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1、力学篇主讲：王春华为什么学习大学物理为什么学习大学物理 我们已经学了至少五年的物理了，还我们已经学了至少五年的物理了，还有的同学都经过有的同学都经过“八年抗战八年抗战”，选择其，选择其他专业还得学物理！真是才出他专业还得学物理！真是才出“虎穴虎穴”，又入又入“龙潭龙潭”啊！啊！ 这虽不是主流，但反映了部分同这虽不是主流，但反映了部分同学认识不足，存在急功近利思想，对学认识不足，存在急功近利思想，对终身学习和应对复杂形势不利。终身学习和应对复杂形势不利。为什么？为什么？合法、合法、合理合理1 1物理学的研究内容极其广泛物理学的研究内容极其广泛 随着时代的进步，科学的发展，物理学随着时代的进步，科
2、学的发展，物理学的内涵也在不断丰富，与其他学科呈相互交的内涵也在不断丰富，与其他学科呈相互交叉渗透趋势，所以很难用几句话讲出它的叉渗透趋势，所以很难用几句话讲出它的全全息定义息定义。传统的一维定义告诉我们，。传统的一维定义告诉我们，物理学物理学是探讨物质结构和基本运动规律的学科，追是探讨物质结构和基本运动规律的学科，追求物质世界普遍而基本的规律。求物质世界普遍而基本的规律。她研究的她研究的物物质质大到天体，小到高能粒子（殊途同归）；大到天体，小到高能粒子（殊途同归）；从看得见的书本、飞船到看不见的各种场、从看得见的书本、飞船到看不见的各种场、反物质、暗物质等。她研究的反物质、暗物质等。她研究的
3、运动规律运动规律十分十分丰富（丰富（branchbranch）。）。 虽然虽然物理学不物理学不能包罗万能包罗万象，包医象，包医百病，百病，如如: :生命科学生命科学但如此丰但如此丰富的研究富的研究内容，已内容，已足见其重足见其重要性。要性。 物理学是自然科学的重要组成部分，它的基础物理学是自然科学的重要组成部分，它的基础性决定了它相对稳定，影响深远，可为性决定了它相对稳定，影响深远，可为终身学习终身学习打打下基础（专业课每下基础（专业课每10年淘汰年淘汰1/3）；它的基础性决）；它的基础性决定了它的必修性，是定了它的必修性，是“知识钙知识钙”；它的基础性决定；它的基础性决定了它的非功利性；它的
4、基础性决定了它所培养的了它的非功利性；它的基础性决定了它所培养的物物理特色的思维方式理特色的思维方式对学生处理其他问题也具有指导对学生处理其他问题也具有指导作用：即透过现象看本质、抓主要矛盾、做合理假作用：即透过现象看本质、抓主要矛盾、做合理假设、建数学模型。真正做到设、建数学模型。真正做到“举重若轻、事半功举重若轻、事半功倍倍”。物理学是一门具有战略意义的学科，只有学。物理学是一门具有战略意义的学科，只有学好了物理学，掌握了基本方法，才有可能成为好了物理学，掌握了基本方法，才有可能成为战略战略性人才性人才。2 2物理学是基础学科物理学是基础学科一切皆有可能！一切皆有可能！戴维戴维格罗斯格罗斯
5、2004年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖2005年年2月月23日，他在浙日，他在浙江大学说江大学说“：中国的大学：中国的大学应该应该更加注重基础研应该应该更加注重基础研究，基础研究好比是一棵究，基础研究好比是一棵大树干，应用研究是树枝。大树干，应用研究是树枝。没有基础研究，大树将不没有基础研究，大树将不复存在，但大树不会在一复存在，但大树不会在一夜之间长成，许多事要从夜之间长成，许多事要从青年人开始。青年人开始。科学的发科学的发展离不开交流展离不开交流年轻人要年轻人要把目标定高一点，要有野把目标定高一点，要有野心，别怕挑战权威，只有心，别怕挑战权威，只有这样才会有建树。这样才会有建树。研究的对
6、象十分广泛研究的对象十分广泛- 宇观、宏观、微观宇观、宏观、微观一、物理学的研究对象一、物理学的研究对象 二、物理学的分类二、物理学的分类力学、热学、电磁学、光学、原子物理学、核物理学力学、热学、电磁学、光学、原子物理学、核物理学微观客体（电子、质子、光子等）具有波粒二象性微观客体（电子、质子、光子等）具有波粒二象性原子簇物理、凝聚态物理、天体物理、宇宙学物理原子簇物理、凝聚态物理、天体物理、宇宙学物理 按分支学科分类：按分支学科分类： 按物质形体大小分类：按物质形体大小分类： 按物质形态分类：按物质形态分类： 实物粒子、场物质实物粒子、场物质粒子物理、核物理、原子物理、分子物理粒子物理、核物
