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1、 人文物理 Arts PhysicsArts Physics联系：联系：人文人文物理物理主讲：王清涛主讲：王清涛1Arts PhysicsArts Physics第二篇从蛇头到蛇尾第二篇从蛇头到蛇尾微观微观介观介观宏观宏观宇观宇观量子力学量子力学量子力学量子力学经典力学经典力学经典力学经典力学天体物理天体物理天体物理天体物理第二篇第二篇从蛇头到蛇尾从蛇头到蛇尾4242个数量级个数量级2Arts PhysicsArts Physics第二篇第二篇从蛇头到蛇尾从蛇头到蛇尾第第1章宏观世界章宏观世界1.1宏观世界的数量级宏观世界的数量级10-7m以上的客体以上的客体 其下限相当于有机其下限相当于有机
2、大分子的尺寸大分子的尺寸我们日常生活中所我们日常生活中所接触到的都属于宏接触到的都属于宏观世界。观世界。3Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.2 宏观客体的运动规律宏观客体的运动规律最简单，但又是最普遍的运动形式最简单，但又是最普遍的运动形式机械运动机械运动伽利略伽利略 定义：定义：物体的位置随时间发生物体的位置随时间发生变化的运动，称为机械运动。变化的运动，称为机械运动。为了研究运动变化为了研究运动变化的规律，首先要对的规律，首先要对运动状态进行描述运动状态进行描述4Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.2.1
3、 运动的描述运动的描述参考系参考系所谓参考系，就是为描述物体的运动而选定的另一个作为参所谓参考系，就是为描述物体的运动而选定的另一个作为参考的物体；而坐标系是固结于参考系上的一个数学抽象。考的物体；而坐标系是固结于参考系上的一个数学抽象。直角坐标系直角坐标系自然坐标系自然坐标系极坐标系极坐标系惯性系惯性系:惯性定律在其中成立的参考系，反之称为非惯性系惯性定律在其中成立的参考系，反之称为非惯性系5日心系日心系ZXY地心系地心系o地面系地面系Arts PhysicsArts Physics一个好的物理学家，往往就是善于提出物理模一个好的物理学家，往往就是善于提出物理模型的科学家。型的科学家。第第1
4、章章宏观世界宏观世界1.2.1 运动的描述运动的描述物理模型物理模型“建模建模”是物理学认识物质世界的基本策略，离开是物理学认识物质世界的基本策略，离开了模型，物理学将寸步难行，陷入一种不可知论。了模型，物理学将寸步难行，陷入一种不可知论。质点、质点系、刚体质点、质点系、刚体惯性系惯性系7Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.2.1 运动的描述运动的描述时间、时刻时间、时刻位矢、位移、速度、加速度位矢、位移、速度、加速度r=r(t)运动方程运动方程描述物体运动的状态，首先要指出物体在哪儿运动？描述物体运动的状态，首先要指出物体在哪儿运动？运动的快慢快慢怎
5、样。为此需引入相应的物理量。运动的快慢快慢怎样。为此需引入相应的物理量。8Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.2.2 牛顿三定律牛顿三定律自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：上帝说：“让牛顿去吧！让牛顿去吧！”于是一切成为光明。于是一切成为光明。亚历山大 波普“如果说我如果说我比多数人看比多数人看得远一些的得远一些的话，那是因话，那是因为我站在巨为我站在巨人们的肩上。人们的肩上。”9Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.2.2 牛顿三定律牛顿三定律牛顿第一定律牛顿第一定律物
6、体不受外力作用将保持静止或作匀速直线运动。物体保物体不受外力作用将保持静止或作匀速直线运动。物体保持这种运动状态的特性，称为惯性，所以第一定律又称为持这种运动状态的特性，称为惯性，所以第一定律又称为惯性定律。惯性定律。伽利略斜面实验伽利略斜面实验 10Arts PhysicsArts Physics实质就是实验和理论和谐地结合起实质就是实验和理论和谐地结合起来的方法来的方法第第1章章宏观世界宏观世界1.2.2 牛顿三定律牛顿三定律伽伽利利略略的的方方法法：经经验验(以以实实验验和和观观察察的的形形式式)与与思思维维(以以创创造造性性构构筑筑的的理理论论和和假假说说的的形形式式)之之间间的的动动
