普通物理学教程 力学 第一章　物理学和力学

本课程学习说明： 1、不无故缺勤，不迟到，不早退。有事请假，假条须经辅导员签字同意。 　　1、不无故缺勤，不迟到，不早退。有事请假，假条须经辅导员签字同意。 　　2、上课认真听讲，要求记笔记；保持良好的课堂纪律和课堂秩序，注意关闭手机。 　　3、课前要预习；课后认真复习，作业要按时独立完成（与平时表现合计占本门课程总成绩的10%），不抄袭，每次上课前交上一次课的作业。 　　4、半期测试（如果有组织考试）占20%（若未组织考试，则其所占比例移至期末考）。 　　5、期末考试占70%或90%。 　　6、其中一到两个学时随机抽同学讲课，得分作为奖励分记入总成绩。 　　7、《力学》课程共约80学时，5学分。　

参考书目 书名 作者 出版社 《大学物理学》 张三慧 清华大学出版社 四川大学数学系高等数学教研室 《高等数学》（第一册，第二册） 高等教育出版社 《〈力学基础〉学习指导》 漆安慎 杜婵英

绪 论 一、物理学及其研究对象 1．什么是物理学？ 2．物理学的研究对象 3．物理学的分类 物理学是研究物质运动规律及其相互作用的科学。 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 按照研究的方法，可分为： 理论物理 实验物理 计算物理 3．物理学的分类 经典力学（Classical Mechanics） 热力学 （Thermodynamics） 电磁学 （Electromagnetics） 相对论 （Relativity） 量子力学（Quantum Mechanics）

二、学习物理学的意义 1 ．系统的学科 2 ．基础课 3 ．必修课 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 科学实验的能力 三个提高 科学实验的能力 抽象思维的能力 计算能力

加利略，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。 牛顿，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。 爱因斯坦，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。

第一章 物理学和力学 没有今日的基础科学，就没有明日的科技应用。......可以想象，我们现在的基础科学将怎样地影响21世纪的科技文明。 第一章　物理学和力学 没有今日的基础科学，就没有明日的科技应用。......可以想象，我们现在的基础科学将怎样地影响21世纪的科技文明。 　　　　　　　　　　　　　　－－李政道 　　在科学中物理学是最基本的和无所不包的，并对全部科学发展产生深刻的影响。 　　　　　　　　　　　 －－Feynman（费曼，1918-, 美国物理学家, 曾获1965年诺贝尔物理学奖) 　　力学是物理学的有机组成部分。物理是百花园，力学是其中一丛花。

物理（physics）源于希腊文「自然」称为自然哲学 。 §1.1　发展着的物理学 　　物理（physics）源于希腊文「自然」称为自然哲学 。 　　公元前420年：德莫克利特(Democritus)提出「原子论」，一切物质均由无限多个不可分割、看不见的原子所组成(只分水、火、土、气四种)。 　　公元前300年：杠杆、轮轴、天文学。（代表人物：阿基米德［古希腊数学家、力学家］－－皇冠 、支点） 　　罗马灭亡后：人类在物理学，乃至整个科学进入一个停滞期，基督教的神学主宰一切，科学黑暗期」。

　　文艺复兴时：科学才从神学禁锢中解放出来。 　　1543年：哥白尼（波兰人，1473年－1543年）对神学提出质疑，发表《天体运行》，说明天体运行是以太阳为中心。 　　1609年－1618年：开普勒归纳出行星运动三定律。 　　1632年：伽利略发表《两学派的对话》，推翻地球中心说。 　　十九世纪：经典物理学发展已很完整。

早期：钻木取火。 秦李冰父子利用岩石加热再骤冷会裂开的技术开凿都江堰（四川成都，建于公元三世纪，距今２２００多年） 经典物理学 力学：1687年－牛顿集力学理论之大成。 热学： 　　　早期：钻木取火。 　　秦李冰父子利用岩石加热再骤冷会裂开的技术开凿都江堰（四川成都，建于公元三世纪，距今２２００多年） 　　　十七世纪：伽利略制造气体温度计。 　　　1662年：玻意耳发现定温时，定量气体的压力与体积成反比。