7、理、原子物理、分子物理 按物理常数按物理常数c、h分类：分类：sJhsmc 341810626176. 6109979. 2相对论性相对论性量子论量子论量子论量子论h0相对论相对论经典理论经典理论h0VCVC三、物理世界的认识三、物理世界的认识(层次结构层次结构) 空间尺度空间尺度( (相差相差1010454510104646) )101026 26 m(m(约约150150亿光年亿光年) )( (宇宙宇宙) )101020 20 m m( (夸克夸克) )目前物理学界公认目前物理学界公认“夸克夸克”是组成物质的最小单位是组成物质的最小单位. .近来又有消息称近来又有消息称quark quar
8、k 也可分也可分.认识的无止境认识的无止境. .10101818s: 150s: 150亿年亿年( (宇宙年龄宇宙年龄) )-10-10-27-27s s( (硬硬 射线周期射线周期) )0 0( (静止静止) ) - 3x10- 3x108 8 m/sm/s( (光速光速) ) 时间尺度时间尺度( (相差相差10104545) ) 速率范围速率范围四四、物质间的相互作用物质间的相互作用1. 电磁相互作用电磁相互作用;2. 引力相互作用引力相互作用;3. 强相互作用强相互作用;4. 弱相互作用弱相互作用;五五. 物理学的研究方法物理学的研究方法演绎法演绎法 推理，演算推理，演算归纳法归纳法 假
9、设，模型假设，模型定性和半定量定性和半定量直觉直觉 想象力想象力 洞察力洞察力 “ “科学是一种科学是一种方法方法。它教导我们：一些事物是怎。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，如何区别真伪和法则；如何思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象表面现象”。 R.PR.P费曼费曼 决不要决不要 把学习看成是任务，而应看成把学习看成是任务，而应看成 是一个令是一个令人羡慕的机会。人羡慕的机会。 为了你们自己
10、的欢乐和今后你们为了你们自己的欢乐和今后你们工作所属社会的利益，去学工作所属社会的利益，去学习习 A.A.爱爱因斯坦因斯坦二、怎样学好物理学二、怎样学好物理学 以上是两位著名物理学家的话，我希望它们能以上是两位著名物理学家的话，我希望它们能成为大家学习物理的座右铭。学习课程除了掌握成为大家学习物理的座右铭。学习课程除了掌握基本知识外，更重要的是学习一种科学的基本知识外，更重要的是学习一种科学的思维方思维方法法。正如一个古老的故事所讲的那样，学生从老。正如一个古老的故事所讲的那样，学生从老师那里得到的，应该是一个点石成金的师那里得到的，应该是一个点石成金的法则法则，而，而不是一堆金子。不是一堆金
11、子。 美国火星探测其着陆系统总工程师李炜钧美国火星探测其着陆系统总工程师李炜钧28岁，牛顿提出万有引力岁，牛顿提出万有引力24岁，爱因斯坦发现相对岁，爱因斯坦发现相对论论26岁，充分说明年轻是财富，是国家的将来，岁，充分说明年轻是财富，是国家的将来，也是国家的现在。立足现在，好好学习，没错的也是国家的现在。立足现在，好好学习，没错的 。大学物理大学物理II内容内容上学期：力学、相对论、热力学和机械振动与波上学期：力学、相对论、热力学和机械振动与波下学期：电磁学、光学和量子初步下学期：电磁学、光学和量子初步 力学也叫经典力学、牛顿力学。是以牛顿时空观（伽力学也叫经典力学、牛顿力学。是以牛顿时空观
12、（伽利略坐标变化）为基础的力学。我们这里主要研究宏利略坐标变化）为基础的力学。我们这里主要研究宏观物理的机械运动。观物理的机械运动。机械运动：物体之间或同一物体各部分之间机械运动：物体之间或同一物体各部分之间相对位相对位置置随时间的变化。它是物质的各种运动形态中最简随时间的变化。它是物质的各种运动形态中最简单，最普遍的一种。例如，地球的转动、弹簧的伸单，最普遍的一种。例如，地球的转动、弹簧的伸长和压缩等都是机械运动。而其他较复杂的运动形长和压缩等都是机械运动。而其他较复杂的运动形式，例如，热运动、化学运动、电磁运动、生命现式，例如，热运动、化学运动、电磁运动、生命现象中都含有位置的变化，但不能
13、把它们简单地归结象中都含有位置的变化，但不能把它们简单地归结为机械运动。为机械运动。1-1 参考系参考系 质点质点1. 1. 质点质点物体：物体：具有大小、形状、质量和内部结构的物具有大小、形状、质量和内部结构的物 质形态。质形态。 一般情况下，物体各部分的运动不相同，在一般情况下，物体各部分的运动不相同，在运动的过程中大小、形状可能改变，这使得运动运动的过程中大小、形状可能改变，这使得运动问题变得复杂。问题变得复杂。 某些情况下，物体的大小、形状不起作用，某些情况下，物体的大小、形状不起作用，或者起次要作用而可以忽略其影响或者起次要作用而可以忽略其影响简化为质简化为质点模型。点模型。质点：质
