第01章绪论质点运动学优秀PPT.ppt
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1、第01章绪论质点运动学现在学习的是第1页,共93页前言:前言:感谢各位同学能够选修大学物理课。我们理工科一惯强调物理基础。因此,我们要怀着愿学、感兴趣的心态来进行学习,而不是认为与专业无关等被动的学习心理。为此我们应明确工科学生为什么要学习物理、大学物理该怎样进行学习等问题。绪绪 论(论(40分钟)一.物理学的研究对象物理学的研究对象1.物理学的研究对象物理学的研究对象物理学是现代科学的基础,所谓“物”即物质的结构、性质;而“理”则指物质运动、变化的规律。(板:物理学研究宇宙间物质存在的各种主要基本形式,它们的性质、运动和转化以及内部结构,从而认识这些结构的组元及其相互作用,运动和转化的基本规
2、律。)这是建立在实验基础上的自然科学研究(当然有些是通过理想实验、逻辑推理等多种创新思维而得到的),其研究的范围及广:在空间尺度从宇宙m(约150亿光年)到m;由此我们可以把物理学的研究对象划分为四种研究系统:微观、介观、宏观、宇观。介观(纳米系统(1nm到几百个nm,目前研究较红火),主要研究其量子行为和大块系统的宏观性质。这种系统介于宏观与微观之间,因而,既表现宏观性质,又表现微观性质(量子系统)现在学习的是第2页,共93页宇观十分奇妙的是,大尺度与小尺度两个极限方向存在某些十分对称和共同有着衔接的地方。如尺度为m的通常意义下的连续物质,特殊情况下具有量子行为,反之亦然。例如,对于“薛定猫
3、”的争论,目前就有一种思想认为,对于宏观物质存在“退相干效应”的说法。在时间尺度从宇宙年龄s(150亿年)到硬射线周期s;在速率范围从静止0到光速m/s 物理学发展史可以简单地划分成两个时期,包含四个主要理论。1.经典物理学时期 19世纪末以前a)经典力学 研究人体尺度物体的运动(v c)及其相互作用。b)电磁学 研究带电物体的运动及其相互作用,描述磁现象。2.近代物理学时期 19世纪末至今a)狭义相对论 澄清时间和空间的概念。b)量子力学 研究各种物体的运动及其相互作用。现在学习的是第3页,共93页.现代物理简介现代物理简介(1)粒子物理学(微观世界)物质是无限可分的吗?物体分子原子原子核基
4、本粒子夸克亚夸克禁闭夸克已经为实验所证明,物质是否无限可分尚无定论。自然界是统一的吗?我们已经认识到物质世界千变万化的现象,归根到底只通过四种基本相互作用。即强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。300年前(牛顿)物体运动,天体运动万有引力 10-37 引力子150年前 电现象,磁现象电磁相互作用力 1 光子 原子核衰变弱相互作用力 10-3 W,Z 强子相互作用强相互作用力 胶子在20世纪70年代,温伯格和萨拉姆提出了电-弱相互作用统一理论,并经实验证实。因此仅有三种最基本的相互作用。理论物理学家还提出了大统一理论和超引力理论,企图将这三种最基本的相互作用统一为一种相互作用。但
5、这些理论还未经实验证实。现在学习的是第4页,共93页(2)宇宙物理学(宇观世界)极早期宇宙学光谱红移多普勒效应天体退行宇宙膨胀宇宙奇点大爆炸学说大爆炸学说已经很多的天文观察所证实。世界有末日吗?(恒星晚期演化学)星体平衡吸力(引力)斥力(热力,辐射压力.)若吸力斥力:星体收缩白矮星(M1.4),中子星(M2.5M),黑洞(M2.5M)宇宙是继续膨胀、或者膨胀后再收缩,还是平直宇宙决定与宇宙的平均质量密度的大小。研究非常大尺度天地的宇宙论与研究最小世界的粒子物理学已越来越显现出一种共生的关系,两个极端奇妙地衔接在一起,成为密不可分的姊妹学科。这也揭示了物质世界的统一性。(3)物态物理学固态(固体