光学：公元前约一世纪－光反射。 　　　17世纪－光折射。 　　　1611年－开普勒发现全反射。 　　　1615年－斯奈尔（荷兰人）发现折射定律。 　　　1675年－牛顿做光的色散实验。 　　　1678年－惠更斯（荷兰人）首创波动学说。 　　　1801年－杨格（英国人）发现光的干涉。 　　　1889年－赫兹（德国人）发射电磁波。

电磁学： 「电」源自希腊文「琥珀」（elektron）。 17世纪：吉尔伯特（英国人）发现地磁。 18世纪：静电、静磁、库仑定律。 　　17世纪：吉尔伯特（英国人）发现地磁。 　　18世纪：静电、静磁、库仑定律。 　　1800年：伏打电池。 　　1820年：奥斯特发现电流产生磁。 　　　　　安培发现电流和磁场关系。 　　1826年：欧姆发现欧姆定律。 　　1830年：亨利(美国人)发现变动的电流和感应电压之关系。 　　1831年：法拉第(英国人) 发现电磁感应定律。 　　1864年：麦克斯韦提出麦克斯韦方程式(Maxwell quation)。

近代物理学(两大基石:量子力学及相对论) 　　「二十世纪」以后发展的物理称为近代物理。 　　1900年普朗克(德国人)提出量子论，经20多年发展成量子力学。 　　1905年爱因斯坦提出狭义相对论。 　　近代物理以研究对象作为分类依据 　　　　基本粒子物理(elementary particle physics) 　　　　原子核物理(nuclear physics) 　　　　原子分子物理(atomic and molecular physics) 　　　　凝态物理(condensed matter physics) 　　　　表面物理(surface physics) 　　　　等离子体物理(plasma physics)

力学：筷子、钉锤、板手、天平－利用杠杆、轮轴、滑轮、螺旋等简易机械。 物理学的发展对人类生活的影响 经典物理学的影响 　　力学：筷子、钉锤、板手、天平－利用杠杆、轮轴、滑轮、螺旋等简易机械。 　　　　　钟表－利用摆振荡的等时性。 　　　　　飞机－利用流体力学。 　　光学：镜子、车灯－利用光反射。 　　　　　放大镜、照相机－利用光折射。 　　　　　望远镜、显微镜、投影机、摄影机、电影放映机－综合应用。

　热学：用火烤熟食物、用火来驱逐野兽。 　　　　冰箱、冷暖气机、蒸汽机、内燃机－利用热能与功相互转换。 　　　　温度计－利用热胀冷缩。 　电磁学：发电厂－利用电磁感应。 　　　　洗衣机、电扇－利用电能驱动马达。 　　　　电灯、电饭锅、电熨斗－利用电能转换成热能或光能。 　　　　收音机、电视、无线电话、微波炉－利用电磁波原理。

近代物理学的影响 雷射(Light Amplification by Stimulated Emission of 　 　　Radation，简称LASER)－ 利用原子能态跃迁 　　核能发电－利用原子核物理 　　晶体管－利用半导体物理 　　超导体－高温、低温超导 　　电脑、通信 、航天科技、宇宙探索、混沌

§1.2 物理学科的美学特点 “三性” 简洁性: 1)物理模型: 质点 ,波 §1.2　物理学科的美学特点 “三性” 简洁性: 　　1)物理模型: 质点 ,波 　　2)光电效应: 截止频率,逸出功,饱和电流,截止电压,延迟时间,-----爱因斯坦公式: mv2/2=h-A

1)数学的抽象:1+1=2 2)普朗克黑体公式的诞生 3)开普勒苦苦追求天体运动的普遍规律 4)爱因斯坦-----“统一场” 普遍性(空筐性)： 　　1)数学的抽象:1+1=2 　　2)普朗克黑体公式的诞生 　　3)开普勒苦苦追求天体运动的普遍规律 　　4)爱因斯坦-----“统一场”　　

