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物理学(第三版)祝之光 编著第1页第1页绪论绪论 物理世界物理世界第2页第2页 物理学是研究物质基本结构、互相作用和运动形物理学是研究物质基本结构、互相作用和运动形态基本规律科学态基本规律科学.物理学物理学 (Physics)质子质子 10-15 m空间尺度：空间尺度：物物 质质 结结 构构物质互相作用物质互相作用物质运动规律物质运动规律微观粒子微观粒子宏观物质宏观物质宇观物质宇观物质类星体类星体 10 26 m时间尺度：时间尺度：基本粒子寿命基本粒子寿命 10-25 s宇宙寿命宇宙寿命 1018 s 进入科学技术任何一个领域，进入科学技术任何一个领域，都必须敲开物理学大门都必须敲开物理学大门.第3页第3页蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸层次蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸层次物理学层次物理学层次第4页第4页 相对强度相对强度相对强度相对强度 1 10 1 10-2 -2 1010-12 -12 1010-40-40作用范围作用范围作用范围作用范围 1010-15-15 长长长长 10 10-17 -17 长长长长固态固态液态液态气态气态物质基本形态物质基本形态等离子等离子态态引力互相作用引力互相作用电磁互相作用电磁互相作用强互相作用强互相作用弱互相作用弱互相作用物质基本形态和互相作用物质基本形态和互相作用基本作用基本作用第5页第5页物理学发展物理学发展试验试验物理物理理论理论物理物理计算计算物理物理今日物理学今日物理学l 物理学是一切自然科学基础物理学是一切自然科学基础粒粒子子物物理理学学原原子子核核物物理理学学原原子子分分子子物物理理学学固固体体物物理理学学凝凝聚聚态态物物理理学学激激光光物物理理学学等等离离子子体体物物理理学学地地球球物物理理学学生生物物物物理理学学天天体体物物理理学学l 物理学派生出来分支及交叉学科物理学派生出来分支及交叉学科第6页第6页矢量：矢量：即有大小又有方向，合成时遵守平行四边形法即有大小又有方向，合成时遵守平行四边形法则量。则量。矢量表示法：矢量表示法：作图时：作图时：书写时：书写时：黑体字黑体字 或或 表示表示矢量模：矢量模：矢量大小矢量大小 用用 表示表示矢量合成：矢量合成：加法：加法：A1A2A减法：减法：A1A2A矢量简介：矢量简介：第7页第7页矢量标积和矢积：矢量标积和矢积：标积（点积）：标积（点积）：结果为一标量结果为一标量矢积（叉积）：矢积（叉积）：结果为一矢量结果为一矢量大小：大小：方向：方向：右手螺旋定则右手螺旋定则矢量导数和积分：矢量导数和积分：第8页第8页第一章 质点运动 时间 空间第9页第9页 1-1 1-1 质点运动描述之一质点运动描述之一 1-2 1-2 质点运动描述之二质点运动描述之二 1-3 1-3 典型时空及其不足典型时空及其不足 4-0 4-0 第四章教学基本要求第四章教学基本要求 *1-4 *1-4 相对论时空观念相对论时空观念第一章第一章 质点运动质点运动 时间时间 空间空间第10页第10页一一 运动描述相对性运动描述相对性1 1 物体运动是绝正确物体运动是绝正确,但运动描写是相正确但运动描写是相正确.参考系参考系:描写物体运动选择原则物描写物体运动选择原则物.2 运动相对性 选取参考系不同，对物体运动情况描述不同，这就是运动描述相对性.3 3 坐标系坐标系 在选定参考物上建立固定坐标系，可准确描写物体运在选定参考物上建立固定坐标系，可准确描写物体运动动.惯用坐标系：惯用坐标系：直角坐标系（直角坐标系（x,y,z）；）；球坐标系（球坐标系（r,）柱坐标系柱坐标系（,z）；自然坐标系自然坐标系(s)1-1 质点运动描述之一质点运动描述之一第11页第11页 拟拟定定质质点点P某某一一时时刻刻在在坐坐标标系系里里位位置置物物理理量量称称位位置置矢矢量量,简称位矢简称位矢 .二二 描述质点运动物理量描述质点运动物理量1 1 位置矢量位置矢量*位矢位矢 值为：值为：式中式中 、分别为分别为x、y、z 方向单位矢量方向单位矢量.P位矢位矢 方向余弦方向余弦第12页第12页2 2 位移位移BA 通通过过时时间间间间隔隔 后后,质质点点位位置置矢矢量量发发生生改改变变,由由始始点点A指指向向终终点点B有有向向线线段段AB称称为为点点A到到B位移位移.