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1、第一第一章章 物理学与力学物理学与力学第一章 物理学和力学 没有今日的基础科学没有今日的基础科学,就没有明日就没有明日的科技应用的科技应用,可以想象可以想象,我们现在的基我们现在的基础科学将怎样地影响础科学将怎样地影响21世纪的科技文世纪的科技文明明.李政道李政道 物理学属于基础科学范畴物理学属于基础科学范畴,是一门素质课是一门素质课,物理思物理思想和物理方法是一个科学工作者灵感之所在想和物理方法是一个科学工作者灵感之所在,基础之基础之所在所在.力学力学学习物理学的开始学习物理学的开始.1.1发展着的物理学展着的物理学1.1.1经典物理学与现代物理学经典物理学与现代物理学1.1.2 微观世界微
2、观世界 物质是由轻子和夸克组成物质是由轻子和夸克组成.轻子有电子、轻子有电子、子、子、子、电子中微子、子、电子中微子、子中微子中微子和子和 子中微子，每一种均有反粒子，共有子中微子，每一种均有反粒子，共有12种种.夸克有夸克有6种味，即上夸克、下夸克、奇异夸克、粲种味，即上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克夸克、底夸克和顶夸克.每种味又分红、蓝和绿每种味又分红、蓝和绿3种色种色.粒子之粒子之间有四种有四种基本相互作用：基本相互作用：引力相互作用、电引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用磁相互作用、弱相互作用和强相互作用.粒子之粒子之间的的基基本相互作用是通本相互作用是通
3、过交交换某种粒子来某种粒子来传递的，即基本相互的，即基本相互作用都是由媒介粒子作用都是由媒介粒子传递的，的，这类媒介粒子媒介粒子统称称为规范范玻色子玻色子.电磁力以光子为媒介，弱力的媒介为电磁力以光子为媒介，弱力的媒介为Z0和和W粒子，粒子，强力的媒介有强力的媒介有8种颜色的胶子种颜色的胶子.1.1.3 宇宙的早期演化 1.1.4 非线性系统的复杂行为非线性系统的复杂行为 一旦系统出现非线性一旦系统出现非线性,便可能呈现复杂行为便可能呈现复杂行为.这种复这种复杂行为有时会表现为规则的时空或功能有序杂行为有时会表现为规则的时空或功能有序,有时也会有时也会表现为貌似无序的序表现为貌似无序的序.复杂
4、行为不仅能发生于物理和化复杂行为不仅能发生于物理和化学系统学系统,也能发生于生命和社会系统也能发生于生命和社会系统.1.2 物理学科的特点物理学科的特点一、物理学的研究方法和步骤 三、物理学与科学技术笫一次笫一次,开始于开始于18世纪世纪60年代年代,主要标志是蒸汽机的广泛应主要标志是蒸汽机的广泛应用用,它是牛顿力学和热力学发展的结果它是牛顿力学和热力学发展的结果.笫二次笫二次,开始于开始于19世纪世纪70年代年代,主要标志是电力的广泛应用主要标志是电力的广泛应用和无线电通讯的实现和无线电通讯的实现,它是电磁学发展的结果它是电磁学发展的结果.笫三次笫三次,开始于开始于20世纪世纪40年代的电脑
5、、电信革命，也叫做年代的电脑、电信革命，也叫做“数字革命数字革命”.它是近代物理学发展的结果它是近代物理学发展的结果.科学解决理论问题，技术解决实际问题科学解决理论问题，技术解决实际问题.发展模式发展模式技术物理技术技术物理技术物理技术物理物理技术物理第一次技术革命第一次技术革命第二次技术革命第二次技术革命目前国际通用的时间单位是秒（目前国际通用的时间单位是秒（s）.为提高精度，为提高精度，1967年国际计量大会决定采用原子的跃迁辐射作为年国际计量大会决定采用原子的跃迁辐射作为计时标准计时标准,并规定并规定铯铯-133原子基态的两个超精细能原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的级间跃迁相
6、对应的辐射的9 192 631 770个周期的个周期的持续时间作为持续时间作为1s.这样的原子标准称为原子时这样的原子标准称为原子时.1.3.1 时间的计量时间的计量 一切周期运动都可用来量度时间一切周期运动都可用来量度时间.1.3 时间和和长度的度的测量量 可用物体来可用物体来计计量量长长度度.如古代如古代测测量量长长度常以人体的某度常以人体的某部分作部分作为单为单位和位和标标准准.近代的近代的测测量量长长度度单单位是在法国的位是在法国的米制米制单单位位发发展起来的展起来的规规定通定通过过巴黎的子午巴黎的子午线线的的1/(1107)为为1m(米米).目前在国目前在国际单际单位制中位制中长长度
