大学物理学电子教案

大学物理学电子教案武警学院教学课件质点运动学——基本概念•绪论•力学内容简介•三个概念：参考系、坐标系、质点•四个物理量：位置矢量、位移、速度、加速度绪论一、物理学及其研究对象1．什么是物理学？物理学是研究物质运动规律及其相互作用的科学。2．物理学的研究对象•机械运动•分子热运动•电磁运动•原子和原子核运动•其它微观粒子运动3．物理学的分类•经典力学（ClassicalMechanics）•热力学（Thermodynamics）•电磁学（Electromagnetics）•相对论（Relativity）•量子力学（QuantumMechanics）按照研究的方法，可分为：•理论物理•实验物理•计算物理1．系统的学科2．基础课3．必修课二、学习物理学的意义三、几点要求：1．课前尽量预习；2．上课认真听讲，要求记笔记；3．课后认真复习，作业要独立完成，按时交作业；4．一些基本的概念要求记住，重要的公式要求会推导。•打好必要的物理基础•学习科学的思想方法和研究问题的方法三个提高•科学实验的能力•抽象思维的能力•计算能力意大利物理学家和天文学家，实验物理学的先驱者，提出著名的相对性原理、惯性原理、抛体的运动定律、摆振动的等时性等。《关于两门新科学的对话和数学证明对话集》总结了他的科学思想以及在物理学和天文学方面的研究成果。英国物理学家、数学家、天文学家，经典物理学的奠基人。《自然哲学的数学原理》总结了前人和他自己关于力学以及微积分方面的研究成果，其中含有牛顿运动三条定律和万有引力定律。否定绝对时空观，创立了狭义相对论和广义相对论。提出了光量子假设和自激发射和受激发射的概念，为激光的出现奠定了理论基础；用广义相对论研究整个宇宙的时空结构，开创了宇宙学研究的新纪元，导致宇宙膨胀理论的建立。第一部分力学1．什么是力学•机械运动是指物体之间或物体各部分之间发生的相对位置的变化。•力学——研究机械运动及其规律的物理学分支。2．力学的分类根据研究内容分类运动学（Kinematics）——研究物体运动的规律动力学（Dynamics）——研究物体运动的原因静力学（Statics）——研究物体平衡时的规律根据研究对象分类质点力学——研究对象为质点刚体力学——研究对象为刚体3．数学工具——微积分和矢量力学的总框架力学运动学动力学牛顿定律守恒定律动量守恒定律机械能守恒定律角动量守恒定律运动学——研究物体位置随时间变化的规律主要内容有：•三个概念：参考系、坐标系、质点•四个物理量：位置矢量、位移、速度、加速度•四种运动：直线运动、曲线运动、斜抛运动、圆周运动第一章质点运动学1-1质点运动的描述一、参考系坐标系质点1、参考系•运动的绝对性与相对性运动的绝对性：所有的物体都在不停地运动，没有绝对不动的物体运动的相对性：描述物体的运动或静止总是相对于某个选定的物体而言的•参考系的定义为描述物体的运动而选择的标准物称为参考系•说明•参考系的选择是任意的，主要根据问题的性质和研究方便而定。•在描述物体的运动时，必须指明参考系。•若不指明参考系，则认为以地面为参考系。选不同的参照系，运动的描述是不同的。以地球为参照系地球月亮以太阳为参照系太阳月亮地球轨道2、坐标系•引入坐标系的必要性定量地描述物体相对于参照系的运动。•物理学中常用的坐标系直角坐标系xyzO•说明•坐标系的选择是任意的，主要由研究问题的方便而定。坐标系的选择不同，描述物体运动的方程是不同的。3、质点•质点的引入任何物体都有大小和形状。物体在运动时它各部分的位置变化是不同的，物体的运动情况是非常复杂的。•质点的概念当物体的大小和形状忽略不计时，可以把物体当做只有质量没有形状和大小的点——质点。•说明•质点的概念是在考虑主要因素而忽略次要因素引入的一个理想化的力学模型。•一个物体能否当做质点，取决于研究问题的性质。二、位置矢量、运动方程、位移1、位置矢量基本概念从原点O到质点所在的位置P点的有向线段，叫做位置矢量或位矢。kzjyixr＋＝222zyxrrzcosrycosrxcos说明•位置矢量是矢量：有大小和方向；•具有瞬时性；•具有相对性；•单位：米（m）zOxyP(x,y,z)kjri2、运动方程质点运动时，它相对坐标原点O的位置矢量r是随时间变化的。因此，r是时间的函数)(trrtzztyytxx()()(运动学的重要任务之一，就是找出各种具体运动所遵循的运动方程。质点运动时，在坐标系中描绘的曲线称为运动的轨迹。