6、物理学)液态(液态物理学)凝聚态物理学气态等离子态宇宙间90%以上物质为等离子态,地球电离层(通讯),受控热核聚变,等离子体,磁流体发电工作物质之一,固体等离子体现在学习的是第5页,共93页超密态(白矮星、中子星)反物质态基本离子:e-,p,n.反基本离子:e+,p,n.质湮反应:物质+反物质释放能量,例如:(7)真空态物质的基态,Dirac真空,李政道真空,真空自发破缺4极端条件物理学(极限世界)极低温度:低温的获得:压缩气体绝热膨胀,液N2(77K),液H2(20K),液He(4.2K),核绝热去磁(KK)极低温现象:超导:电阻=0,超导磁体,超导电机;超流:粘度=0超高压力静态超高压:大
7、气压动态超高压:大气压(爆炸法,磁压缩法)白矮星超高压:大气压中子星超高压:大气压(e+pn)超高压现象:绝缘体金属转变;金属氢问题:可能的高温超导体和高能燃料;超硬材料:人造金刚石超强磁场现在学习的是第6页,共93页恒定强磁场奥斯特脉冲强磁场奥斯特爆缩超强磁场奥斯特中子星超强磁场奥斯特超强磁场现象:动态超高压,改变磁有序当然,我们在普通物理的学习范围,是一定限制的,没有那么宽泛,也不会深到无法学习。我们只是把其中的基本规律进行介绍,通过这种摘要性的、简明的物理学习留给我们感觉不会象我们出去工作后,便能马上拿到报酬,不会立竿见影。但其作用却是潜在的、长期的、不可估量的。二、物理学与科学技术的关
8、系物理学与科学技术的关系1.物理学为其它应用科学和技术提供必要的知识和值得借鉴研究的方法物理学为其它应用科学和技术提供必要的知识和值得借鉴研究的方法提出命题推测答案理论预言实验检验应用修改理论(1)物理学的研究方法(2)学习物理的方法演绎法:基本定律 数理推理、演算 新理论;对称分析法;微元分析法;隔离分析法;守恒量的利用;简化模型的选取;概念和方法的类比;定性与定量分析;量纲分析;现在学习的是第7页,共93页物理学的这些研究与学习方法,对于训练我们的思维、提高我们提出问题、分析问题、建立问题模型,最终应用模型规律解决实际问题的能力,这是十分有益的。这些方法与工科应用研究与实践活动中的许多创新
9、思维方法与技能是一脉相承的。2.物理学与科学技术的关系物理学与科学技术的关系 物理学与技术有关系吗?听听当年法拉第与英国首相的对话就明白了。法拉第发现电磁感应律后,英国首相参观其实验室时,问:“电流有什么用处?”法回答不上,但他说,他确信总有一天首相会对电流征税的。物理学基本规律渗透在自然科的一切领域,应用于生产技术的各部分,是许多自然科学的基础,也是工程技术,特别是高新技术的基础。历史上物理与技术的关系大致有以下模式:(1)技术-物理-技术(如第一次工业革命:在十七、八世纪,牛顿力学和热力学的发展,顺应了第一次技术革命的需要,其主要标志是蒸汽机的发明、改进和广泛应用,用机器代替人的劳动,人类
10、的劳动生产力第一次获得解放。)(2)物理-技术-物理(如电气化的进程:到了十九世纪,在法拉第-麦克斯韦电磁理论的推动下,人们成功地制造了各种电力、电讯设备,引起工业电气化,使人类进入应用电能的时代,这就是第二次技术革命)我们周围的事情大部分与物理有关,有的是劳动实践中碰到的问题,建立在实践的基础上,有的是先有物理改进而形成了理论与技术。那些富于创新和实践的科学工作者和劳动运人们建立物理理论、物理模型,在实践中拿过来,进行解决实际问题,在新问题中继续改进。前者如,蒸气机:通过从物理的角度(卡诺循环)设计机器使之从大块头、效率低到小巧、效率高;后者如,发电机、电灯等都是先有物理,才发展现在学习的是