7、态态的的相相互互作作用用。不不是是追追随随权权威威而而是是向向经经验验和和理理性性思思维维学学习习，正正是是这这个个观观念念使使伽伽利利略略的的工工作作和和科科学学如如此此强强有有力力，并并且且经经得起时间的考验。得起时间的考验。“对对对对现现现现象象象象的的的的观观观观察察察察提提提提出出出出假假假假设设设设，运运运运用用用用数数数数学学学学和和和和逻逻逻逻辑辑辑辑的的的的手手手手段段段段得得得得出出出出推推推推论论论论，通通通通过过过过物物物物理理理理的的的的或或或或思思思思想想想想的的的的实实实实验验验验对推论进行检验，对假设进行修正和推广对推论进行检验，对假设进行修正和推广对推论进行检
8、验，对假设进行修正和推广对推论进行检验，对假设进行修正和推广”11Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.2.2 牛顿三定律牛顿三定律牛顿第二定律牛顿第二定律物体在外力作用下运动的加速度和外力成正比，物体在外力作用下运动的加速度和外力成正比，并且加速度的方向和外力方向相同并且加速度的方向和外力方向相同,又称运动基本又称运动基本定律定律.注意：注意：(1)(1)物体的质量就是用来恒量物体惯性大小的物理量物体的质量就是用来恒量物体惯性大小的物理量(2)(2)F F 应理解为物体所受之合力应理解为物体所受之合力 12Arts PhysicsArts Physic
9、s第第1章章宏观世界宏观世界1.2.2 牛顿三定律牛顿三定律牛顿第三定律牛顿第三定律力是成对出现的，只要一个物体施力于第二个物体，第二力是成对出现的，只要一个物体施力于第二个物体，第二个物体就施力于第一个物体，这两个力被称为作用力与反个物体就施力于第一个物体，这两个力被称为作用力与反作用力。这两个力总是大小相等，方向相反，始终在同一作用力。这两个力总是大小相等，方向相反，始终在同一直线上，同时出现也同时消失直线上，同时出现也同时消失。又称为。又称为作用反作用定律作用反作用定律。为什么我们只看为什么我们只看到苹果下落，未到苹果下落，未见地球上升呢？见地球上升呢？13Arts PhysicsArt
10、s Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.2.3 万有引力定律万有引力定律月亮为什么不掉下来？月亮为什么不掉下来？物体有一定的速度，同时受到向心力作用，是维物体有一定的速度，同时受到向心力作用，是维持物体作圆周运动的必要条件。持物体作圆周运动的必要条件。月亮以每秒月亮以每秒1.02km绕地球绕地球轨道飞行轨道飞行14Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.2.3 万有引力定律万有引力定律月亮为什么不掉下来？月亮为什么不掉下来？牛牛顿顿的的这这种种理理想想抛抛体体实实验验，如如今今已已经经实实现现，这这就就是是人人造造地地球球卫卫星星。如如果果卫卫星星
11、离离地地面面越越高高，所所需需要要的速率就越小，例如月亮只需的速率就越小，例如月亮只需1千米千米/秒多一点。秒多一点。7.97.9千米千米/秒秒 15Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.2.3 万有引力定律万有引力定律 1.1.牛牛顿顿认认为为地地球球拉拉着着月月亮亮和和下下落落的的苹苹果果所所受受到到的的力力的的方方式式完完全全相相同同，这这个个力力是是地地球球施施加加给给一一切切物物体体的的吸吸引引力力。后后来来，牛牛顿顿根根据据这这个个道道理理推推论论，不不仅仅地地球球与与月月亮亮之之间间有有吸吸引引力力，地地球球与与太太阳阳之之间间也也存存在在
12、着着吸吸引引力力，这这就就是是以以太太阳阳为为中中心心，各各个个行行星星(包包括括地地球球在在内内)能能按按一一定定轨轨道绕着太阳运动的根据。道绕着太阳运动的根据。2.我我们们只只有有一一个个宇宇宙宙，一一个个自自然然界界。引引力力应应不不只只存存在在于于天天体体之之间间，以以及及地地球球与与地地球球上上的的物物体体之之间间。牛牛顿顿推推断断，引引力力是是普普遍遍存存在在的的，宇宇宙宙中中的的每每一一对对物物体体之之间间都都有有这这种力作用着，称为种力作用着，称为万有引力万有引力万有引力万有引力。16Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.2.3 万有引力
