大学物理第一章-质点运动学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大学物理第一章_质点运动学,课程介绍,总学时：,51,学时,上课时间：,1-17,周,教材：大学物理学，赵近芳主编，北京邮电大学出版社，2014年11月第4版,考核方式：闭卷考试,成绩评定：,总成绩=期末考试成绩（50%）+课程论文（20%）+平时成绩（考勤、作业、实践）（30%）,物理学,宇观,宇观,宏观,宏观,微观,微观,10,26,米,观测到最远,类星体的距离,10,-,15,米,质子半径,10,-,43,秒,普朗克时间,时空起源 粒子产生,10,39,秒,质子寿命,物理学是一门研究物质世界,及其运动规律的科学,物理学是一门研究物质世界,及其运动规律的科学,空间尺度,（相差,10,42,）,10,26,m,（,150,亿光年）（哈勃半径）,10,-16,m,（核子）,时间尺度,（相差,10,44,）,10,18,s,（,150,亿年）（宇宙年龄）,10,-25,s,（,Z,0,粒子寿命）,1m,10,-16,10,-14,10,-10,10,-5,10,10,10,3,10,6,10,26,10,21,W,+,+,核子,微观,介观,宏观,宇观,山,太阳系,地球,哈勃半径,星系,原子,原子核,DNA,人,返回,时空范围,物理学的成就不断促进人类的物质与精神文明,物理学的成就不断促进人类的物质与精神文明,经典,近代,蒸汽机时代,激光,半导体,信息技术时代,人类生活常用尺度范围越来越广,9,10,6,10,3,10,0,10,3,10,n,m,m,k,M,G,6,10,9,10,纳,微,毫,千,兆,吉,纳米技术商品,800万（8 ）像素数码相机,M,80 硬盘微机,GB,基 础 物 理 学,牛 顿,麦克斯韦,爱因斯坦,学习物理学的目的：,（,1,）培养辩证唯物主义的世界观,（,2,）学会掌握科学的方法,（,3,）培养科学思维能力、发展智力,（,4,）培养探索与创新精神,物理学研究的对象,物理学是研究物质的基本结构，物质之间的相互作用以及它们的最普遍、最基本的运动形式和规律，认识物质世界的基本属性的一门科学。,（,1,）,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。,（,3,）,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。,学习方法和要求：,“,科学是一种,方法,。它教导我们：一些事物是怎样被,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，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”。,R.P,费曼,参考书：,1.,大学基础物理学学习辅导与习题解答张三慧清华大学出版社,2004O4-44/Z57,2.,大学基础物理学,(,第二版,),学习指导与习题解答丁孺牛,.,等,高等教育出版社,2005O4/Z199,3.,物理学,学习指南,:,马文蔚等编 第一、二、三、四、五版,4.,大学物理学习辅导刘宏清,.,等,主编科学技术文献出版社,2002O4/Z57,第一篇 力学基础篇,力学是一门古老的科学，起源于公元前,4,世纪。但力学成为一门科学理论是从,17,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。,经典力学,（牛顿力学）,相对论力学,量子力学,弱引力场中宏观物体低速的运动,高速领域,微观领域,质点力学,刚体力学,流体力学,运动学,1,、动力学,2,、机械能守恒,3,、振动,6,、波动,7,、相对论,8,刚体定轴转动,4,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关系。它只研究物质的,机械运动,状态，而不涉及引起运动和改变运动的原因,。,主要内容：,（,1,）位矢、位移、速度、加速度（矢量性、微积分）；,（,2,）直线运动、曲线运动；,（,3,）相对运动。,返回,1-1,参照系、坐标系、物理模型（质点）：,运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一个（或一组）物体。,参照系的数学抽象。,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。,运动的绝对性：,运动描述的相对性：,参照系：,坐标系：,质点：,直角坐标、极坐标、柱坐标、自然坐标等。,质点某时刻位置,P,1.2.1,确定质点位置的方法,1.,直角坐标法,2.,位置矢量法,由,位置矢量,表示。