11、第8页,共93页起来的。当然交叉是最要的、最基本的。整体来说,先有物后有技术工程与应用。特别是,20世纪以来以上两种模式总是并存、交叉。但几乎所有重大的新技术的创立都是以物理学的发展为先导的(如被誉为第三次工业革命的整个信息技术的产生、发展,其硬件部分几乎都以物理学成果为基础)例如:第一台激光器诞生(1960年)现代光学爱因斯坦受激辐射理论(1917年)物理:二原子在不同能级是否可用外界光子诱导(光子能量正好满足两个能级差),是否能把高能态的原子诱导下来,发射光子,这些光子再诱导其它更多的光子下来。从而形成发出方向性好、光强强的光,按照这个思路去做,产生了激光器。技术:固体、液体、气体不同频率
12、段等实现手段,有着许多的应用物理:形成现代光学量子力学,费米狄拉克统计,固体能带理论(上世纪20年代)晶体管诞生1947,集成电路1962,大规模集成电路70年代后期微结构物理按照固体能带理论进行人工材料设计(如最基本的二极管)通过掺杂,人工能带设计出一些新性质的材料(如放大信号等)集成电路超大规模的集成度(0.13m)现在学习的是第9页,共93页物理学的发展对工程技术发展的推动作用至少可以从以下几个方面来认识:(1)物理学的发展促进形成科学技术的前沿新领域。在历史上,相对论关于质能关系的确立、原子核结合能的研究和裂变现象的发现开辟了原子核能利用的新领域。如今物理学的深入发展,促进形成了众多工
13、程技术的前沿新领域。例如高温超导电性的研究展现了一个应用广泛、潜力巨大的崭新的技术领域,将对国民经济、军事技术、医疗卫生和各种高新产业产生难以估量的深远影响;激光器的发明、光导纤维的制成在有线通讯技术领域引起一场重大的革新;空间遥感技术也是在物理学发展的基础上形成的新领域,利用卫星拍摄的照片,在大地测量、矿藏勘探、天气预报、掌握生态环境的变迁和减少自然灾害等方面发挥了重要的作用。(2)物理学的发展为科学技术提供了新的研究手段。由物理学中的核磁共振现象开发出的核磁共振成像技术可逐层清晰地细察人体的内部,诊断体内各器官的疾病,且无扰动、无侵害、无电离辐射、是人体诊断技术的重大革命;利用量子隧道效应
14、制成的扫描隧道显微镜可观察到物体表面原子尺度的细微结构,为表面物理和分子生物学研究提供了有力的手段;集成光学的研究成果为制造运算速度更快、抗干扰能力更强的新一代计算机提供了基础。(3)物理学的发展也为技术开发提供了新思路。物理学的每一项新发展总是观察到新的现象,找到新的联系,实现新的构想,揭示新的本质属性,从而也就提供了技术开发的新的可能性。例如放射性元素衰变指数规律的发现和放射性元素的半衰期的测定之后,卢瑟福立刻意识到可用放射性元素的衰变来测量时间,从而逐渐形成了今天的同位素年代学,已广泛用于考古学中测定文物的年代,地质学中测定地层年龄以及天体物理中估计天体的年龄,等等。物理学与工程技术的密
15、切关系是由物理学的基础性质所决定。正是由于物理学是其它自然科学以及技术科学的基础学科,它的影响力才会如此的深厚,影响面才会如此的广阔;也正是因为物理学的基础性质,其它科学技术需要物理学从根基研究上作出应有的贡献。以上诸多的事例无不说明了“昨天的科学,今天的技术,明天的高效经济”这样一条真理;目前存在的重技术、轻科学(尤其是基础科学)是危害性极大的错误倾向。现在学习的是第10页,共93页三、工科学生必须学好物理课工科学生必须学好物理课工科院校肩负着为国家培养高级工程技术人才的重任。培养跨世纪的优秀人才,物理教学具有特殊的地位和作用。物理学研究自然界最普遍最基本的运动形态及其运动发展的规律,这种最