7、的度的单单位是米位是米(m).在在1983年国年国际计际计量大会量大会规规定定:“1m为为光在真空中光在真空中传传播播(1/299 792 458)s 时间间时间间隔内所隔内所经经路径的路径的长长度度”.1.3.2 长度的计量长度的计量 1.4 单位制和量位制和量纲 物理学中物理学中,物理公式总是和一定的物理公式总是和一定的“单位制单位制”相联系相联系,“单位制单位制”就是各物理量间相互配套的一组单位就是各物理量间相互配套的一组单位.1.4.1 基本单位和导出单位基本单位和导出单位1.4.2 国际单位制国际单位制(SI)1.4.3 量纲式量纲式量纲：量纲：表示一个物理量由基本量的幂次组合的式子
8、表示一个物理量由基本量的幂次组合的式子.基本量选定后基本量选定后,导出量的量纲可由基本量的量纲的组导出量的量纲可由基本量的量纲的组合而得合而得.1.量纲量纲(3)为推导某些复杂公式提供线索为推导某些复杂公式提供线索.(1)用量纲检查等式的正误用量纲检查等式的正误.因为只有量纲相同的量因为只有量纲相同的量才能彼此相等，所以等式两边的量的量纲必须相同才能彼此相等，所以等式两边的量的量纲必须相同.(2)用量纲分析方程中比例系数的单位用量纲分析方程中比例系数的单位.2.应用应用 1.5 数量数量级估估计1.5.1 有效数字有效数字1.520 有四位有效数字有四位有效数字 567.23 有五位有效数字有
9、五位有效数字1.35cm 有三位有效数字有三位有效数字 0.0135m有三位有效数字有三位有效数字1.0035 有五位有效数字有五位有效数字 1.000cm有四位有效数字有四位有效数字注意：注意：有效数字的位数与十进制单位的变换无关有效数字的位数与十进制单位的变换无关,即与即与小数点的位置无关小数点的位置无关.用以表示小数点位置的用以表示小数点位置的“0”不是不是有效数字有效数字,当当“0”不表示为小数点位置时是有效数字不表示为小数点位置时是有效数字.数据最后的数据最后的“0”不能随便加上不能随便加上,也不能随便去掉也不能随便去掉.某一数中可靠数字称作某一数中可靠数字称作有效数字有效数字，它的
10、个数称作，它的个数称作有效数字的位数有效数字的位数.例如：例如：1.5.2 数量级的估计数量级的估计 例如：例如：88920 取取9104 称称“数量级估计数量级估计”，实际上，实际上又将已估计的又将已估计的9104 以以105 代之代之.用用10的若干次方表示的的若干次方表示的数常称为数常称为“数量级数量级”.估计某数的数量级时估计某数的数量级时,常取整为一位有效数字乘以常取整为一位有效数字乘以10的若干幂次的若干幂次.1.6 参考系参考系坐坐标系与系与时间坐坐标轴 任何物理过程都和时间和空间相联系任何物理过程都和时间和空间相联系.对机械运动对机械运动而言而言,空间规定了运动物体的大小与位置
11、空间规定了运动物体的大小与位置;时间则规定了时间则规定了运动过程的长短和顺序运动过程的长短和顺序.在经典力学范围内在经典力学范围内,空间与时间空间与时间是脱离物质与运动的独立存在是脱离物质与运动的独立存在;空间是延伸到整个宇宙空间是延伸到整个宇宙容纳物质的三维平直框架容纳物质的三维平直框架,时间犹如一座始终均匀转着时间犹如一座始终均匀转着的钟的钟.1.6.1 参考系和坐标系参考系和坐标系 被选作物体运动依据的物体或物体群称为被选作物体运动依据的物体或物体群称为参考系参考系，与参考系固连的三维空间称为与参考系固连的三维空间称为参考空间参考空间.同一物体的运同一物体的运动情况相对不同的参考系是不同
12、的动情况相对不同的参考系是不同的.为了定量表示物体相对参考系的位置为了定量表示物体相对参考系的位置,可在参考系可在参考系上建立适当的上建立适当的坐标系坐标系.即用固定在参考空间的一组坐标即用固定在参考空间的一组坐标轴和用来规定一组坐标的方法轴和用来规定一组坐标的方法.1.6.2 时间坐标轴时间坐标轴 所谓考察物体的运动所谓考察物体的运动,也就是考察物体的位置变动也就是考察物体的位置变动与时间的关系与时间的关系.因而考察物体的运动还必须有时间的坐因而考察物体的运动还必须有时间的坐标轴标轴,坐标原点即计时起点坐标原点即计时起点,计时起点不一定就是物体计时起点不一定就是物体开始运动的时刻开始运动的时
13、刻.“时刻时刻”对应于时间轴上一点对应于时间轴上一点,时刻为时刻为正或负表明在计时起点以后或以前正或负表明在计时起点以后或以前.质点在某一位置必质点在某一位置必与一定时刻相对应与一定时刻相对应.时间间隔时间间隔 指自某一初始时刻至终指自某一初始时刻至终止时刻所经历的时间止时刻所经历的时间,它对应于时间轴上一区间它对应于时间轴上一区间.质点质点位置变动总在一定时间间隔内发生。位置变动总在一定时间间隔内发生。“时间时间”一词有一词有时指时间间隔时指时间间隔,有时指时间变量有时指时间变量.1.7 力学力学学学习物理学的开始物理学的开始 力学是物理学的有机组成部分力学是物理学的有机组成部分.力学在物理力学在物理学的发展乃至整个人类认识发展中具有重要的学的发展乃至整个人类认识发展中具有重要的地位地位.它也是高新技术发展的源泉和先导它也是高新技术发展的源泉和先导.