2023年力学（教学课件）.ppt

2023/3/19 1 简称“物理简称“物理。原词出自希腊文。原词出自希腊文原文为原文为 (physikos):natural)，原意自然。，原意自然。物理学：物理学：广泛的意义来讲是研究大自然现象及规律的学问广泛的意义来讲是研究大自然现象及规律的学问 研究物质运动的最一般规律及其根本结构。研究物质运动的最一般规律及其根本结构。物质存在的形式和具有的性质，物质存在的形式和具有的性质，物质的各种运动和能量及相互转化物质的各种运动和能量及相互转化 物质的内部结构等物质的内部结构等 各种物理现象、本质和根本规律。各种物理现象、本质和根本规律。研究对象：研究对象：序序 言言 学科学科:理学理学；门类；门类:物理学物理学类类(一级一级)物理学史物理学史;理论物理学理论物理学;声学热学声学热学 凝聚态物理学凝聚态物理学高能物理学高能物理学;原子核物理学原子核物理学;等离子体物理学等离子体物理学等计等计15个二级学科个二级学科 2023/3/19 2-江上小堂巢翡翠江上小堂巢翡翠 苑边高苑边高塚塚卧麒麟卧麒麟 细推物理须行乐细推物理须行乐 何用浮名绊此身何用浮名绊此身 杜甫杜甫 “曲江二“曲江二首首 细推细推 细细-仔细观察仔细观察-实验物理的研究方法实验物理的研究方法 推推-推理推理-理论物理的研究方法理论物理的研究方法 研究方法：研究方法：2023/3/19 3 现象现象 物理定律物理定律局限性局限性(理性认识理性认识理想模型、假说理想模型、假说“理论理论的初型的初型 物理量的定义物理量的定义 物理量之间的定量关系物理量之间的定量关系物理理论物理理论 观察、实验观察、实验科学实验科学实验感性认识感性认识 逻辑演义逻辑演义 数学推倒数学推倒 解释物理现象，预言一些问题解释物理现象，预言一些问题 2023/3/19 4 现代研究范围：现代研究范围：在时间标度上，从小于在时间标度上，从小于10-21秒的短寿命秒的短寿命 到宇宙纪元到宇宙纪元(1017秒秒)在空间标度上，它从根本粒子的亚核世界在空间标度上，它从根本粒子的亚核世界(10(10-1717米米)到整个宇宙到整个宇宙(1030(1030米米)在未来，物理学研究领域将继续朝着时空尺度的在未来，物理学研究领域将继续朝着时空尺度的极端方向和复杂系统的方向开展。极端方向和复杂系统的方向开展。粒子粒子高能高能物理学、核物理学、原子分子物理学、光物理学、核物理学、原子分子物理学、光物理学以及引力物理学和宇宙物理学、凝聚态物理学。物理学以及引力物理学和宇宙物理学、凝聚态物理学。2023/3/19 5 物理学的作用：物理学的作用：物理学是工程技术科学开展的根底和原动力物理学是工程技术科学开展的根底和原动力 物理学是自然科学开展的根底和原动力物理学是自然科学开展的根底和原动力 物理学是人类社会开展的根底和原动力物理学是人类社会开展的根底和原动力 物理学的开展物理学的开展 促进了人类社会物质文明和精神文明的开展促进了人类社会物质文明和精神文明的开展 物理学展现了自然界的和谐与美物理学展现了自然界的和谐与美 在在17、18世纪世纪 牛顿力学的建立出现了机械工业的兴旺；热力学的牛顿力学的建立出现了机械工业的兴旺；热力学的热功转换理论为各种热机的开展起了重大的指导作用热功转换理论为各种热机的开展起了重大的指导作用 2023/3/19 6 到到19世纪世纪 在电磁理论的推动下在电磁理论的推动下，人们成功的制造了电机、，人们成功的制造了电机、电器和电讯设备，导致工业电气化，实现了电力和电器和电讯设备，导致工业电气化，实现了电力和信息的传递，使人类进入了应用电能时代。信息的传递，使人类进入了应用电能时代。进入进入20世纪世纪 相对论和量子力学的建立，实现了核能和放射性相对论和量子力学的建立，实现了核能和放射性元素的应用，促成了半导体、核磁共振、激光以及超元素的应用，促成了半导体、核磁共振、激光以及超导等新技术的开展。导等新技术的开展。