描写质点位置描写质点位置改变改变物理量物理量.在直角坐标系在直角坐标系 中中,其位移表示式为其位移表示式为:第13页第13页1 1 位移物理意义位移物理意义 确切反应物体在空间位置改变确切反应物体在空间位置改变,与路径无关，只决与路径无关，只决定于质点定于质点始末始末位置，是描述位置，是描述状态改变状态改变物理量物理量.讨论讨论2 2 位移与路程位移与路程 普普通通情情况况位位移移大大小小不不等等于于路路程程，即即 ；只只有有当当质质点点做做单单方方向向直直线线运运动动时时，路路程程和位移大小才相等和位移大小才相等.P1P2两两点点间间路路程程是是不不唯唯一一,能能够够是是 或或 ,而而位位移移 是是唯一唯一.第14页第14页3 3 速度速度平均速度平均速度 在在 时间内时间内,质点从点质点从点A 运动到点运动到点 B,其位移为其位移为 物体位移与发生这段位移所物体位移与发生这段位移所用时间之比用时间之比.时间内时间内,质点平均速度质点平均速度,平均速度平均速度 与与 同方向同方向.描写物体运动快慢和位置改变方向物理量描写物体运动快慢和位置改变方向物理量.BA第15页第15页瞬时速度瞬时速度 当质点做曲线运动时当质点做曲线运动时,质点在某一点速度方向就质点在某一点速度方向就是沿该点轨道曲线切线方向是沿该点轨道曲线切线方向.当当 时平均速度极限值叫做瞬时速度时平均速度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改变简称速度，即在某时刻或某位置处质点位矢对时间改变率率.当当 时时,BA第16页第16页瞬时速率瞬时速率瞬时速率瞬时速率速度速度 大小称为速率大小称为速率.在直角坐标系中在直角坐标系中第17页第17页平均加速度平均加速度B与与 同方向同方向.反应速度改变快慢和速度方向改变物理量反应速度改变快慢和速度方向改变物理量.某段时间内某段时间内,单位时间速单位时间速度增量即平均加速度度增量即平均加速度.4 4 加速度加速度A瞬时加速度瞬时加速度时平均加速度极限时平均加速度极限.第18页第18页加速度大小加速度大小在直角坐标系中在直角坐标系中加速度方向加速度方向第19页第19页三三 运动叠加性运动叠加性 一个运动能够当作由几种一个运动能够当作由几种独立独立进行运动进行运动叠加叠加而成，而成，并且描述其中任何分运动矢量叠加都满足平行四边形法并且描述其中任何分运动矢量叠加都满足平行四边形法则则.反之，一个运动能够按平行四边形法则分解成若干反之，一个运动能够按平行四边形法则分解成若干个分运动个分运动.比如：一只横渡流速均比如：一只横渡流速均匀分布河流船匀分布河流船.船对水速度船对水速度水对岸速度水对岸速度第20页第20页四四 运动方程和轨迹方程运动方程和轨迹方程分量式分量式从运动方程中消去参数从运动方程中消去参数t得到质点位置坐标之间关系得到质点位置坐标之间关系式称为轨迹方程式称为轨迹方程.质点位置矢量随时间改变函数关系就是运动方程质点位置矢量随时间改变函数关系就是运动方程.第21页第21页五五 例题例题求导求导求导求导积分积分积分积分质点运动学两类基本问题质点运动学两类基本问题由质点运动方程求得质点在任一时刻速度和加速度由质点运动方程求得质点在任一时刻速度和加速度（通过求导计算）；（通过求导计算）；已知质点加速度以及初始速度和初始位置已知质点加速度以及初始速度和初始位置,求质点速求质点速度及其运动方程（通过积分计算）度及其运动方程（通过积分计算）.第22页第22页例例1-21-2：已知质点运动方程是：已知质点运动方程是 式式中中R、是常数是常数.解：解：1)运动学方程分量式是运动学方程分量式是:由由 中消去时间参量中消去时间参量t，求求:1)质点轨道方程；质点轨道方程；2)2)质点速度和加速度质点速度和加速度.得到轨迹方程得到轨迹方程第23页第23页2)2)将将 对时间求导对时间求导第24页第24页例例1-31-3：设质点沿：设质点沿x轴作匀变速直线运动，加速度轴作匀变速直线运动，加速度 不随时不随时间改变，初位置为间改变，初位置为x0，初速度为，初速度为 .试用积分法求出质试用积分法求出质点速度公式和运动方程点速度公式和运动方程.