,位置矢量的大小：,P,(,x,y,z,),位置矢量的,方向,：,x,y,z,0,1-2,质点运动的描述：,1-2,质点运动的描述：,1.2.1.2,质点运动过程的描述,：,直角坐标系中，质点的,运动（参数）方程,：,从中消去参数,轨道方程,：,由矢量方程表示的运动方程：,x,y,z,0,称为质点的,位置矢量,或,位矢,。,1.2.2,位移：,x,y,z,0,t,时刻：,t+,t,时刻：,则质点在,t,时间内的,位移,为：,注,：,路程与位移的区别；,1.2.3,速度：,（质点位置变化的快慢及方向）,x,y,z,0,速度在直角坐标系中的表示：,平均速度,：,指向 方向,瞬时速度,：,指向 的极限方向，即轨道切线方向。,瞬时速度的大小（模）,=,瞬时速率,平均速率：,平均速度平均速率,？,1.2.4,加速度：,（质点速度变化的快慢及方向）,x,y,z,0,瞬时加速度,：,平均加速度,：,指向 方向,指向 的极限方向，一般不在轨道的切线方向。,加速度在直角坐标系中的表示：,运动学中的两类问题,微分问题,：,积分问题,：,返回,1-3,直 线 运 动：,1,、,直线运动中的位移、速度和加速度：,运动方程,：,速度,：,加速度,：,x,t,0,t,0,t,t,x,x,x,0,v-t,曲线下的面积,v,t,0,t,0,t,t,v,v,v,0,v,t,0,t,at,v,0,2,、,匀速直线运动：,运动方程,：,3,、,匀变速直线运动：,设,t=,0,时，质点速度为,v,0,，坐标为,x,0,则,：,又,：,即,：,习 题,1-17,在离水面高为,h,的岸边，有人以,v,0,匀速用绳把船拉向岸边，当船与岸的水平距离是,s,时，求船的速度和加速度的大小。,h,s,l,v,0,dl,ds,解一：,解二：,解三：,从图上看,即：,1-4,圆 周 运 动：,、,匀速圆周运动,：,（速度大小不变、方向变化）,t,时间内速度增量,：,当,t,0,时的极限方向指向圆心,称为,法向加速度,或,向心加速度,称为,单位法线矢量,1,、,圆周运动的,“自然坐标”表示,：,A(t),B(t+,t,),R,o,s,、,变速圆周运动,：,（速度大小、方向均变化）,t,时间内速度增量,：,法向加速度,（由速度方向变化引起）,切向加速度,（由速度大小变化引起）,速度方向变化对 的贡献,速度大小变化对 的贡献,A,B,R,o,o,变速圆周运动的加速度在“自然坐标系”中表示为：,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，其半径,称为曲率半径。,当以,P,点的曲率圆代替,P,点附近元弧段时（以圆代曲），则质点在,P,点时的加速度可表示为：,2,、,圆周运动的,角量表示,：,角位移,：,=(t+t),(t),规定：,逆时针为正、顺时针为负。,角位置,：,(,单位,：,rad,),角速度,：,平均,：,瞬时,：,(,单位,：,rad/s,),角加速度,：,平均,：,瞬时,：,(,单位,：,rad/s,2,),A(t),B(t+,t,),R,o,s,y,x,+,匀速圆周运动（,=0,）,：,匀变速圆周运动（,=,常量）,：,线量与角量的关系,：,用角量表示的圆周运动方程,：,例题,1 2,（圆周运动的直角坐标表示）,轨道方程,：,运动方程（位矢）,：,速度,：,加速度,：,R,o,y,x,设质点以角速度,作匀速圆周运动，,t=0,时,=0,，则,=t,。,此时：,所以：,显然，,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,P,a,n,R,v,o,R,o,自转周期,T=243600,秒，地球半径,R=6370 km,。,则地球表面纬度为,处的线速度和加速度：,返回,1-5,抛 体 运 动,：,x,y,o,0,以抛射点为坐标原点。设,t=0,时，物体速度为,任意时刻质点的加速度为：,速度：,即：,位矢：,即：,水平方向的匀速直线运动,竖直方向的匀变速直线运动,运动叠加原理（运动的独立性原理）,：,曲线运动可看作若干个独立的分运动的叠加。,从运动方程中消去时间,t,，得到抛体运动的轨道方程：,为一抛物线方程,上式中令,y=0,，得抛体运动的射程为：,当,0,=45,时射程最大,以,x/2,代入轨道方程中，得抛体运动中的最大高度为：,抛体运动例题,（参考例题,1-6,）,在山坡上向水平距离,S=40m,投掷小球，初速,v,0,=20m/s,，抛出点高于目标,h=6m,，求：投掷角,0,，,击中目标时的速度,v,，经历的时间,t,。,y,v,x,S,-g,h,0,o,x,v,y,v,0 x,v,0y,小球的运动可分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的上抛运动,。