没有物理学根底没有物理学根底 在其它自然科学和技术领域中取得成功是不可能的。在其它自然科学和技术领域中取得成功是不可能的。2023/3/19 7 力力 学学 物物理理学学 热热 学学 电电 磁磁 学学 振动和波振动和波 光光 学学 近代物理近代物理 理论根底理论根底 牛顿力学牛顿力学 热热 力力 学学 麦克斯韦麦克斯韦电磁理论电磁理论 经典物理学经典物理学 理论根底理论根底 相相 对对 论论 量子力学量子力学 根底物理框架根底物理框架 研究范围研究范围:本学期的物理课内容本学期的物理课内容:力，热，电，磁力，热，电，磁1-8章章 宏观、低速宏观、低速 2023/3/19 8 研究宏观物体机械运动的规律和应用的科学。研究宏观物体机械运动的规律和应用的科学。物体空间位置随时间变化的一种运动形式。物体空间位置随时间变化的一种运动形式。只研究如何从现象上描述物质的运动，建只研究如何从现象上描述物质的运动，建立描述机械运动的根本概念。也就是研究立描述机械运动的根本概念。也就是研究物体在空间的位置随时间的变化关系。物体在空间的位置随时间的变化关系。研究物体运动状态变化的原因。研究物体研究物体运动状态变化的原因。研究物体机械运动所遵循的根本规律。机械运动所遵循的根本规律。力学分类力学分类 力力 学学:机械运动机械运动:运动学运动学 动力学动力学 理论力学的根底，质点和刚体两个根本模型理论力学的根底，质点和刚体两个根本模型 2023/3/19 9 第一章第一章 质点运动学质点运动学 1.1 质点的运动函数质点的运动函数.一一 参照系参照系 坐标系坐标系 质点质点 运动本身的绝对性运动本身的绝对性,运动描述的相对性运动描述的相对性 参照系：参照系：坐标系：坐标系：运动：运动：定性的描述物体的运动定性的描述物体的运动 定量的描述物体的运动定量的描述物体的运动 选择参照系的原那么：选择参照系的原那么：问题的性质问题的性质 研究的方便研究的方便 建立一个具有确定建立一个具有确定数量标度数量标度和和方位指示方位指示的系统。的系统。2023/3/19 10 质质 点点 如果物体的线度和形状在所研究的问题中不起作用，如果物体的线度和形状在所研究的问题中不起作用，或所起的作用可以忽略不计，就可以近似把物体看或所起的作用可以忽略不计，就可以近似把物体看 作是一个只有质量而没有大小和形状的几何点。作是一个只有质量而没有大小和形状的几何点。如何精确的如何精确的 描述一般物描述一般物 体的运动体的运动？抽抽 象象 从许多事物中舍弃个别的非本质的属性，抽出从许多事物中舍弃个别的非本质的属性，抽出 共同的本质的属性。共同的本质的属性。问题的性质和研究的方便问题的性质和研究的方便.原原 那么那么 简化为质点简化为质点 物体平动物体平动.运动物体本身的尺度比他运动的空间范围小很多。运动物体本身的尺度比他运动的空间范围小很多。2023/3/19 11 二二 位置矢量和位移位置矢量和位移 P点位置表示法点位置表示法 (1)坐标表示法坐标表示法 P(x,y,z)位置矢量位置矢量 ktzjtyitxtr)()()()(大小大小 方向方向 rzcosrycosrxcos 222zyxrr r(t)y z(t)y(t)x(t)P(t)ijkx 0 z 222coscoscos=1(有两个独立变量有两个独立变量)位矢法位矢法 r OP=(2)2023/3/19 12 位移位移 质点在一段时间内位置的改变质点在一段时间内位置的改变 r 位移位移(t时间内时间内)r只与始末位置有关而与路径无关只与始末位置有关而与路径无关 x y z 0 S 1r2rrA(t1)B(t2);1111kzjyixr12rrr21rrrkzjyixr大小大小 方向方向 数学数学表达表达式式 12rrr r 12rrr 矢量矢量 位矢的增量位矢的增量 kzjyixr22222023/3/19 13 路程与位移的区别路程与位移的区别 位移是矢量位移是矢量:位置的变化位置的变化,位矢的增量位矢的增量 路程是标量：路程是标量：在运动中所通过的实际路线的长度在运动中所通过的实际路线的长度,只有长短只有长短,没有方向。