大学物理力学.

1力学1.力学的研究对象2牛顿力学的形成3.力学——学习物理学的开始2知识领域研究的对象和内容课程体系基本课程后续课程机械运动现象与规律研究大到天体、小到颗粒等宏观物体的空间运动规律力学理论力学热运动现象与规律研究大量微观粒子的统计运动规律热学热力学与统计物理学电磁和光现象与规律研究包括光波在内的电磁场的运动、粒子在电磁场中的运动等规律。电磁学、光学电动力学物质微观结构和量子现象与规律研究物质的微观结构以及微观粒子的个体运动规律原子物理学量子力学凝聚态物质结构及性质研究由大量原子所组成的凝聚态物质的结构、相互作用及其宏观物理性质固体物理学凝聚态物理学时空结构（狭义相对论、广义相对论、宇宙学）研究时间和空间以及引力场性质，宇宙的形成、结构及演化力学电动力学、量子力学物理学基本知识领域与课程体系32.经典力学的形成经典物理学体系哥白尼(1473-1543)波兰日心说开普勒(1571-1630)德国行星运动定律经典力学哥白尼与“天体运行论”1、地心说与日心说的主要观点地心说:地球是绝对静止的，一切运动都是相对于地球而运动的。地心说受到宗教的吹捧与肯定。日心说:如果是地心说，这样的观点来描述行星的运动时，行星有无法解释的忽快、忽慢、逆行及z滞留的现象。地动日心说可以对天体的运动给予完满的解释。“天穹的周转是一种视运动，实际是地球运动的反映。”2.“天体运行论”于1543年完成，它被誉为自然科学的独立宣言。所以1543年在科学史上被称为科学革命的一年。1.丹麦著名天文学家第谷(1546-1601)，经过20年的反复的天文观测，积累了大量准确的星体运动观测资料，被人誉为“星学之王”。第谷与开普勒他的贡献有：（1）在丹麦国王的支持下，在哥本哈根海峡的一个小岛上修建了一座完善的天文台。（2）经过二十余年的观察，各个行星的角位置的误差仅为2’。（3）1560-1597年邀请开普勒到身边工作，1600年2月3号收他为助手。（4）1601.10.24去世，把所有的天文观测资料留给了开普勒。2.德国天文学家开普勒(1571-1630)是第谷的学生与助手，从第谷对火星的观测资料与他理论计算的8弧分之差入手，发表了开普勒三定律。写出“宇宙和谐论”，使我们对天穹星空的认识，由杂乱到有序。开普勒的一生，虽多病贫穷，但都未动摇他破解天体奥秘的决心，他把他的一生都贡献给了科学事业。第谷去世后，开普勒开始整理他的观察资料，于1627年《鲁道夫天文表》这份比以往的任何表都精确。直到18世纪中叶，这份表仍然被看作天文学上的标准星表，天文学家和航海家们都把它当作指南。开普勒的研究首先从火星开始，他发现这个行星的运动与哥白尼的理论出入最大。开普勒想从火星的观测数据中找出它的运动轨迹，并用曲线来表示，他经过70次尝试，他找到的最佳方案还与观测资料相差8角分，即0.133弧度。开普勒行星运动定律第一定律：行星绕太阳作椭圆轨道的运动，太阳在椭圆的一个焦点上；第二定律：在相同的时间内，行星和太阳的连线在椭圆平面内扫过的面积相等；这两条定律在1609年公布在《新天文学》一书中。第三定律：行星运动的周期的平方和其距太阳距离的立方成正比。这条定律开普勒在1619年出版的《宇宙和谐论》中公布11经典物理学体系经典力学伽利略(1564-1642)意大利落体和斜面运动加速度牛顿(1642-1727)英国运动三定律万有引力定律微积分运动学奠基人伽利略一、伽利略捍卫哥白尼学说伽利略(1564-1642)，又是一位献身于哥白尼学说的伟人。他出生于意大利比萨，17岁入比萨大学学医。1589-1592年在比萨大学任数学教师，脍炙人口的比萨斜塔实验可能就在这期间进行的。他和开普勒是同时代的天文学家，哲学家、数学家、物理学家。他们是好朋友。就在1609年，伽利略制作成了历史上放大倍数32的天文望远镜，获得了一系列重大的发现。