大学物理00-绪论

大学物理00-绪论

华中师范大学物理学院《普通物理学》电子教案配合韩可芳等编著《基础物理学(上册)》使用绪论为什么学，学什么，怎样学物理学研究对象、物理学问题量纲和单位制，希腊字母表矢量矢量的表示，加减，标积，矢积，求导华中师范大学物理学院李安邦2012年1月1教师简介姓名：李安邦工作单位：华中师范大学物理学院联系方式：•Tel：13296572948•Email：anbangli@qq.com•http://bio.phy.ccnu.edu.cn/教学资源>普通物理21\n绪论解决两个问题：*明确为什么学？学什么？怎样学？*了解物理学的研究对象（物质世界的整体图象）。目的：获得学习“大学物理”的自觉意识和较高的起点。3(绪论)一、为什么要学习“大学物理”？物理学研究物质世界的基本结构、基本相互作用和最普遍的运动规律。对于任何专业，大学基础物理课的目的，都是使学生对物理学的内容和方法，工作语言，概念和物理图象，其历史、现状和前沿等方面，从整体上有个全面的了解。这是一门培养和提高学生科学素质，科学思维方法和科学研究能力的重要基础课。——赵凯华42\n为什么要提高各专业科学生的物理素质？基本原因：物理学与工程技术、社会进步存在着密切的关系。它是一切自然科学和工程技术的基础。历史经验证明，社会的每一次进步都源于物理学的发展与进步。•物理学的三大革命引发三次工业革命•当今世界的技术群（能源、通信、激光、微电子、计算机、材料、生物工程）来源于20世纪初物理学的三大成就：相对论、量子力学、原子核物理5物理学与其它学科的关系1、物理学与数学的关系数学是物理学不可缺少的工具，物理学为数学研究开辟了广阔的天地。牛顿、欧拉、高斯2、物理学与化学的关系化学的原子论、分子论的发展为气体分子运动理论奠定了基础;量子力学的诞生推动了现代化学的发展。3、物理学与生物学的关系物理学为生物学提供现代实验手段：电子显微镜、X射线衍射、核磁共振、扫描隧道显微镜；为生命科学提供理论概念和方法。63\n有人说，二十一世纪将是生命科学获得重大突破的世纪。但是，生命科学的重大进展也离不开生物物理和凝聚态物理在其中的贡献，因为物理学的研究方法和工具已经深深地渗透到了生命科学的领域。物理学家将会在生命科学大突破中做出自己的贡献。DNA分子的双螺旋结构7不仅仅是为后续专业课服务物理教育——科学素质教育立足于提高自身科学素质，有益于终身学习和发展“科学对于人类事务的影响有两种方式，第一种方式大家熟知的：科学直接地、并在更大程度上间接地生产出完全改变了人类生活的工具；第二种方式是教育的性质——它作用于心灵。”——爱因斯坦84\n所以，《大学物理》课的学习目的是：1.获得生活、学习、工作所需的知识和技能。2.开启智慧，获得科学思想、科学精神、科学态度和科学方法的熏陶和培养。物理书都充满了复杂的数学公式。可是思想及理念，而非公式，才是每一物理理论的开端。－－爱因斯坦《物理学的进化》9(绪论)二、学什么？“物”——物质世界知识、方法、科学观念“理”——普遍规律1、学习物理知识要注意整体性、发展性和迁移性。认识形成物质世界的整体物理图象注意掌握知识的结构和联系避免：只见树木，不见森林。只得到一堆支离破碎的公式。105\n物理学的基本框架力学（实物粒子）相对论力学经典物理相对论量相对论量电磁学（场）子场论量子力学子力学热力学统计物理量子统计物理？（多粒子体系）教材结构上册下册实物的振动运动规律基本和量子现象和多粒子体系粒子相互作用量子规律的热运动波动和场111、学习物理知识要注意整体性、发展性和迁移性。不断从新的角度审视和理解物理概念和规律，关注其内涵的丰富，应用的扩展，相互关系的变化。例如：力与守恒量中学：以“力”为中心。时间积累（动量定理）IFtpFma空间积累（动能定理）AFScosEk力矩MFd定轴转动定理近代物理：以守恒量为中心守恒量——动量、角动量、能量守恒定律－动量守恒定律、角动量守恒定律、能量守恒定律守恒定律反映了自然界的对称性136\n1、学习物理知识要注意整体性、发展性和迁移性。注意提高应用物理知识理解、解决实际问题的能力。发展独立思考和独立判断的一般能力，应该始终放在首位，而不应当把获得专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立地思考和工作，他必定会找到他自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培养内容的人来说，他一定会更好地适应进步与变化。