爱`因斯坦对“普遍性”的追求: 惯性系 狭义相对论 所有力学规律的等价(伽利略)--- 广义相对论 所有物理规律的等价(爱氏)------ 　 所有力学规律的等价(伽利略)--- 　　　　　所有物理规律的等价(爱氏)------ 广义相对论 惯性系 统一场论 非惯性系(引力场) :所有物理规律的等价--------- 电磁场----------------------------------------------------- 微观:强弱相互作用----------------------------------------

对称性： 1)电磁场理论； 2)李、杨的演说； 3)爱氏的相对论；

关于相对论，爱因斯坦是如何进行对称性思维的呢？ 　　1) 面对著名的迈克尔逊－莫雷实验结果：既然可以讨论究竟有没有绝对空间(以太)，那么也就可以讨论究竟有没有绝对时间；有没有绝对的空间对时间的变化率――绝对速度。 　　2) 既然对于两惯性系，所有力学规律都是等价的，那么对于两惯系是否所有物理规律也是等价的？ 　　3) 对于两个惯性系，所有力学规律经伽利略变换是对称的，那末同样对于两惯性系，所有物理规律要经过什么样的变换才也是对称的呢？

　　“If such a symmetry is indeed found, the question could still be raised whether there could not exist corresponding elementary particles exhibiting opposite symmetry ,such that in the broader sense there will still be overall right –left symmetry.” 　　　　“如果发现了这种不对称，那么我们又要问，是否相应地还存在着另一种表象相反不对称的基本粒子行为，从而在更广泛的意义上，仍然保持着总的左右对称。” 　　　　 --------李政道，杨振宁

1）从笛卡儿的守恒观-----牛顿的守恒定律-----宇宙的有限-----电荷，质能的恒定-----。使人深感物质世界的实在、可知和稳定。 “三感” 稳定感(家园感): 　　1）从笛卡儿的守恒观-----牛顿的守恒定律-----宇宙的有限-----电荷，质能的恒定-----。使人深感物质世界的实在、可知和稳定。 　　2）当爱因斯坦用绝对光速取代牛顿的绝对时空时，人们最终还是接受了,因为人们觉得这只不过是以一个绝对的“最快”替代了原来心目中的绝对“最大”。而“皈(归)依” 尚存， “绝对”依旧。

1）伽利略的斜面思想实验； 2）牛顿的万有引力； 3）任一热循环分解成无数个卡诺循环: 熵 4）无数子波合成-----惠更斯原理 奇妙的光速 延伸感: 1）伽利略的斜面思想实验； 2）牛顿的万有引力； 3）任一热循环分解成无数个卡诺循环: 熵 4）无数子波合成-----惠更斯原理 奇妙的光速

1）“死亡意味着什么?” 爱因斯坦脱口而出：“意味着再也听不见莫扎特的音乐了”。 节奏(层次)感: 　　1）“死亡意味着什么?” 爱因斯坦脱口而出：“意味着再也听不见莫扎特的音乐了”。 　　2）<物理学>把握大自然的脉搏，振动与波是物质世界的基本存在方式。 　　3）玻尔的氢原子镨线图(层次)，<红楼梦>的人物关系树图。 　　4）电子在一维势井里运动，在几率大处有节奏地停顿。 尤如跳三步舞。

李萨如图形277 玻尔的氢原子谱线图

§1.3 物理量、时间和长度的计量 一、·物理量 A：物理理论的组成部分： 1、概念 2、关于概念的数学表示的假定 §1.3　物理量、时间和长度的计量 一、·物理量 A：物理理论的组成部分： 1、概念 2、关于概念的数学表示的假定 3、表示物理量之间关系的方程 B：物理量分为基本物理量和导出物理量 力学的基本物理量有长度，质量和时间。 C：物理量的单位和单位制 基本物理量的单位称基本单位 导出物理量的单位称导出单位 选择不同的基本单位构成不同的单位制，国际单位制（用SI表示）的基本单位如下表： 注：力学中的SI制长度用米（m），时间用秒（s），质量用千克（kg）

二、时间单位用铯原子的两个超精细能级跃迁所对应的辐射的频率规定 v=9192631770Hz 所以 1 s = 9192631770 / v 三、长度单位用真空中的光速规定 c = 299792458 m/s 质量的标准是铂铱合金的圆柱形国际千克原器的质量，原子质量单位： 注意：按照相对论的观点，长度，时间和质量都与运动有关