二、落体运动的研究对运动无知，也就对大自然无知。——西方谚语伽利略对运动的研究主要的贡献：（1）通过相对性原理，提出了运动与静止的相对性，提出了对不同参考系运动的不同描述。----伽利略相对性原理（2）他用数学方法分析了时间和空间的定量关系。定义了匀速运动，还明确提出和定义了加速度的概念。（3）用实验研究了自由落体的运动规律。三、惯性定律伽利略还发现了惯性定律，他确信，如果一个物体能够没有摩擦地在一个水平面上滑动的话，它将能保持自己的速度不变。他用斜面实验来进行证明。他虽然得出了惯性定律，但他没有能进行概括性的描述。以伽利略为代表的惯性观念的改变，是古代与中世纪自然哲学过渡到经典物理学的最重要的标志。四、运动叠加原理伽利略第一个证明抛射体的路径是一条抛物线。他用运动叠加原理把抛射运动分解为：垂直方向的上抛运动和水平方向的匀速运动。他利用公式算出各抛射角时的曲线并证明与实验相符。他还证明了抛射角为45度射程最大。一、牛顿简介1.牛顿1642年生于英国。2.1661年考入剑桥大学31学院。由于学习勤奋，受到巴罗教授的赏识，1664年成为研究生。3.1665年开始研究微分和积分及万有引力定律。1665年伦敦大瘟疫，一个夏天病逝3万人。牛顿回到家乡，留下了脍炙人口的“苹果落地”的故事。（据说是法国作家伏尔泰从牛顿侄女那儿听来的。）牛顿的经典力学体系在1687年，他的《自然哲学的数学原理》的出版，标志着经典力学体系的建立。序言:“我把这部著作叫做自然哲学的数学原理，因为哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些力去论证其他现象……，我希望能用同样的推理方法，从力学中推导出自然界的其他现象。”所谓经典力学体系，简单说来，是以四个绝对化的概念：空间、时间、质量、力为基础，以三个基本定律为核心，以万有引力为它的综合，并用微积分来描述物体运动的因果律。1.它将个别特殊的情况抽象概括为普遍理论，是当时力学规律的伟大综合。2.它成为当时科学上判断正误的准绳。3.它向后来者提供了一种科学研究的方法。4.它发挥了科学理论的预言作用，引导人们从已知的现象去预测未来。牛顿的《自然哲学的数学原理》的意义193.物质的相互作用物质的基本形态粒子和场物质的相互作用强相互作用电磁相互作用弱相互作用引力作用源强子(质子.中子)电荷基本粒子质量相对强度121015510103910力程(m)长长1510171020物理学的研究方法观察实验假说理想模型物理学以实验为基础定律理论逻辑思维数学处理某些现象之间的联系某些条件下某些现象发生的规律用数学形式阐明物理量在数量上的关系21三.物理学与其他科学的关系交叉科学物理化学地球物理生物物理环境物理为其他科学提供技术和实验设备分类基本原理基本理论基本规律万有引力定律牛顿三定律导出规律质心运动定律动量、机械能、角动量定理理论应用刚体角动量守恒；角动量定理……流体伯努利方程；……振动共振；……波动多普勒效应……力学基本原理及应用应用卫星轨道；超重与失重；汽车中人的前、后倾；潮涨潮落；表观重力；丢失的重量；地球的自转；东北信风；台风的形成物体的运行轨迹；筛选法原理；手抓飞行子弹；西瓜的威力；机场驱赶小鸟运动员转速的变化；导航仪；不翻转的子弹；自行车转弯轮船的相碰；上旋球；下旋球；香蕉球；机翼的升力不敲自响的铜磬；桥梁的坍塌；信号调频变声与变色22现代时空经典时空力学理论基础典型问题质点运动规律定理与守恒质点运动学质点动力学非惯性系惯性系动量定理与守恒定律功能原理与守恒定律角动量定理与守恒定律刚体流体振动波动特殊质点系普遍运动形式狭义相对论广义相对论宇宙学与天体物理简介时空结构力学知识逻辑体系23对称性与守恒律矢量基本运算知识1.