13、定律万有引力定律 万有引力定律万有引力定律自然界中任何两个物体都以一定的力互相吸引，这个吸引力自然界中任何两个物体都以一定的力互相吸引，这个吸引力的大小同两个物体质量的乘积成正比，同它们之间距离的平的大小同两个物体质量的乘积成正比，同它们之间距离的平方成反比。又称物质相互作用的普遍规律。方成反比。又称物质相互作用的普遍规律。卡文迪许扭称实验被评为卡文迪许扭称实验被评为十大最优美物理实验。十大最优美物理实验。17Arts PhysicsArts Physics引力引力扭转扭转力矩力矩金属丝金属丝扭转扭转 平面镜平面镜 转动角度转动角度金属丝金属丝 扭扭转角度转角度反射光反射光转动转动光点光点移动
14、移动引力引力力矩力矩放放大大放放大大放大放大扭称原理流程图扭称原理流程图：第第1章章宏观世界宏观世界18Arts PhysicsArts Physics卡文迪许扭称实验的意义卡文迪许扭称实验的意义证明了万有引力的存在，使万有引力定律证明了万有引力的存在，使万有引力定律进入了真正实用的时代；进入了真正实用的时代；开创了微小量测量的先河，使科学放大思开创了微小量测量的先河，使科学放大思想得到推广；想得到推广；卡文迪许被称为卡文迪许被称为“第一个称量地球质量的第一个称量地球质量的人人”！第第1章章宏观世界宏观世界19Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.2.3
15、 万有引力定律万有引力定律 思考：思考：(1)两两个个60的的人人相相距距1米米，估估算算出出他他们们之之间间的的万有引力？万有引力？0.00000024牛顿牛顿(2)如何不用锻炼或节食来达到减轻体重的目的？如何不用锻炼或节食来达到减轻体重的目的？20Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界21Arts PhysicsArts Physics牛顿提出万有引力定律，但并没有阐明引力的本牛顿提出万有引力定律，但并没有阐明引力的本质，以及引力是如何传递的？直到如今，这仍然质，以及引力是如何传递的？直到如今，这仍然是一个谜是一个谜 。配乐诗朗诵：配乐诗朗诵：质量奏鸣曲
16、质量奏鸣曲22Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.2.4 运动量的描述运动量的描述 思考：运动状态相同的物体，运动的强度是否一样？思考：运动状态相同的物体，运动的强度是否一样？笛卡尔笛卡尔“运运动动的的量量是是用用它它的的速速度度和和质质量量一起来量度的一起来量度的”，称为，称为动量动量动量定理：动量定理：几几个个物物体体组组成成的的系系统统，不不受受外外力力作作用用，系系统统的的总总动动量量保保持持不不变变，称称为为动量守恒定律。动量守恒定律。动量：动量：23Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.2.4 运动量
17、的描述运动量的描述 动量守恒的应用动量守恒的应用火火箭箭是是动动量量守守恒恒定定律律最最重重要要的的应应用用之之一一。根根据据动动量量守守恒恒定定律律，当当一一个个系系统统向向后后高高速速射射出出一一个个小小物物体体时时，该该系系统统就就会会获获得得与与小小物物体体相相同同大大小小但但方方向向相相反反的的动动量量，即即系系统统就就获获得得向向前前的的速速度度。火火箭箭发发动动机机工工作作时时，喷喷出出的的高高速速气气体体给给予予火火箭箭本本体体一一个个反反作作用用力力，即即推推力力，使使火火箭箭的的速速度度产生变化。产生变化。齐奥尔科夫斯基齐奥尔科夫斯基齐奥尔科夫斯基齐奥尔科夫斯基改变地球面貌
18、的十大公式之一改变地球面貌的十大公式之一24Arts PhysicsArts Physics原始人原始人 计数规则计数规则毕达哥拉斯毕达哥拉斯 勾股定理勾股定理阿基米德阿基米德 杠杆原理杠杆原理纳皮尔纳皮尔 对数对数牛顿牛顿 万有引力万有引力麦克斯韦麦克斯韦 电磁波方程电磁波方程齐奥尔科夫斯基齐奥尔科夫斯基 火箭飞行原理火箭飞行原理爱因斯坦爱因斯坦 质能公式质能公式德布罗意德布罗意 物质波波长物质波波长玻尔兹曼玻尔兹曼 熵公式熵公式第第1章章宏观世界宏观世界25Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.2.4 运动量的描述运动量的描述 思考：下面两种情形，它
