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物理学 (第三版) 祝之光 编著,绪论 物理世界,物理学是研究物质基本结构、相互作用和运动形态的基本规律的科学.,物理学 (Physics),质子 10-15 m,空间尺度：,微观粒子,宏观物质,宇观物质,类星体 10 26 m,时间尺度：,基本粒子寿命 10-25 s,宇宙寿命 1018 s,进入科学技术的任何一个领域， 都必须敲开物理学的大门.,蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次,物理学的层次,相对强度 1 10-2 10-12 10-40 作用范围 10-15 长 10-17 长,固态,液态,气态,物质的基本形态,等离子态,引力相互作用,电磁相互作用,强相互作用,弱相互作用,物质的基本形态和相互作用,基本作用,物理学的发展,实验 物理,理论 物理,计算 物理,今日物理学,物理学是一切自然科学的基础,粒 子 物 理 学,原 子 核 物 理 学,原 子 分 子 物 理 学,固 体 物 理 学,凝 聚 态 物 理 学,激 光 物 理 学,等 离 子 体 物 理 学,地 球 物 理 学,生 物 物 理 学,天 体 物 理 学,物理学派生出来的分支及交叉学科,矢量：,即有大小又有方向，合成时遵守平行四边形法则的量。,矢量表示法：,作图时：,书写时：,黑体字 或 表示,矢量的模：,矢量的大小 用 表示,矢量的合成：,加法：,减法：,矢量简介：,矢量的标积和矢积：,标积（点积）：,结果为一标量,矢积（叉积）：,结果为一矢量,大小：,方向：,右手螺旋定则,矢量的导数和积分：,第一章,质点运动 时间 空间,1-1 质点运动的描述之一,1-2 质点运动的描述之二,1-3 经典时空及其局限性,4-0 第四章教学基本要求,*1-4 相对论时空观念,第一章 质点运动 时间 空间,一 运动描述的相对性,1 物体运动是绝对的,但运动的描写是相对的. 参考系: 描写物体运动选择的标准物.,2 运动的相对性 选取的参考系不同，对物体运动情况的描述不同，这就是运动描述的相对性.,3 坐标系 在选定的参考物上建立固定的坐标系，可精确描写物体运动.,常用坐标系： 直角坐标系（ x , y , z ）； 球坐标系（ r, ） 柱坐标系（ , , z ） ； 自然坐标系 ( s ),1-1 质点运动的描述之一,确定质点P某一时刻在坐标系里的位置的物理量称位置矢量, 简称位矢 .,二 描述质点运动的物理量,1 位置矢量,*,位矢 的值为：,式中 、 、 分别为x、y、z 方向的单位矢量.,位矢 的方向余弦,2 位移,经过时间间隔 后, 质点位置矢量发生变化, 由始点A指向终点B的有向线段AB称为点A到B的位移.,描写质点位置变化的物理量.,在直角坐标系 中, 其位移的表达式为:,1 位移的物理意义,确切反映物体在空间位置的变化, 与路径无关，只决定于质点的始末位置，是描述状态变化的物理量.,2 位移与路程,一般情况位移大小不等于路程，即 ；只有当质点做单方向的直线运动时，路程和位移的大小才相等.,P1P2两点间的路程是不唯一的,可以是 或 ,而位移 是唯一的.,3 速度,平均速度,在 时间内, 质点从点 A 运动到点 B, 其位移为,物体的位移与发生这段位移所用的时间之比.,时间内, 质点的平均速度,平均速度 与 同方向.,描写物体运动快慢和位置变化方向的物理量.,B,A,瞬时速度,当质点做曲线运动时, 质点在某一点的速度方向就是沿该点轨道曲线的切线方向.,当 时平均速度的极限值叫做瞬时速度, 简称速度，即在某时刻或某位置处质点位矢对时间的变化率.,当 时,B,A,瞬时速率,瞬时速率,速度 的大小称为速率.,在直角坐标系中,平均加速度,与 同方向.,反映速度变化快慢和速度方向变化的物理量.,某段时间内, 单位时间的速度增量即平均加速度.,4 加速度,瞬时加速度,时平均加速度的极限.,加速度大小,在直角坐标系中,三 运动的叠加性,一个运动可以看成由几个独立进行的运动叠加而成，并且描述其中任何分运动的矢量叠加都满足平行四边形法则. 