16、普遍最基本的运动形态寓于各种高级复杂的运动形态之中,成为其组成的基础,因此物理学是学习一切工程技术知识的基础课。也正是因为物理学的基础性质,它的研究最早,是发展得最为成熟的学科。物理学研究所形成的物质观、自然观、时空观、宇宙观对整个人类文化都产生了极深刻的影响,是各行各业科技人员必须具备的基本观点;物理学研究所形成的种种方法,如理论与实验、分析与综合、归纳与演绎、类比联想与猜测试探、理想化方法与模型化方法、估算与概算、统计方法等,是科学研究的有效方法,也是培养和提高人才能力素质的最有效的方法;物理学研究中注重理性、崇尚实践的精神尤为突出,是创造性人才必须具备的品格。当代科学技术的发展呈现出愈来
17、愈多地吸取,应用和借鉴物理学研究成果的趋势,二十多年来化学、地学、生命科学等学科的进展得益于物理学的基本概念和技术被应用于这些学科。高新技术的发展过程实际上是近代物理向各个领域渗透的过程。学好物理,特别是近代的物理,才能掌握新技术、应用新技术、发展新技术。物理学是工科大学各专业的一门重要的基础课。学生应该牢固地掌握物理学的基本理论和基本知识,深刻地理解物理规律的意义,并在实验技能及独立钻研能力等方面得到严格的训练,为今后成为优秀的工程技术人才奠定必要的物理基础。(1)农大办学传统:基础厚、要求严、重实践、求创新;(2)素质教育与科学素养:培养大学生的科学素养,通过大学物理的学习,培养科学思维方
18、法和研究方法,才能提高人才的挡次,即培养人的科学思维方法、方式、能力。为此,应通过基础课,特别是进行数理学习来进行培养。现在学习的是第11页,共93页以上无非是说明物理对我们的工作学习及以后的发展是有用的,作为教师深感责任重大,身在此位置,一定会把自己担负的这部分工作渴力做好。希望我们能够和谐合作,取得满意的效果。至于我们的学习究竟有没有用处、该怎样才能取得更好的效果,课后大家可以继续讨论,向我提出自己的建议。最后,说说本期内容、学时按排及考核和上课作业等要求。(1)内容:机械运动(质点系力学、刚体力学、相对论力学、机械波动学;热运动(热力学基础与气体动理论);电磁运动(电磁学和光学);量子运
19、动(量子物理基础)(2)学时:80课时,其中理论课程50课时,实验课30课时。(从本周到期13周结束,本人只上理论课)(学习内容多、课时少、任务紧,请注意方法提高效率)(3)考核与考式:考试占领70%,平时占30%。其中平时,包括作业,课堂出勤、上课态度、参予情况等,以及实验。(理论课考试由本人出题,实验课由执教老师)(4)要求:原则上要出满勤、上课积极认真,适当作些笔记、作业工整而不敷衍、课后、考前及时温习、注重在生活、专业学习中应用物理知识及物理思维;作业2周交一次,平均每次题。(5)温馨提醒:严要求:每缺一次作业扣2分,每无故缺勤一次扣2分。从经验来看,不及格者常缺勤、缺交业的多些。宽通
20、过:对于考试接近来60分的如58以上者,且学习态度好的同学可以“万岁”。(6)学习注意事项(如何学好大学物理)如何学好大学物理):在具有一定的数学基础(矢量、微分积分、微分方程)上,应掌握正确的学习方法,明确“教材为心,多方突破,循序渐进,融会贯现在学习的是第12页,共93页通”的普遍学习方法。通常,学习一种新理论或新知识,总是先选定一本具有代表性的、较好的书,而后采取种种手段(阅读、参考其它相关资料、多方求教、做实验)将其弄懂、吃透。大学物理课程的教学可以按照这一过程展开的。为了掌握教材中的理论和知识,采取如下步骤:课前预习培养自学能力,对有疑问的内容作针对性的听课。(看第一遍书)听课弄懂有