矢量的标记：A2.单位矢量：长度为1的矢量0A0AAA矢量可标记为A3.矢量相等：两矢量方向相同，大小相等，记为BA矢量具有空间平移不变性。4.矢量相加：BAC图1(a)为平行四边形定则，图1(b)为三角形定则。图1(a)图1(b)24CABCBA()()ABBA5.矢量相减：如图2(a)所示。如图2(b)所示。显然图2(a)图2(b)25ABCcosCAB6.矢量相乘：点乘的结果是一标量，大小为如图3（a）所示点乘：ABCsinABABABC叉乘：叉乘的结果还是一矢量，大小为方向是由右手螺旋法则（右手四指指向，小角度转向拇指所指的方向为的矢量方向）确定。如图3(b)所示图3(a)图3(b)26xyzxyzxyzAAAAAAAiAjAk,,ijk7.矢量分解：其中，为单位矢量如图4所示8.矢量的导数：00()()limlimttdAAttAtAAdttt如图5所示图4(a)图4(b)2728力学机械运动运动学定量描述物体的运动动力学运动状态的改变相互作用第一章质点运动学•目前国际通用的时间单位是秒（s）.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计时标准,并规定铯--133原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的9912631770个周期的持续时间作为1s.时间的计量•一切周期运动都可用来量度时间。1.1时间与空间可用物体来计量长度.如古代测量长度常以人体的某部分作为单位和标准.近代的测量长度单位是在法国的米制单位发展起来的（规定为通过巴黎的自北极至赤道的子午线的千万分之一为米）,目前在国际单位制中长度的单位是米（m）.在1983年国际计量大会商定以:“1m为光在真空中(1/299792458)s时间间隔内所经路径的长度”.长度的计量311.2质点和参考系一.质点1.定义不具有形状.大小具有质量的物体2.理想模型3.可否抽象为质点根据问题的性质不涉及物体的转动和物体各部分的相对运动32二.参考系1.定义2.运动学中参考系选择的原则便利3.在不同参考系对运动的描述不同4.实验室参考系.地心-恒星参考系三.坐标系建立在参考系上定量描述运动直角坐标系自然坐标系极坐标系33§1-2描述质点运动的物理量一.时刻和时间间隔时刻位置时间间隔位置的变动二.位置矢量1.参考点O(坐标系原点),质点位置P从O点到P点的有向线段OPOP距离方位optrr位置矢量运动学方程342.直角坐标系下的表示xyzoP(x,y,z)222coscoscosrxiyjzkrrxyzxyzrrr运动学方程tzztyytxx轨道参量方程0,,zyxf轨道方程ktzjtyitxtr35三.位移opQr(t)r(t+∆t)∆rkzjyixktzttzjtyttyitxttxtrttrpQr路程与位移路程标量总弧长单向直线运动位移矢量弦长srttlimlim0036四.平均速度和瞬时速度1.平均速度与时间间隔有关2.瞬时速度方向t时刻质点所处轨迹切线的前进方向大小瞬时速率与时间间隔无关ttrttrtrvdtrdttrttrtrvvttt000limlimlim37直角坐标系下的表示kvjvivkdtdzjdtdyidtdxkzjyixdtddtrdvzyxkdtdAjdtdAidtdAkttAttAjttAttAittAttAttAttAdtAdzyxzztyytxxtt0000limlimlimlim矢量的导数38描写质点速度变化快慢和方向的物理量ABv在t时间内速度变化量为：五、加速度;v,1t平均加速度：tva1v2v;v,2tt12vvv||||tva大小：方向：的方向。v1.平均加速度用平均加速度描写物体的运动是不精确的