 角位置角位置： ( (单位单位：rad )角速度角速度：平均平均：瞬时瞬时：t dtdtlim0t ( (单位单位：rad/s )角加速度角加速度：平均平均：瞬时瞬时：t 220tdtddtdtlim ( (单位单位：rad/s2 )匀速圆周运动（匀速圆周运动（ = 0）：t0 匀变速圆周运动（匀变速圆周运动（ =常量）常量）：200t21t t0 )(20202 线量与角量的关系线量与角量的关系： RdtdRdtdsv RdtdRdtdvat 22nRRva
16、 用角量表示的圆周运动方程用角量表示的圆周运动方程：例题例题 1 2 （圆周运动的直角坐标表示）（圆周运动的直角坐标表示）jsinRicosRr sinRycosRx 轨道方程轨道方程：222Ryx 运动方程（位矢）运动方程（位矢）：速度速度：jdtdcosRidtdsinRv 加速度加速度：jdtdcos)dtd(sinRidtdsin)dtd(cosRa222222 Ro yxrvjdtdcosRidtdsinRv jdtdcos)dtd(sinRidtdsin)dtd(cosRa222222 设质点以角速度设质点以角速度 作匀速圆周运动，作匀速圆周运动，t = 0时时 = 0，则，则 = t。此时：此时：0dtd,dtd22 常常量量jtsinRi tcosRa22 所以：所以：jtcosRitsinRv 显然，显然，0av 即匀速圆周运动的加速度总是指向圆心（向心加速度）。即匀速圆周运动的加速度总是指向圆心（向心加速度）。地球的自转线速度和加速度地球的自转线速度和加速度PanRvoRo自转周期自转周期T = 243600 秒，地球半径秒，地球半径 R = 6370 km。则地球
