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1、大学物理1-1质点运动描述引言引言一、什么是物理学一、什么是物理学?概括地说概括地说,物理学就是探讨物物理学就是探讨物质结构和物质运动基本规律的学质结构和物质运动基本规律的学科科 。分子热运动热学分子热运动热学物质基本运动形式物质基本运动形式:机械运动力学机械运动力学电磁运动电磁学电磁运动电磁学原子运动量子力学原子运动量子力学二、物理学的研究领域二、物理学的研究领域：空间尺度空间尺度:从小到线度从小到线度(d)为为10-15m的质子的质子(proton),大到线度大到线度(d)为为1024m的超星系团。的超星系团。时间标度时间标度:从最不稳定的粒子寿命（从最不稳定的粒子寿命（Z。)10-25
2、s直到寿命直到寿命长达长达1039s的质子。注意：宇宙年龄大约的质子。注意：宇宙年龄大约1018 s。三三、物理学的研究方法物理学的研究方法提出命题提出命题应用应用修改理论修改理论实验检验实验检验理论预言理论预言 物理学物理学是一门理论和是一门理论和实验实验高度结合的精确高度结合的精确物理的直觉物理的直觉和想象力及和想象力及洞察力也常洞察力也常常产生重大常产生重大突破和发现突破和发现其研究方法可概括为：其研究方法可概括为：科学，科学，观测、实验观测、实验推测答案推测答案 对称性分析对称性分析 守恒量的利用守恒量的利用 简化模型的选取简化模型的选取 概念和方法的类比概念和方法的类比 从方法论上讲
3、，物理学的研究方法可分为：从方法论上讲，物理学的研究方法可分为：演绎法：演绎法：归纳法：归纳法：基本定律基本定律推理、演算推理、演算 新理论新理论归纳实验、观测事实归纳实验、观测事实 假设、模型假设、模型新理论（分子运动理论、量子理论）新理论（分子运动理论、量子理论）具体地说，物理学还有许多有特色的方法，具体地说，物理学还有许多有特色的方法，定性和半定量分析定性和半定量分析 量纲分析量纲分析 能量分析能量分析 比如：比如：四、学习物理学的意义：四、学习物理学的意义：物理学是一切自然科学的基础。物理学是一切自然科学的基础。物理学为其他学科创立技术和原理物理学为其他学科创立技术和原理 重大新技术领
4、域的创立总是经历长期的物理酝酿重大新技术领域的创立总是经历长期的物理酝酿b卢瑟福卢瑟福 a a 粒子散射实验粒子散射实验(1909)(1909)核能利用核能利用(40(40年后年后)b爱因斯坦受激辐射理论爱因斯坦受激辐射理论(1917)(1917)第一台激光器第一台激光器(1960)(1960)b量子力学量子力学,费米狄拉克统计费米狄拉克统计,固体能带理论固体能带理论(20(20年代年代)晶体管诞生晶体管诞生(1947),(1947),集成电路集成电路(1962),(1962),大规模集成电路大规模集成电路 (70 (70年代后期年代后期)四、学习物理学的意义：四、学习物理学的意义：2.2.这
5、是一门理工专业的必修课（为专业知识打下物这是一门理工专业的必修课（为专业知识打下物理基础）！理基础）！5物理学的思想和观点物理学的思想和观点 如如 建理想化模型建理想化模型5从物理本质上提出和研究本专业问题从物理本质上提出和研究本专业问题5创新能力创新能力t在工程技术中引入物理学的新成果在工程技术中引入物理学的新成果五、学习物理学方法及注意事项五、学习物理学方法及注意事项 作业：高质量地及时完成作业（尽量独立完成）。作业：高质量地及时完成作业（尽量独立完成）。严守课堂纪律（不迟到，不随便说话）。严守课堂纪律（不迟到，不随便说话）。重视预习和复习，主动培养自学能力。重视预习和复习，主动培养自学能