19、们的动量各为多少？思考：下面两种情形，它们的动量各为多少？只用动量还不能准确描述转动物体的运动强度，只用动量还不能准确描述转动物体的运动强度，为此引入一个新物理量为此引入一个新物理量角动量角动量 动量为零动量为零!26Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.2.4 运动量的描述运动量的描述 角动量定义：角动量定义：方向满足右手螺旋法则方向满足右手螺旋法则大小：大小：角动量定理角动量定理角角动动量量守守恒恒：当当质质点点系系所所受受外外力力对对某某参参考考点点（或或轴轴）的的力力矩矩的的矢矢量量和和为为零零时时，质质点点系系对对该该参参考考点点（或或轴轴）的
20、角动量守恒。的角动量守恒。27Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界演示演示角动量定恒角动量定恒车轮的旋进车轮的旋进28Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.2.4 运动量的描述运动量的描述思思考考：质质量量不不同同，但但动动量量相相同同的的两两物物体体它它们们对对外外做功的本领是否相同？做功的本领是否相同？功是力的空间累积效应功是力的空间累积效应 运运动动的的物物体体是是具具有有做做功功本本领领，因因运运动动的的物物体体具具有能，称为有能，称为动能动能。另外拉伸或压缩的弹簧，或者被举高的物体，也另外拉伸或压缩的弹簧，
21、或者被举高的物体，也都有作功的本领，它们也具有能，称为都有作功的本领，它们也具有能，称为势能势能。势。势能和动能一起称为能和动能一起称为机械能机械能。29Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.3 经典力学的应用经典力学的应用力力学学是是物物理理学学最最古古老老和和最最基基础础的的学学科科，它它的的研研究究范范围围从从一一般般物物体体的的机机械械运运动动直直到到天天体体运运动动。宇宇宙宙探探测测、航航天天、航航空空，都都属属于于力力学学问问题题，基基本本粒粒子子的的碰碰撞撞、衰衰变变和和相相互互作作用用的的径径迹迹也也属属于于力力学学问问题题。作作为为经经
22、典典力力学学的的牛牛顿顿力力学学虽虽然然被被称称为为是是一一个个相相对对准准确确的的理理论论，但但它它的的适适用用范范围围之之广广,令今天的物理学家都感到吃惊。令今天的物理学家都感到吃惊。潮汐的形成潮汐的形成火箭、卫星火箭、卫星哈雷慧星回归的确哈雷慧星回归的确确预测确预测第一颗人造地球卫星第一颗人造地球卫星第一颗人造地球卫星第一颗人造地球卫星哈雷慧星哈雷慧星哈雷慧星哈雷慧星还有哪些？还有哪些？30Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.4 牛顿世界观的形成牛顿世界观的形成牛牛顿顿世世界界观观的的基基础础是是牛牛顿顿力力学学。力力学学一一词词，在在英英文文中
23、中与与机机械械(mechanics)(mechanics)是相同的，所以这种世界观又称为机械观是相同的，所以这种世界观又称为机械观 。物质运动的目的论物质运动的目的论宇宙钟表论宇宙钟表论“所有事件，即使是那些由于其无足轻重、看起来似乎不遵循伟大的自然法则的事件，都确实是这些法则的结果，就像日出日落是自然法则的结果那样不容置疑。所以，我们必须把宇宙的现状看成是以前状态的结果，又把它看成是它未来状态的原因。如果有一个智慧生物，他在一个给定的时刻知道自然界中一切作用力和宇宙中每个物体的位置，又有一副足够大的大脑能够完成一切必需的计算，没有什么东西是不确定的，未来就像过去一样是一本打开的书。”拉普拉斯