轨迹是直线：直线运动轨迹是曲线：曲线运动x·zyz(t)y(t)x(t)r(t)P(t)0例1、自由落体运动的运动方程为221gty例2、平抛运动的运动方程2021gtytvx2202xvgy为轨迹方程3、位移•定义把由始点到终点的有向线段定义为质点的位移矢量，简称位移。它是描述质点位置变化的物理量。•计算1221rrrrrrkzzjyyixxkzjyixkzjyixrrr)()()()()(12121211122212＋＋xyzOP11rP22rr•位移与路程的区别位移是矢量：是指位置矢量的变化路程是标量：是指运动轨迹的长度•说明•位移是矢量；•具有瞬时性；•具有相对性；•单位：米（m）三、速度1、平均速度1212ttrrtrvxyzO)(11tr)(22trr2．瞬时速度定义：平均速度的极限值称为瞬时速度，简称速度dtrdvtrtlim0dtdzvdtdyvdtdxvzyx3、关于速度的说明•速度是矢量，有大小和方向匀速运动：速度为恒量变速运动：速度为变量•速度具有瞬时性；•具有相对性；•单位：m·s-1伽利略(1564—1642)•提出相对性原理、惯性原理、抛体的运动定律、摆振动的等时性等。•伽利略捍卫哥白尼日心说。•《关于两门新科学的对话和数学证明对话集》一书，总结了他的科学思想以及在物理学和天文学方面的研究成果。四、加速度意大利物理学家和天文学家，实验物理学的先驱者。1、平均加速度速度的增量与所用时间的比值叫做质点的平均加速度1212ttvvtva2、瞬时加速度定义：平均加速度的极限值称为瞬时加速度，简称加速度220limdtrddtvdtvat222222dtzddtdvadtyddtdvadtxddtdvazzyyxxxyzO2v1vv方向：t0时速度增量的极限方向；在曲线运动中，总是指向曲线的凹侧。3、说明1)加速度是矢量，有大小和方向匀变速运动：加速度为恒量非匀变速运动：加速度为变量2)加速度具有瞬时性3)具有相对性4)单位：m·s-21、位置矢量和速度是描述质点状态的物理量，位移和加速度是反映质点运动状态变化的物理量。2、质点运动学的两类问题：第一类问题：已知质点的运动方程，求质点的状态——用微分方法求解；第二类问题：已知质点的状态，求质点的运动方程——用积分方法求解。小结例3、一个质点在x轴上作直线运动，运动方程为x=2t3+4t2+8，式中x的单位为米，t的单位为秒，求(1)任意时刻的速度和加速度；(2)在t=2s和t=3s时刻，物体的位置，速度和加速度；(3)在t=2s到t=3s时间内，物体的平均速度和平均加速度。解：(1)由速度和加速度的定义式，可求得122386842smttdtttddtdxv2281286smtdtttddtdva(2)t=2s时mx40824222312402826smv2328212smat=3s时mx98834322312783836smv2448312sma(3)158234098smtxv238234078smtva例4、一质点的运动方程为x=4t2,y=2t+3,其中x和y的单位是米，t的单位是秒。试求：（1）运动轨迹；（2）第一秒内的位移；（3）t=0和t=1两时刻质点的速度和加速度。解（1）由运动方程x=4t2y=2t+3消去参数t得x=(y3)2此为抛物线方程，即质点的运动轨迹为抛物线。（2）先将运动方程写成位置矢量形式jtitiyixr)32(42jrt300时，jirt5411时，第一秒内的位移为jijjirrr2435401（3）由速度及加速度定义jitjdtdyidtdxdtrdv28速度idtvda8加速度iajivtiajvt8,2818,20时，时，所以例5、设某质点沿x轴运动，在t=0时的速度为v0，其加速度与速度的大小成正比而方向相反，比例系数为k(k0)，试求速度随时间变化的关系式。解：由题意及加速度的定义式，可知dtdvkva因而kdtvdv积分tvvkdtvdv00得ktvv0ln所以ktevv0速度的方向保持不变，但大小随时间增大而减小，直到速度等于零为止。小结三个概念：1.参考系——为描述物体的运动而选择的标准物2.坐标系——定量确定物体相对于参考系的位置3.质点——把物体当做只有质量没有形状和大小的点描述质点运动的四个物理量：1、位置矢量kzjyixr＋＝2、位移12rrr3．速度dtrdv4、加速度22dtrddtvda作业：思考题：P241，2，3，5习题：P251，3，8预习：1-2，1-3，1-4