,速度：,运动方程：,轨道方程：,y,v,x,S,-g,h,0,o,x,v,y,v,0 x,v,0y,击中目标时,x=40m,，,y=-,6m,，代入轨道方程得：,经历时间：,击中目标时,速度的大小,：,方向：,与,0,和,t,无关。,证明：,即从一个物体看去，另一个物体相对它以匀速运动。,同一时刻，从同一地点抛出的两个物体的相对速度为恒矢量。,x,y,O,例题：,一质点沿竖直平面内一根光滑弯曲的钢丝从高度为,h,处以初速,v,0,开始自由下滑，求该质点的速率随高度的表达式。,选图示直角坐标系和自然坐标系，由图：,x,y,S,ds,h,O,p,dy,即：,两边积分：,得：,与自由落体速度公式相同！,返回,一 时间与空间,(,绝对时空观,),在两个相对作直线运动的参考系中，时间的测量是绝对的，空间的测量也是绝对的，与参考系无关，时间和长度的的绝对性是经典力学或牛顿力学的基础,.,A,B,小车以较低的速度 沿水平轨道先后通过点,A,和点,B,.,地面上人测得车通过,A,、,B,两点间的距离和时间与车上的人测量结果相同,.,1-6,相 对 运 动：,物体运动的轨迹依赖于观察者所处的参考系,二 相对运动,o,不同参照系中观察同一质点的运动所得结果是不同的。,设,S,、,S,为相互运动的两个参照系。,则：,为两参照系间加速度,伽利略变换：,即牛顿定律的形式对伽利略,变换保持不变。,(,相对性原理,),返回,不同参照系中的卫星运动,以地球为参照系,以太阳为参照系,对于作曲线运动的物体，以下几种说法中哪一种是正确的：,（,A,）切向加速度必不为零；,（,B,）法向加速度必不为零（拐点处除外）；,（,C,）由于速度沿切线方向，法向分速度必为零，因此法向加速度必为零；,（,D,）若物体作匀速率运动，其总加速度必为零；,（,E,）若物体的加速度 为恒矢量，它一定作匀变速率运动,.,讨 论,A,B,例,如图一超音速歼击机在高空,A,时的水平速率为,1940,km/h,沿近似于圆弧的曲线俯冲到点,B,其速率为,2192,km/h,所经历的时间为,3s,设圆弧 的半径约为,3.5km,且飞机从,A,到,B,的俯冲过程可视为匀变速率圆周运动,若不计重力加速度的影响,求,:(,1,),飞机在点,B,的加速度,;(,2,),飞机由点,A,到点,B,所经历的路程,.,解,（,1,）因飞机作匀变速率运动所以 和 为常量,.,分离变量有,A,B,已知：,在点,B,的法向加速度,在点,B,的加速度,与法向之间夹角 为,已知：,（,2,）在时间 内矢径 所转过的角度 为,飞机经过的路程为,代入数据得,A,B,学好物理学的三基点,第三：相对点。,任何理论都有一个相对点，不论是一句话或是一个定理。离开了相对点学说也就没法讲。要想学懂或推倒一个理论乃至一句话，必须先了解这个相对点，并且以它为基础或开端。,第二：想象和实践。,学习物理学时刻离不开想象和实践，它俩是相互帮助和推进的。想象是物理学的翅膀，实践是物理学的力量。即要大胆的想象又要勤恳的实践！,第一：定位学习最终目的。,学习物理学的目的，是为了进一步的研究与开创。不论是专家、伟人、还是巨人，在学习了解物理的学说理论的同时，都要带有一丝怀疑。通过学习、利用、研究来开创更先进的理论。,1687,年，牛顿以其,自然哲学的数学原理,完成了科学的第一次综合，并为科学提供了一个样板。这一点非同寻常。牛顿力学用三条简洁的定律和万有引力定律，把天体的运动和地球上的运动统一起来，充分发展了科学的神气和力量，使科学的信誉和权威骤然倍增。,19,世纪下半叶，以牛顿力学为范式的经典科学体系终于构件完成了。对于牛顿的伟大发现，他自己说自己之所以能比前人看得更远，,如果我看得比笛卡儿远一点的话，那是因为我是站在巨人的肩上。,这并不是一句谦虚的话，牛顿正是站在开普勒和伽利略这两位巨人的肩上，以他们取得的成就作为自己开始工作的基础和起点，因此才能比他的前辈站得更高，看得更远。,站在巨人的肩上,-,也就是要继承和发展，而不仅仅是创新。牛顿说：,我不知道我在世人看来是什么样的。但是在我自己看来，我一直是像一个爱海滩上玩耍的小孩，沉溺于不时把发现一粒更光滑的卵石或一只更美丽的贝壳的喜悦之中，却不知道真理的海洋就在我的面前。,但是当经典科学金碧辉煌的落成的时候，它的基础和支柱却受到了意外地冲击和震撼。相对论和量子力学从不同的侧面揭示了牛顿力学的局限性。相对论指出，在接近光速的高速运动情况下，会出现时空弯曲、尺缩钟慢等效应，这些是牛顿力学所不能解释的。量子论则指出，微观粒子具有波,-,粒二象性，不服从牛顿力学定律。这样，非经典科学就拓展到了宇观领域，深入到了微观世界,