解：由于质点做直线运动解：由于质点做直线运动,因此因此对上式两边做积分运算对上式两边做积分运算,得得:将初始条件带入上式将初始条件带入上式,拟定积分常数拟定积分常数因此速度公式为因此速度公式为:第25页第25页由速度定义由速度定义,有有因此因此对上式两边积分运算对上式两边积分运算:得得:将初始条件带入上式将初始条件带入上式,拟定积分常数拟定积分常数运动方程为运动方程为:第26页第26页1-2 质点运动描述之二质点运动描述之二预习要点预习要点1.领略切向加速度和法向加速度概念及物理意义；理解领略切向加速度和法向加速度概念及物理意义；理解切向加速度、法向加速度和总加速度关系切向加速度、法向加速度和总加速度关系.2.领略圆周运动中角位移、角速度和角加速度概念以及领略圆周运动中角位移、角速度和角加速度概念以及它们之间关系它们之间关系.理解线量和角量关系理解线量和角量关系.*3.认识同一质点在不同坐标系中位置矢量关系式、速度关系式和加速度关系式速度关系式和加速度关系式.第27页第27页一一 圆周运动角量描述圆周运动角量描述3 角速度：角速度：描述质点转动快慢和方向物理量描述质点转动快慢和方向物理量.1 角位置角位置:AB4 角加速度：角加速度：2 角位移：质点转过角度角位移：质点转过角度 ，单位单位:弧度弧度.对于匀加速对于匀加速圆周运动圆周运动第28页第28页二二 角量和线量关系角量和线量关系速度与角速度关系式速度与角速度关系式AB第29页第29页三三 切向加速度和法向加速度切向加速度和法向加速度切向加速度切向加速度:法向加速度法向加速度:圆周运动加速度圆周运动加速度第30页第30页*四四 相对运动相对运动 同一物体运动，在不同参考系中，对其描述不同.一个动点一个动点M,二个参二个参考系考系,绝对参考系绝对参考系K,相对相对参考系参考系K,K系相对系相对K系系以速度以速度 做平动做平动.:绝对速度绝对速度:相对速度相对速度:牵连速度牵连速度第31页第31页*加速度关系加速度关系假如两个参考系相对做匀速直线运动，即假如两个参考系相对做匀速直线运动，即u为常量，则为常量，则有：有：阐明在相对做匀速直线运动参考系中观测同一质阐明在相对做匀速直线运动参考系中观测同一质点运动时，所测得加速度是点运动时，所测得加速度是相同相同.第32页第32页1-3 典型时空观及其不足典型时空观及其不足预习要点预习要点1.1.什么是惯性参考系什么是惯性参考系?2.2.理解伽利略坐标变换建立依据以及典型时空观念基本理解伽利略坐标变换建立依据以及典型时空观念基本内容内容.3.3.狭义相对论产生有如何历史背景狭义相对论产生有如何历史背景?狭义相对论两条基狭义相对论两条基本原理是什么本原理是什么?4.4.理解洛仑兹变换理解洛仑兹变换.第33页第33页一一 惯性参考系惯性参考系2 2）车厢参考系：）车厢参考系：小球加速度为小球加速度为小球静止，因此小球加速度为小球静止，因此小球加速度为零，而它受合力为零，这符合零，而它受合力为零，这符合牛顿第二定律牛顿第二定律.相对于做加速运动车厢参考系，牛顿第二定律不再相对于做加速运动车厢参考系，牛顿第二定律不再成立成立.在车厢中光滑桌面上有一个钢球在车厢中光滑桌面上有一个钢球,车厢以加速度车厢以加速度向右迈进向右迈进.1 1）地面参考系：）地面参考系：第34页第34页 定义：合用牛顿运动定律参考系叫做惯性参考定义：合用牛顿运动定律参考系叫做惯性参考系；反之，叫做非惯性参考系系；反之，叫做非惯性参考系.惯性系性质惯性系性质 相对于一惯性系作匀速直线运动参考系都是惯性系相对于一惯性系作匀速直线运动参考系都是惯性系.反之，相对于一惯性系作加速运动参考系一定不是惯性反之，相对于一惯性系作加速运动参考系一定不是惯性参考系，即一定是参考系，即一定是非惯性参考系非惯性参考系.惯性系判断惯性系判断 判断是否是惯性系，要依据试验观测判断是否是惯性系，要依据试验观测.严格惯性系严格惯性系是关于参考系一个抱负模型是关于参考系一个抱负模型.太阳参考系是一个较好惯太阳参考系是一个较好惯性系，通常近似取地面参考系为惯性参考系性系，通常近似取地面参考系为惯性参考系.第35页第35页二二 伽利略变换和典型时空观念伽利略变换和典型时空观念1 1 伽利略坐标变换伽利略坐标变换 考察两个相对作匀速直线运动参考系，两者坐标轴考察两个相对作匀速直线运动参考系，两者坐标轴分别互相平行分别互相平行.时时,一个参考系静止一个参考系静止-K系，系，另一个参考系沿另一个参考系沿oxox轴以速度轴以速度 运动运动K系，系，伽利略坐标变换公式伽利略坐标变换公式:第36页第36页同时性是绝对 在在K系同时发生两个事件，在系同时发生两个事件，在K系中也是同时发生系中也是同时发生.2 2 典型时空观典型时空观时间间隔是绝对不变量时间间隔是绝对不变量在在K和和K系中时间量度相同系中时间量度相同.