21、疑问的部分,发现自学理解错误的内容,又出现问题。(记笔记)c.看书进一步弄懂课堂讲授的内容,对照笔记解决出现的问题。(看第二遍书)d.做作业发现解决又出现的问题,培养解决处理问题的能力,养成踏踏实实、一丝不苟、仔细认真的良好习惯。e.辅导答疑、同学之间进行讨论解决问题、发现问题,加深对教材的理解。现在学习的是第13页,共93页g.总复习通读全书,理解、掌握所学内容并将之串为一体,形成系统。(看第三遍书)h.考试检验学习情况,再次发现问题并解决之。2.抓住基本问题,透过现象认识本质首先深刻理解基本概念,接着牢固掌握基本规律,最后熟练应用基本理论。a.对相应的物理现象作仔细的观察和研究,加深概念的
22、理解和掌握,力图抓住其本质。b.注意物理规律的两种表述文字描述和数学公式表示,能将数学公式和文字表示相对照。(对于文字描述,要逐字逐句的仔细推敲,深刻理解其揭示的物理规律。对数学公式表示,结合物理模型搞清其来龙去脉及物理意义,注意适用条件和单位。)c.通过做题,深入理解并熟练应用所学基本理论现在学习的是第14页,共93页v质点运动学质点运动学v质点与质点系动力学质点与质点系动力学v刚体力学基础刚体力学基础机机 械械 振振 动动 基基 础础(mechanic)现在学习的是第15页,共93页第一章第一章 质点的运动质点的运动教学基本要求教学基本要求 一一 掌握掌握位置矢量、位移、加速度等描述质点运
23、动位置矢量、位移、加速度等描述质点运动及运动变化的物理量及运动变化的物理量.理解理解这些物理量的矢量性、瞬这些物理量的矢量性、瞬时性和相对性时性和相对性.二二 理解理解运动方程的物理意义及作用运动方程的物理意义及作用.掌握掌握运用运运用运动方程确定质点的位置、位移、速度和加速度的方法,动方程确定质点的位置、位移、速度和加速度的方法,以及已知质点运动的加速度和初始条件求速度、运动方以及已知质点运动的加速度和初始条件求速度、运动方程的方法程的方法.三三 能计算质点在平面内运动时的速度和加速度,以能计算质点在平面内运动时的速度和加速度,以及质点作圆周运动时的角速度、角加速度、切向加速度及质点作圆周运
24、动时的角速度、角加速度、切向加速度和法向加速度和法向加速度.四四 理解伽利略速度变换式理解伽利略速度变换式,并会用它求简单的质并会用它求简单的质点相对运动问题点相对运动问题.现在学习的是第16页,共93页1-1质点质点 参考系参考系 运动表式运动表式一、质点一、质点(particle)(particle)的概念的概念(1)(1)理想模型理想模型 (为了简化问题为了简化问题)(2)(2)条件条件 研究的问题中大小和形状不起显著作用研究的问题中大小和形状不起显著作用只具有质量只具有质量,大小和形状可以忽略大小和形状可以忽略的几何点的几何点 物物体体:具具有有大大小小、形形状状、质质量量和和内内部部
25、结结构构的的物物质形态。质形态。一一般般情情况况下下,物物体体各各部部分分的的运运动动不不相相同同,在在运运动动的的过过程程中中大大小小、形形状状可可能能改改变变,这这使使得得运运动动问问题题变得复杂。变得复杂。1-1质点质点 参考系参考系 运动表式运动表式现在学习的是第17页,共93页1-1质点质点 参考系参考系 运动表式运动表式 可可以以作作为为质质点点处处理理的的物物体体的的条条件件:大大小小和和形形状状对对运运动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 地地球球上上各各点点的的公公转转速速度度相相差差很很小小,忽忽略略地地球球自自身身尺尺寸的影响,作为
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