反之，一个运动可以按平行四边形法则分解成若干个分运动.,例如：一只横渡流速均匀分布的河流的船.,船对水的速度,水对岸的速度,四 运动方程和轨迹方程,从运动方程中消去参数t得到质点位置坐标之间的关系式称为轨迹方程.,质点位置矢量随时间变化的函数关系就是运动方程.,五 例题,质点运动学两类基本问题,由质点的运动方程求得质点在任一时刻的速度和加速度（通过求导计算）；,已知质点的加速度以及初始速度和初始位置, 求质点速度及其运动方程（通过积分计算）.,例1-2：已知质点的运动方程是 式中R 、是常数.,解：1) 运动学方程的分量式是:,由 中消去时间参量t，,求: 1)质点轨道方程； 2)质点的速度和加速度.,得到轨迹方程,2)将 对时间求导,例1-3：设质点沿x轴作匀变速直线运动，加速度 不随时间变化，初位置为x0，初速度为 . 试用积分法求出质点的速度公式和运动方程.,解：因为质点做直线运动,所以,对上式两边做积分运算,得:,将初始条件带入上式, 确定积分常数,所以速度公式为:,由速度定义, 有,所以,对上式两边积分运算:,得:,将初始条件带入上式, 确定积分常数,运动方程为:,1-2 质点运动的描述之二,预习要点 领会切向加速度和法向加速度的概念及物理意义；理解切向加速度、法向加速度和总加速度的关系. 领会圆周运动中角位移、角速度和角加速度的概念以及它们之间的关系. 了解线量和角量的关系.,*3. 认识同一质点在不同坐标系中的位置矢量关系式、,速度关系式和加速度关系式.,一 圆周运动的角量描述,3 角速度：描述质点转动快慢和方向的物理量.,1 角位置:,4 角加速度：,2 角位移：质点转过的角度 ， 单位:弧度.,对于匀加速圆周运动,二 角量和线量的关系,速度与角速度的关系式,A,B,三 切向加速度和法向加速度,切向加速度:,法向加速度:,圆周运动加速度,*四 相对运动,同一物体的运动，在不同参考系中，对其描述不同.,一个动点M, 二个参照系,绝对参照系K ,相对参照系K , K系相对K系以速度 做平动.,:绝对速度,:相对速度,:牵连速度,*加速度关系,如果两个参考系相对做匀速直线运动，即u为常量，则,有：,说明在相对做匀速直线运动的参考系中观察同一质点的运动时，所测得的加速度是相同的.,1-3 经典时空观及其局限性,预习要点 什么是惯性参考系? 了解伽利略坐标变换建立的依据以及经典时空观念的基本内容. 狭义相对论产生有怎样的历史背景? 狭义相对论的两条基本原理是什么? 了解洛仑兹变换.,一 惯性参考系,2）车厢参考系：,小球加速度为,小球静止，因此小球的加速度为零，而它受的合力为零，这符合牛顿第二定律.,相对于做加速运动的车厢参考系，牛顿第二定律不再成立.,在车厢中光滑桌面上有一个钢球,车厢以加速度向右前进.,1）地面参考系：,定义：适用牛顿运动定律的参考系叫做惯性参考 系；反之，叫做非惯性参考系 .,惯性系的性质,相对于一惯性系作匀速直线运动的参照系都是惯性系. 反之，相对于一惯性系作加速运动的参照系一定不是惯性参考系，即一定是非惯性参考系.,惯性系的判断,判断是否是惯性系，要根据实验观察. 严格的惯性系是关于参照系的一种理想模型. 太阳参考系是一个很好的惯性系，通常近似取地面参考系为惯性参照系.,二 伽利略变换和经典时空观念,1 伽利略坐标变换,考察两个相对作匀速直线运动的参考系，两者的坐标轴分别相互平行.,时,一个参照系静止-K系， 另一个参照系沿ox轴以速度 运动K系，,伽利略坐标变换公式:,同时性是绝对的,在K系同时发生的两个事件，在K系中也是同时发生的.,2 经典时空观,时间间隔是绝对不变量,在K和K系中时间量度相同.,空间间隔是绝对不变量,在K和K系中量度同一物体的长度是相同的.,即:,经典力学认为：1）空间的量度是绝对的，与参考系无关；2）时间的量度也是绝对的，与参考系无关 .,即:,同理,所以,问：相对于不同的参考系 , 长度和时间的测量结果是一样的吗?,牛顿力学的相对性原理， 在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致的 .,“绝对的真实的数学时间, 就其本质而言, 是永远均匀地流逝着, 与任何外界无关.” “绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动, 并且永远不变.”,实践已证明 , 绝对时空观是不正确的.,3 经典相对性原理,由坐标变换公式对时间求二阶导,经典力学定律在伽利略变换下形式不变.,经典（力学相对性原理）：力学现象对于一切惯性系来说，都遵守同样的规律；或者说，在研究力学规律时，一切惯性系都是等价的.,即：在两相互作匀速直线运动的惯性系中，牛顿运动定律具有相同的形式.,900 多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆发， 这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云。