——阿尔伯特·爱因斯坦14(绪论)二、学什么？（续）2、学习物理方法观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合、类比、理想化、假说……形成指导性原理:*简单性原理：逻辑前提越简单，普遍程度越高。*对应原理：新理论应包容在一定条件下被证实是正确的旧理论，并在极限条件下过渡到旧理论。……是否运用物理学方法已经成为一门学科是否成熟的标志之一。157\n[例]理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体……)理想化理想实验（伽利略、牛顿…...）方法理想过程(准静态、绝热……)方法实质:简化、纯化，抓住主要矛盾，摒弃次要因素。重要意义：人类认识世界的基本策略牛顿的理想实验16物理学的基本思想方法：用模型来描述自然，用数学来表达模型，用实验来检验模型。物理科学世界感觉世界真实世界(中介)总结目标大量归纳逼近自然界的较高层次唯象定律定律基本法则气体定律牛顿定律胡克定律麦氏方程…………物理学描述的是关于实在世界的模型188\n物理概念、规律与自然实在并非完全同一。人类是依靠建立模型、不断改进模型来逐渐认识自然的。避免将物理规律视为一成不变的僵死教条，要寻求发展和创新！又如：科学假说方法牛顿时代：以经验观察，逻辑归纳为主。现代物理：问题——假说——(实践)——科学——（证伪）——新问题——新假说——…...193.学习先进的科学观念，树立科学世界观物理学中的唯物论：实践（实验）是判断（检验）真理（科学）的唯一标准.物理学中的辨证法:相对性原理，变革性原理，对应原理，互补原理……物理学“美”的标准：简单、和谐、统一、对称。应当期望物理学家的美感有一种用途：协助物理学家去选择可帮助我们了解大自然的理念。－－史蒂芬·温伯格209\n自然是和谐统一的整体，自然界的复杂性是由简单规则演变而来。物理上真实的东西，一定是逻辑上简单的东西。——爱因斯坦符合物理学审美原则：学科的分化、交叉、整合。人与自然的和谐发展——新的自然观一切工程技术实践都要尊重生态规律，讲求环境效益，树立“整体优化”和“可持续发展”的价值观念。21(绪论)三.怎样学?大学物理与高中物理的不同：对本质问题的深入、对数学工具的充分应用怎样学好物理学：⑴要预习！⑵学好用好高等数学⑶掌握物理学概念⑷掌握物理学研究方法⑸牢记公式(6)独立完成课后作业！2210\n(绪论)四、物理学的研究对象不以人的意志为转移的客观实在物理学——研究物质的基本结构及其最普遍的运动形式，以及物质间的相互作用和相互转化规律。物理学的研究领域：空间范围：10−15～1026m时间范围：10−25～1018s23宇宙学、粒子物理的奇妙衔接2411\n地球公转3×107s月球公转2.6×106s地球自转105s百米跑10s市电周期3×10-2s中子寿命3×10-3s介子寿命10-8~10-17s中间玻色子寿命3×10-24s182510s~10s共计跨越了43个数量级25(绪论)五、物理学问题的分类1、按照物质的存在形式划分：a、基本粒子（规范玻色子、费米子、希格斯Higgs粒子），物质世界是由62种基本粒子构成。b、场．场无静止质量，具有能量和动量，具有可叠加性以及不连续的微观结构，不能作为参考系。2612\n2、按照物质的运动形式划分：机械运动力学电磁运动电磁学、光学原子、分子热运动分子运动论与热力学原子和原子核的运动原子物理学、原子核物理学基本粒子运动基本粒子物理学27３、按研究物体的尺度及运动速度划分高速运动量子场论相对论微观物质宏观物质量子力学经典物理学低速运动2813\n４.按照发展过程划分：牛顿力学的建立和热力学的发展。第一次工业革命，实现机械化经典物理学时期法拉第、麦克斯韦电磁理论的建立。第二次工业革命，实现电气化现代物理学量子理论，相对论的建立。第三次工业革命，实现信息化时期29(绪论)六、单位制和量纲物理学的测量包括测得的数值和使用的单位两部分，选定某些独立的最基本的物理量作为基本量，并为每个基本量规定一个基本单位。由基本量根据定律导出的称为导出量，单位称为导出单位。国际单位制（SI）：长度（米，m），质量（千克，kg），时间（秒，S），电流（安培，A），热力学温度（开尔文，K），物质的量（摩尔，mol），发光强度（坎德拉，cd）。