没有方向。如图如图(1)所示所示 rr 2=r S一般情况下一般情况下 S r A B A B r S r 区区 别别 S =2 r r=0 A B A(1)质点作方向不变的直线运动质点作方向不变的直线运动(2)曲线运动中曲线运动中,当当 ot 时时,dsrd A B A 相等的情况相等的情况 Sr=2023/3/19 14 2023/3/19 15 运动方程和轨道方程运动方程和轨道方程 表示运动过程的表示运动过程的 函数式称为函数式称为 ktzjtyitxtr)()()()(矢量式矢量式 分量式分量式)();();(tzztyytxx质点的实际运动是各分运动的矢量合成，这个由空质点的实际运动是各分运动的矢量合成，这个由空 间的几何性质所决定的各分运动和实际运动的关系间的几何性质所决定的各分运动和实际运动的关系 叫做叫做 运动叠加运动叠加合成合成原理原理 力学的主要任务之一：力学的主要任务之一：是依据各种问题的具体条是依据各种问题的具体条 件求解质点的运动方程件求解质点的运动方程 表明表明 运动质点在空间所经过的路径运动质点在空间所经过的路径 轨道方程轨道方程；直线运动直线运动 曲线运动曲线运动 轨道：轨道：2023/3/19 16 从运动方程中消去参数从运动方程中消去参数 t,t,可得轨道方程。运动方程的标量可得轨道方程。运动方程的标量式就是轨道方程的参数方程。式就是轨道方程的参数方程。例例 1 已知质点的运动方程为已知质点的运动方程为 j tsinRi tcosRr求质点的轨道方程。求质点的轨道方程。解：解：运动方程标量式运动方程标量式 tsinRytcosRx 消去消去t 得得 222Ryx 知：质点是在做圆心在坐标原点，半径为知：质点是在做圆心在坐标原点，半径为R的圆周运动。的圆周运动。2023/3/19 17 三、速度、加速度三、速度、加速度 1 1、速度、速度 描述质点位置变化快慢程度，即质点运动变化描述质点位置变化快慢程度，即质点运动变化 快慢的程度。快慢的程度。平平 均均 速速 度度 trv 矢量式矢量式 ktzjtyitxv)t(Azx y 0)tt(B rArBr B2 B1 大大 小小 trv 方方 向向 与与 同方向同方向 r表示质点的位置在位移方向上在一段时间内的表示质点的位置在位移方向上在一段时间内的 平均变化率。平均变化率。总是与一段时间相联系。总是与一段时间相联系。v意义意义 2023/3/19 18 速度速度 dtrdv kdtdzjdtdyidtdxkvjvivzyxdtrdtrLimvLimv0t0t大大 小小 222zyxvvv dtrd dtdS)sr(速率速率 方方 向向 沿轨迹质点所在处的切线并指向质点前进的方向。沿轨迹质点所在处的切线并指向质点前进的方向。(用方向余弦来表示用方向余弦来表示)2023/3/19 19 速率速率 v（标量）（标量）等于质点在单位时间内所走过的等于质点在单位时间内所走过的路程路程 数学知识充分运用于物理之中，是解决物数学知识充分运用于物理之中，是解决物理问题的重要工具。理问题的重要工具。;dtdstsvlimvlimtt00vdtds 21ttvdtdss dtdsvv vdtrdtrtslimlimtt002023/3/19 20 2、加速度、加速度 平均加速度平均加速度 12ta 加速度加速度 kdtdjdtdidtddtdazyxkajaiazyxkdtzdjdtydidtxd222222大小大小 ta 方向方向 方向方向 dtdtlimalimatt00;dtrd 22dtrddtda x y z 0 P2 P1 1r2rr2vv1 v1 v2 大小大小 方向方向 2023/3/19 21 例例2 dtdr;yxr 22两种方法：两种方法：1 1求出求出 2 2求出求出