6、力。知识储备：数学知识储备。力学部分（矢量计算和知识储备：数学知识储备。力学部分（矢量计算和微积分知识）微积分知识）逻辑思维能力：注意演算理论推导和习题练习。逻辑思维能力：注意演算理论推导和习题练习。在各种形态的物质运动中，在各种形态的物质运动中，机械运动机械运动是最简单的一种是最简单的一种是物体的位置随时间的一种变动。一个外物体相对另是物体的位置随时间的一种变动。一个外物体相对另一物体的位置随时间而变化的过程。是一物体的位置随时间而变化的过程。是最简单最基本最简单最基本的运动的运动。如交通工具的行驶，天体的运行等。如交通工具的行驶，天体的运行等。力学的研究对象力学的研究对象：力学力学经典力学
7、研究的是宏观物体的低速运动。经典力学研究的是宏观物体的低速运动。力学分类：力学分类：本篇讲述的内容主要包括本篇讲述的内容主要包括质点力学，部分刚体力学质点力学，部分刚体力学，着，着重阐明动量、角动量和能量的有关概念及相应的守恒定重阐明动量、角动量和能量的有关概念及相应的守恒定律。律。运动学、动力学、静力学。运动学、动力学、静力学。物体的机械运动。物体的机械运动。m运动学运动学(kinematics)m动力学动力学(dynamics)m静力学静力学(statics)（一门力学分支）（一门力学分支）只只描描述述物物体体的的运运动动，不不涉涉及及引引起起运运动动和和改改变运动的原因。变运动的原因。研
8、究运动与相互作用之间的关系。研究运动与相互作用之间的关系。研究物体在相互作用下的平衡问题研究物体在相互作用下的平衡问题(土建工程）。土建工程）。牛顿力学只涉及宏观物体的低速运动牛顿力学只涉及宏观物体的低速运动 是整个物理学的基础是整个物理学的基础 广泛应用于工程技术广泛应用于工程技术一一 参考系参考系 质点质点 为描述物体的运动而选择的标准物叫做参考系为描述物体的运动而选择的标准物叫做参考系.1 1 参考系（常用参考系：地球、具体问题具体分析）参考系（常用参考系：地球、具体问题具体分析）如果我如果我们研究某一物体的运动，而可以忽略其们研究某一物体的运动，而可以忽略其大小和形状对物体运动的影响，
9、若不涉及物体的转大小和形状对物体运动的影响，若不涉及物体的转动和形变，我们就可以把物体当作是一个具有质量动和形变，我们就可以把物体当作是一个具有质量的点（即的点（即质点质点）来处理）来处理.2 2 质点质点 选取的参考系不同，对物体运动情况的描述不选取的参考系不同，对物体运动情况的描述不同，这就是运动描述的同，这就是运动描述的相对性相对性.坐标系：参考系的数学抽象（直角、极和自然等）坐标系：参考系的数学抽象（直角、极和自然等）.物体能否抽象为质点，视具体情况而定物体能否抽象为质点，视具体情况而定 质点是经过科学抽象而形成的质点是经过科学抽象而形成的理想化的物理模型理想化的物理模型.目的是为了突
10、出研究对象的主要性质目的是为了突出研究对象的主要性质,暂不考虑一些暂不考虑一些次要的因素次要的因素（实际物体可看成有很多质点组成）（实际物体可看成有很多质点组成）.太阳太阳地球地球rR地球绕太阳公转地球绕太阳公转地地日间平均距离日间平均距离 r ：1.5 108 km地球半径地球半径 R ：6.37 103 km r二二 位置矢量位置矢量 运动方程运动方程 位移位移1 位置矢量位置矢量*位矢位矢 的值为的值为 确定质点确定质点P某一时刻在某一时刻在坐标系里的位置的物理量称坐标系里的位置的物理量称位置矢量位置矢量,简称位矢简称位矢 .式中式中 、分别为分别为x、y、z 方向的单位矢量方向的单位矢
11、量.位矢位矢 的方向余弦的方向余弦PP2 运动方程运动方程分量式分量式从中消去参数从中消去参数 得轨迹方程得轨迹方程 3 位移位移BABA 经过时间间隔经过时间间隔 后后,质点位置矢量发生变化质点位置矢量发生变化,把把 由始点由始点 A 指向终点指向终点 B 的有向线段的有向线段 称为点称为点 A 到到 B 的位移矢量的位移矢量,简称位移简称位移.位移的大小为位移的大小为BA位移位移若质点在若质点在三维三维空间中运动空间中运动4 路程（路程（）:质点实际运动轨迹的长度质点实际运动轨迹的长度.位移位移的物理的物理意义意义 A)确切反映物体在空间确切反映物体在空间位置的变化位置的变化,与路径无关，