导出量的量纲：导出单位对基本单位的依赖关系式3014\n(绪论)七、希腊字母表α.Α.alphaβ.Β.betaγ.Γ.gammaδ.Δ.deltaε.Ε.epsilonζ.Ζ.zetaη.Η.etaθ.Θ.thetaι.Ι.iotaκ.Κ.kappaλ.Λ.lambdaμ.Μ.muν.Ν.nuξ.Ξ.xiο.Ο.omicronπ.Π.piρ.Ρ.rhoσ.Σ.sigmaτ.Τ.tauυ.Υ.upsilonφ.Φ().phiχ.Χ.chiψ.Ψ.psiω.Ω.omega36矢量矢量(Vector)(Vector)一、矢量和标量二、矢量的加法和减法三、矢量的正交分解与合成四、矢量的标积（点乘）五、矢量的矢积（叉乘）六、矢量的导数3715\n一、矢量和标量标量——仅由数值和单位就可以确定的物理量算术量（恒为正值）：路程、质量代数量（可正可负）：功、电势矢量——既有大小又有方向，且相加减时遵从平行四边形运算法则的物理量38矢量的表示方法：手写A，印刷体A（粗体＋斜体，高亮）作图，带箭头的线段线段的长度表示大小，箭头指向表示方向矢量的大小称为矢量的模：|A|或A。A0表示单位矢量（模等于1，方向与A相同）在直角坐标系中，通常用i、j、k表示沿X、Y、Z三个坐标轴正方向的单位矢量。3916\n两矢量相等，则必须大小相等，方向相同。如果大小相等，方向相反，则称为负矢量：-A将一矢量平移，则大小和方向都保持不变。数m与矢量A相乘，得到新矢量mA：大小为mAm>0，则方向相同；m<0，则方向相反；m=0，则为零矢量。40二、矢量的加法和减法加法：CAB平行四边形法则CBBACAB三角形法则22CAB2ABcosAABsinBCarctgABcos4117\nRABCDA多矢量相加：多边形法则BDRCCDAB42减法：CABA(B)BBCAABAC实际中常见的问题：boaobab?ba?oa4318\n三、矢量的正交分解与合成矢量可以分解为分矢量之和。当坐标确定时，分解法唯一。正交分解：把矢量分解在两个或三个相互垂直的指定方向上。Y平面直角坐标系中：AAAAAyxyAyjAAiAAjxxyyAxAxAcosAyAsinOAxiXAAcosiAsinj44z三维直角坐标系中：AkzAAAAAxyzAxiAyjAzkAjyOyAix方向余弦xAAAxyzcos,cos,cosAAA4519\n四、矢量的标积（点乘）BABABcos性质：A两平行矢量的标积等于它们模的乘积（大小与夹角有关）两垂直矢量的标积为0矢量标积满足交换率ABBA矢量标积满足分配率(AB)CACBC矢量标积满足结合率(A)B(AB)A(B)注意：(AB)CA(BC)46五、矢量的矢积（叉乘）CCABA大小：CABABsinB方向垂直于A、B两矢量所在组成的平面，并根据右手螺旋法则判定。两平行矢量的矢积为0（自身相乘为0）两垂直矢量矢积的模为两矢量模的乘积ABBA（不遵守交换律）4720\n练习直角坐标系单位矢量i、j、k的标积ij,ji,jk,kj,ik,ki0zii,jj,kk1kj直角坐标系单位矢量i、j、k的矢积Oyij,jk,kiiijk,jki,kijxii,jj,kkii,0jj,0kk048六、矢量的导数若直角坐标系中的矢量A仅是时间的函数，则A的导数为dAAdAdAdAxyzlimijkdtt0tdtdtdt矢量导数方向沿矢量末端曲线的切线指向，并与时间增加相对应的方向。4921\n注意：即使矢量的模不改变而仅方向改变，矢量的导数也不为0，且此时导数方向与矢量方向垂直A1A250矢量函数求导常用公式：d(AB)dAdBdtdtdtd(CA)dACdtdtd(AB)dAdBBAdtdtdtd(AB)dAdBBAdtdtdtd(C)0(C为恒矢量)dt5122\n例1：判断下列表述的正误)1(力F(5牛顿))2(F，F为F的分力，则FFF1212)3(力F在oxy平面上，则其x轴和y轴上的分力为FFcos，FFsinxy例2：判断下述公式的正误)1(AAAA()2(AB)(AB)(AA)(BB)22()3(AB)CA(BC)()4(AB)(AB)AB)5(若AB0，则A0或B052例3：已知Aij，Bi2j2k，求A、B的夹角222提示：使用余弦定理ab2abcosct3例4：已知A3ei4(tt)jkt，d2B4ti3tj。求(AB)dt5323