北宋天文学家记载从公元 1054年 1056年均能用肉眼观察, 特别是开始的 23 天, 白天也能看见 .,物质飞散速度,当一颗恒星在发生超新星爆发时, 它的外围物质向四面八方飞散, 即有些抛射物向着地球运动, 现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问 .,三 经典时空观的局限性,实际持续时间约为 22 个月, 这怎么解释 ?,理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约,A 点光线到达地球所需时间,B 点光线到达地球所需时间,爱因斯坦的哲学观念：自然界应当是和谐而简单的. 理论特色：出于简单而归于深奥.,Albert Einstein ( 1879 1955 ) 20世纪最伟大的物理学家, 于1905年和1915年先后创立了狭义相对论和广义相对论, 他于1905年提出了光量子假设, 为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子理论方面作出很多的重要的贡献 .,四、狭义相对论的基本原理,四、狭义相对论的基本原理,1）爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式 .,2）光速不变原理：真空中的光速是常量，它与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择.,关键概念：相对性和不变性 .,相对性原理是自然界的普遍规律.,所有的惯性参考系都是等价的 .,“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。” 苏轼题西林壁,从狭义相对论的基本原理出发，爱因斯坦推导出和洛仑兹变换完全相同的时空坐标变换式，并指出：时间和空间及其时间、空间和物质运动是紧密联系而不可分割的，时钟的快慢和量尺的长短都要受运动状态的影响.,说明同时具有相对性，时间的量度是相对的 .,和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系中同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，并不一定是同时发生的 .,五 洛伦兹变换式,设 ： 时， 重合 ; 事件 P 的时空坐标如图所示 .,光速在任何惯性 系中均为同一常量 ， 利用它将时间测量与 距离测量联系起来 .,意义：基本的物理定律应该在洛伦兹变换下保 持不变 . 这种不变显示出物理定律对匀速直线运动 的对称性 相对论对称性 .,*1-4 相对论时空观念,小诗: 鸟笼的门终于开了,鸟儿飞了 笼门又关上了。 自由了! -,鸟笼。,而鸟,却禁锢在笼外。,一 相对论时空关的几个重要结论,1 时间、空间和物质运动三者紧密联系，不可分割.,2 同时性是相对的，在一个惯性系中同时发生的两个事件，相对另一个惯性系可能不同时；反之，在一个惯性系中不是同时发生的两个事件，相对另一个惯性系有可能同时.,3 空间间隔与物体的运动有关，运动物体在运动方向上的长度发生缩短.,4 时间间隔与物体的运动有关，任何自然过程在相对其运动的惯性系中观测与在相对其静止的惯性系中观测相比，前者比后者的速度延缓.,二 同时的相对性,在K系中不同地点同时发生的两事件，它们的时空坐标为:,事件 2,事件 1,这两个事件在K系的时空坐标:,事件 2,事件 1,由洛伦兹变换,两式相减，得,结论 ：不同地点发生的两个事件，在其中一个惯性系中是同时的， 在另一惯性系中观察则不同时，所以同时具有相对意义；只有在同一地点， 同一时刻发生的两个事件，在其他惯性系中观察也是同时的. 可见，在洛伦兹变换下，同时是相对的.,三 长度的收缩(演示),标尺相对K系静止,在K 系中测量,在K系中测量,定义为固有长度, 即物体相对静止时所测得的长度. 固有长度最长.,洛伦兹收缩: 空间间隔和运动有关, 运动物体在运动方向上长度收缩 .,l 称为相对论长度，即相对物体运动的参照系所测量的长度.,四 时间的膨胀(演示),K系同一地点 B 发生两事件,在 K系中观测两事件, 时空坐标为:,时间间隔,由洛伦兹变换,时间延缓效应：从相对运动的参考系中观测, 一过程经历的时间间隔比静止参考系中同一过程时间间隔延缓, 即运动的钟走得慢 .,两式相减，得,定义为固有时间 , 即同一地点发生的两事件的时间间隔.,