24、拉普拉斯31Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.4 牛顿世界观的形成牛顿世界观的形成1.物质粒子性物质粒子性 2.运动决定性运动决定性 3.时空绝对性时空绝对性 4.作用泛力性作用泛力性 从从17世世纪纪到到20世世纪纪，这这些些观观念念影影响响了了欧欧洲洲和和其其他他地地方方所所有有受受过过教教育育的的人人。牛牛顿顿物物理理学学是是如如此此成成功功，以以致致相相伴伴的的哲哲学学即即牛牛顿顿世世界界观观几几乎乎毫毫无无异异议议地地被被人人们们接接受受。人人们们吸吸收收了了这这些些观观念，却很少能意识到已吸收了这些观念。念，却很少能意识到已吸收了这些观念
25、。主要特点：主要特点：宇宙钟表论宇宙钟表论32Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.4 牛顿世界观的形成牛顿世界观的形成由于牛顿力学的迅速发展及其对经典物理学其他领域的成功渗由于牛顿力学的迅速发展及其对经典物理学其他领域的成功渗透，直到透，直到19世纪未，绝大部分的物理学家对这种机械观都顶礼世纪未，绝大部分的物理学家对这种机械观都顶礼膜拜，只有极少数的物理学家敢站出来说不，这其中就有奥地膜拜，只有极少数的物理学家敢站出来说不，这其中就有奥地利的马赫。利的马赫。马赫他他首首先先批批评评了了牛牛顿顿对对于于质质量量的的定定义义(1868)(1868)，又又在
26、在力力学学史史评评中中批批评评了了牛牛顿顿的的绝绝对对时时空空及及绝绝对对运运动动概概念念，认认为为物物体体的的惯惯性性应应由由宇宇宙宙中中所所有有物物质质决决定定；此此外外马马赫赫从从自自已已的的经经验验论论哲哲学学思思想想出出发发，强强调调了了可可观观察察量量的的重重要要性性，所所有有这这些些都都深深深深影影响响了了2020世世纪纪近代物理学的进展。近代物理学的进展。33Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.4 牛顿世界观的形成牛顿世界观的形成机机械械观观面面临临的的真真正正挑挑战战来来自自2020世世纪纪新新的的实实验验事事实实，而而后后由由爱爱因
27、因斯斯坦坦给给我我们们带带来来一一种种全全新新的的世世界界观观。不不过过我我们们应应该该认认识识到到，机机械械观观是是物物理理学学发发展展过过程程中中的的必必然然产产物物，它它的的提提出出决决不不是是幼幼稚稚可可笑笑的的，它它使使物物理理理理论论彻彻底底摆摆脱脱了了神神学学的的干干扰扰，带带动动了了整整个个经经典典物物理理学学的的成成长长；即即使使在在现现代代，牛牛顿顿力力学学也也没没有有丧丧失失其其活活力力，在在大大量量现现代代化化的的工工程程技技术术中中仍仍然然正正常常地地发发挥挥着着它它的的作作用用。科科学学是是有有继继承承性性的的，当当我我们们谈谈论论机机械械观观的的偏偏激激和和片片面
28、面时时，对对那那些些为为机机械械观观奋奋斗斗的的前前辈辈，仍仍然然是是怀怀着着崇崇敬敬、感感激激的心情。的心情。34Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界1.4 牛顿物理学上空的几朵乌云牛顿物理学上空的几朵乌云1919世纪未和世纪未和2020世纪初时发现，至少在三种情况下牛顿世纪初时发现，至少在三种情况下牛顿物理学给出的预言不正确：物理学给出的预言不正确：光速不变光速不变多粒子体系的运动多粒子体系的运动微观领域微观领域由宏观世界总结出来的规律，它有一个适用范围，由宏观世界总结出来的规律，它有一个适用范围，它本身不可避免地存在着许多问题，有待解决。正它本身不可
29、避免地存在着许多问题，有待解决。正是对这些问题的解决，科学才不断进步。是对这些问题的解决，科学才不断进步。相对论相对论热力学与统计物理热力学与统计物理量子物理量子物理35Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界小结小结宏观世界物质运动规律宏观世界物质运动规律运动状态的描述：位移、速度、加速度运动状态的描述：位移、速度、加速度运动量的描述：动量、角动量、动能、机械能运动量的描述：动量、角动量、动能、机械能牛顿三定律和万有引力定律牛顿三定律和万有引力定律绝对时空观的形成绝对时空观的形成经典力学的成就经典力学的成就牛顿物理学上空的几朵乌云牛顿物理学上空的几朵乌云 36Arts PhysicsArts Physics第第1章章宏观世界宏观世界 力学演示实验力学演示实验锥体自由上滚锥体自由上滚进动进动 茹科夫斯基椅茹科夫斯基椅滚摆滚摆气垫陀螺气垫陀螺 37