12、与路径无关，只决定于质点的始末位置只决定于质点的始末位置.B）反映了运动的矢量反映了运动的矢量性和叠加性性和叠加性.注意注意位矢长度的变化位矢长度的变化位移与路程位移与路程 （B）一般情况一般情况,位移位移大小不等于路程大小不等于路程.（D）位移是矢量）位移是矢量,路程是标量路程是标量.（C）什么情况）什么情况？不改变方向的直线运动不改变方向的直线运动;当当 时时 .讨论讨论 （A）P1P2 两点间的路程两点间的路程 是是不唯一的不唯一的,可以是可以是 或或 而位移而位移 是唯一的是唯一的.三三 速度速度 1 平均速度平均速度 在在 时间内时间内,质点从点质点从点A 运动到点运动到点 B,其位
13、移为其位移为时间内时间内,质点的平均速度质点的平均速度平均速度平均速度 与与 同方向同方向.平均速度大小平均速度大小或或BA2 瞬时速度瞬时速度 当质点做曲线运动时，质点在某一点的速度方向当质点做曲线运动时，质点在某一点的速度方向就是沿该点曲线的切线方向就是沿该点曲线的切线方向.当当 时平均速度的极限值叫做瞬时速度，时平均速度的极限值叫做瞬时速度，简称速度简称速度当当 时，时，瞬时速率：速度瞬时速率：速度 的大小称为速率的大小称为速率 若质点在若质点在三维三维空间中运动空间中运动,其其速度为速度为平均速率平均速率BA瞬时速率瞬时速率讨论讨论 一运动质点在某瞬时位于矢径一运动质点在某瞬时位于矢径
14、 的端点的端点处，其速度大小为处，其速度大小为（A）（B）（B）（B）（C）（D）1）平均加速度平均加速度B与与 同方向同方向.（反映速度变化快慢的物理量）（反映速度变化快慢的物理量）单位时间内的速度增单位时间内的速度增量即平均加速度量即平均加速度2）（瞬时）加速度）（瞬时）加速度四四 加速度加速度A加速度大小加速度大小加速度加速度加速度大小加速度大小质点作三维运动时加速度为质点作三维运动时加速度为 吗？吗？讨论讨论在在Ob上截取上截取有有速度方向变化速度方向变化速度大小变化速度大小变化O问问 吗？吗？讨论讨论因为因为所以所以例例 匀速率圆周运动匀速率圆周运动所以所以而而【例例】一】一质质点在
15、点在OxyOxy平面内运平面内运动动，运，运动动方程方程为为：其中其中A A、w w为为常量，求常量，求质质点的点的轨轨迹方程以及迹方程以及质质点在任意点在任意t t时时位矢、速度和加速度的大小和方向。位矢、速度和加速度的大小和方向。【解解】质质点运点运动动方程的分量形式方程的分量形式为为：联联立消去立消去t t可得到可得到轨轨迹方程迹方程 这这是一个是一个圆圆的方程，的方程，圆圆心在原点心在原点O O，半径，半径为为A A，见见下下图图，可可见质见质点在作点在作圆圆周运周运动动。位矢大小为位矢大小为 位矢的方向可用位矢的斜率表示位矢的方向可用位矢的斜率表示（1 1）质点速度为：质点速度为：速
16、度的分量为：速度的分量为：故速度的大小即速率为：故速度的大小即速率为：质点的速率为常量，即质点作匀速率圆周运动。质点的速率为常量，即质点作匀速率圆周运动。质点速度的方向角的斜率为：质点速度的方向角的斜率为：（2）比较（比较（1）式和（）式和（2）式，可知速度和位矢的斜率的积为）式，可知速度和位矢的斜率的积为1，即速度，即速度v和位矢和位矢r垂直，速度沿圆周的切线方向。垂直，速度沿圆周的切线方向。质点的加速度为：质点的加速度为：可见加速度方向与位矢相反，即指向圆心。可见加速度方向与位矢相反，即指向圆心。加速度的大小为：加速度的大小为：即加速度的大小也是一个常量。即加速度的大小也是一个常量。谢谢大家！结结 语语