典型的长度 哈勃半径 地球半径 人的典型高度 书页的厚度 氢原子半径 质子有效半径 弱电统一的特征尺度 普朗克长度

宇观和微观常用尺度 注：不是SI单位 天文单位 光年 秒差距 埃(Å )

典型的质量 已知宇宙 银河系 地球 人 灰尘 烟草花叶病毒 质子 电子

典型的时间 宇宙年龄 地球的年龄 人的平均寿命 一天 典型的分子旋转周期 快速运动粒子穿越原子核的时间 普朗克时间

几个非常重要的物理常量 真空中的光速 普朗克常量 引力常量

§1.4 单位制和量纲 一、国际单位制（SI） 二、量纲 §1.4　单位制和量纲 一、国际单位制（SI） cd mol A K s kg m 坎德尔 摩尔 安培 开 秒 千克 米 发光强度 物质的量 电流 热力学温度 时间 质量 长度 二、量纲 导出物理量对基本物理量的依赖关系可以用基本物理量及其幂次的乘积来表示，称为导出物理量的量纲。 例：速度的量纲[v]=LT-1 加速度的量纲[a]=LT-2

无量纲的量常有重要作用，无量纲的量可以有单位。 例：行星轨道周期变短的速度单位是 秒/世纪 量纲分析的方法经常用来讨论某些过程，它常以最简单的方式提供给我们正确的结果。 量纲法则： 只有量纲相同的物理量才能相加减或用等号相连接； 量纲可以用来帮助记忆与推导公式。

§1.5　数量级的估计

§1.6　参考系·坐标系与时间坐标轴

物体的空间位形随时间的变化（相对位置的变化），包括静止、移动、转动、振动、变形、流动、波动、扩散等。 §1.7　力学----学习物理学的开始 什么是力学？ 力学 —研究物质机械运动规律的科学。 　　物体的空间位形随时间的变化（相对位置的变化），包括静止、移动、转动、振动、变形、流动、波动、扩散等。

力学的分类 数学工具——微积分和矢量 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 数学工具——微积分和矢量

力学的研究方法 工程问题 否 力学知识 工程经验 力学模型 力学知识 数学模型 力学知识 数学工具 符合实际 ？ 分析计算 结束 是

力学模型 质点　当所研究的物体运动范围远远超过其本身的几何尺寸时，物体的形状和大小对运动的影响很小，这时可以将其抽象为只有质量而无体积的质点。 质点系　包括质点、刚体、弹塑性体和流体等。 刚体　是质点间距离始终保持不变的质点系。刚体是抽象的力学模型。真实物体受力以后都会变形，当物体的变形和运动尺度相比小的多时，则可简化为刚体。

力学的总框架 运动学 牛顿定律 力学 动力学 动量守恒定律 守恒定律 机械能守恒定律 角动量守恒定律

研究飞机的运动轨迹时，飞机可视为质点

研究卫星运动轨道时,卫星可视为质点；但研究卫星姿态控制时，则不能视为质点。

力学学科 学科分类 一般力学 重点研究一般质点系和刚体系 固体力学 重点研究固体 流体力学 重点研究流体(液体和气体) 学科的性质 力学是一门基础学科 力学又是一门技术学科 力学是横跨理工的桥梁！

力学的应用 航天工程（神州五号）

力学的应用 航天工程 航天清华一号小卫星 发现号航天飞机

力学的应用 航空工程

力学的应用　机械工程 超导悬浮

力学的应用　土木工程 上海南浦大桥

力学的应用　土木工程 高层建筑与大型桥梁 浦 东 开 发 区 “双子星”(“911”事件中被毁)

上海金茂大厦

力学的应用　水利工程 美国胡佛大坝

力学的应用　核反应堆工程

力学的应用　石油工程

力学的应用　计算机工程

力学的应用　其它领域

力学的应用　其它领域 大气、海洋、地壳

力学的应用　其它领域 大型射电望远镜

力学的应用　其它领域 毛细管振动

本章习题： 1.4