14、点：具有一定质量没有大小或形状的理想物体。具有一定质量没有大小或形状的理想物体。可以作为质点处理的物体的条件：可以作为质点处理的物体的条件：大小和形状对运动大小和形状对运动没有影响或影响可以忽略。没有影响或影响可以忽略。研究地球公转研究地球公转38104 . 6105 . 1EESRR1104 . 24地球上各点的公转速度相差很小，忽略地球自身尺地球上各点的公转速度相差很小，忽略地球自身尺寸的影响，作为质点处理。寸的影响，作为质点处理。质质 点点研究地球自转研究地球自转Rv地球上各点的速地球上各点的速度相差很大，因度相差很大，因此，地球自身的此，地球自身的大小和形状不能大小和形状不能忽略，这时
15、不能忽略，这时不能作质点处理。作质点处理。质质 点点除车轮外，汽车各部分运动情况完全相同，车轮除车轮外，汽车各部分运动情况完全相同，车轮的运动是次要的，此时可把汽车作为质点处理。的运动是次要的，此时可把汽车作为质点处理。研究汽车在平直道路上运动研究汽车在平直道路上运动涉及转动问题，汽车各部分运动情况不同，各个涉及转动问题，汽车各部分运动情况不同，各个车轮受力差异很大，不能把汽车做质点处理。车轮受力差异很大，不能把汽车做质点处理。研究汽车突然刹车研究汽车突然刹车“前倾前倾”或转弯或转弯质点是从实际中抽象出的质点是从实际中抽象出的理想模型理想模型，研究质点的运，研究质点的运动是为了抓住事物的主要矛
16、盾进行研究分析。动是为了抓住事物的主要矛盾进行研究分析。汽车在平直公路上.swf汽车在弯路上.swf2. 2. 参考系和坐标系参考系和坐标系 静止是相对的，运动是绝对的，地心学说被日静止是相对的，运动是绝对的，地心学说被日心说取代，让人们明白，判断物体运动与否，首先心说取代，让人们明白，判断物体运动与否，首先要选择统一的物体作参考。即使是太阳，在银河系要选择统一的物体作参考。即使是太阳，在银河系中其它恒星系统观察，仍然运动着的。中其它恒星系统观察，仍然运动着的。参考系和坐标系参考系和坐标系银河系银河系指南针指南针参考系：参考系：描述物体运动时，被选作参考的物体，称描述物体运动时，被选作参考的物
17、体，称为参考系为参考系。 要定量描述物体的位置与运动情况，就要运用要定量描述物体的位置与运动情况，就要运用数学手段，采用固定在参考系上的坐标系。数学手段，采用固定在参考系上的坐标系。 常用的坐标系有直角坐标系常用的坐标系有直角坐标系( (x,y,z) )，极坐标系，极坐标系( ( , ) )，球坐标系，球坐标系( (R, , ) )，柱坐标系，柱坐标系( (R, ,z ) )。 xyzoz R参考方向参考方向zo Rxy 参考系和坐标系参考系和坐标系3. 3. 空间和时间空间和时间 空间空间反映了物质的广延性，与物体的反映了物质的广延性，与物体的体积和位体积和位置的变化置的变化联系在一起。联系
18、在一起。 时间时间反映物理事件的顺序性和持续性，与物理反映物理事件的顺序性和持续性，与物理事件的事件的变化发展过程变化发展过程联系在一起。联系在一起。各个时代有代表性的时空观：各个时代有代表性的时空观： 墨子：墨子：空间是一切不同位空间是一切不同位置的概括和抽象；时间是一切置的概括和抽象；时间是一切不同时刻的概括和抽象。不同时刻的概括和抽象。空间和时间空间和时间墨墨 子子 莱布尼兹：莱布尼兹：空间和时间是物质上空间和时间是物质上下左右的排列形式和先后久暂的持续下左右的排列形式和先后久暂的持续形式，没有具体的物质和物质的运动形式，没有具体的物质和物质的运动就没有时空间和时间，就没有时空间和时间，
19、强调与运动的联系强调与运动的联系忽略客观性。忽略客观性。 牛顿：牛顿：空间和时间是不依赖于空间和时间是不依赖于物质的独立的客观存在，物质的独立的客观存在，强调时间空强调时间空间的客观性而忽略与运动的联系。间的客观性而忽略与运动的联系。莱布尼兹莱布尼兹牛牛 顿顿 爱因斯坦：爱因斯坦：相对论时空观，相对论时空观，时间与空间客观存在，与运动时间与空间客观存在，与运动密不可分。密不可分。 物理理论指出物理理论指出, ,空间和时间都有下限：分别为空间和时间都有下限：分别为普朗克长度普朗克长度10-35m和普朗克时间和普朗克时间10-43s 。空间和时间空间和时间爱因斯坦爱因斯坦4. 4. 运动方程运动方程 在一定的坐标系中，质点的位置随时间按一定在一定的坐标系中，质点的位置随时间按一定规律变化，位置用坐标表示为时间的函数，叫做规律变化，位置用坐标表示为时间的函数，叫做运运动方程动方程。)(txx )(tyy )(tzz 例如：例如：vtxx020021attvxx0),(zyxf 将运动方程中的时间消去，得将运动方程中的时间消去，得到质点运动的轨迹方程。一般情况到质点运动的轨迹方程。一般情况轨迹方程是空间曲线。轨迹方程是空间曲线。0),(zyxfoxyzP(x,y,z)ikj运动方程运动方程