空间间隔是绝对不变量空间间隔是绝对不变量在在K和和K系中量度同一物体长度是相同系中量度同一物体长度是相同.即即:典型力学认为：典型力学认为：1）空间量度是绝正确，与参考系）空间量度是绝正确，与参考系无关；无关；2）时间量度也是绝正确，与参考系无关）时间量度也是绝正确，与参考系无关.第37页第37页即即:同理同理因此因此第38页第38页 问：相对于不同参考系,长度和时间测量结果是一样吗?注注 意意 牛顿力学相对性原理，牛顿力学相对性原理，在宏观、低速在宏观、低速范围内，是与试验结果相一致范围内，是与试验结果相一致.“绝正确真实数学时间绝正确真实数学时间,就其本质就其本质而言而言,是永远均匀地流逝着是永远均匀地流逝着,与任何外与任何外界无关界无关.”“绝对空间就其本质而言是与任何绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关外界事物无关，它从不运动它从不运动,并且永远并且永远不变不变.”牛顿绝对时空观牛顿绝对时空观牛顿力学相对性原理牛顿力学相对性原理 实践已证实实践已证实,绝对时空观是不正确绝对时空观是不正确.第39页第39页3 3 典型相对性原理典型相对性原理由坐标变换公式对时间求二阶导由坐标变换公式对时间求二阶导典型力学定律在伽利略变换下形式不变典型力学定律在伽利略变换下形式不变.典型（力学相对性原理）：力学现象对于一切惯典型（力学相对性原理）：力学现象对于一切惯性系来说，都遵守同样规律；或者说，在研究力学规性系来说，都遵守同样规律；或者说，在研究力学规律时，一切惯性系都是等价律时，一切惯性系都是等价.即：在两互相作匀速直线运动惯性系中，牛顿运动即：在两互相作匀速直线运动惯性系中，牛顿运动定律含有相同形式定律含有相同形式.第40页第40页 900 多年前（公元多年前（公元1054年年5月）一次著名月）一次著名超新星爆发超新星爆发，这次爆发残骸形成了著名金牛星座蟹状星云。北宋天文这次爆发残骸形成了著名金牛星座蟹状星云。北宋天文学家记载从公元学家记载从公元 1054年 1056年均能用肉眼观测均能用肉眼观测,尤其尤其是开始是开始 23 天天,白天也能看见白天也能看见.物质飞散速度物质飞散速度l=5000 光年光年AB 当一颗恒星在发生超新星爆发时当一颗恒星在发生超新星爆发时,它外围物质向四周它外围物质向四周八方飞散八方飞散,即有些抛射物向着地球运动即有些抛射物向着地球运动,现研究超新星现研究超新星爆发过程中光线传播引起疑问爆发过程中光线传播引起疑问.三三 典型时空观不足典型时空观不足第41页第41页实际连续时间约为实际连续时间约为 22 个月个月,这怎么解释这怎么解释?理论计算观测到超新性爆发强光时间连续约理论计算观测到超新性爆发强光时间连续约l=5000 光年光年物质飞散速度物质飞散速度AB A 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间B 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间第42页第42页 爱因斯坦爱因斯坦哲学观念：哲学观念：自然界自然界应当是友好而简朴应当是友好而简朴.理论特色：理论特色：出于简朴而归于出于简朴而归于深奥深奥.Albert Einstein (1879 1955)20世纪最伟大物理学家,于19和19先后创建了狭义相对论和广义相对论,他于19提出了光量子假设,为此他于19取得诺贝尔物理学奖,他还在量子理论方面作出诸多主要奉献.四、狭义相对论基本原理四、狭义相对论基本原理第43页第43页四、狭义相对论基本原理四、狭义相对论基本原理 1）爱因斯坦相对性原理：物理定律在爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有所有惯性惯性系中都含有相同表示形式系中都含有相同表示形式.2）光速不变原理：真空中光速是常量，它与光源光速不变原理：真空中光速是常量，它与光源或观测者运动无关，即不依赖于惯性系选择或观测者运动无关，即不依赖于惯性系选择.关键概念：相对性和不变性关键概念：相对性和不变性.相对性原理是自然界普遍规律相对性原理是自然界普遍规律.所有惯性参考系都是等价所有惯性参考系都是等价.“横当作岭侧成峰，远近高低各不同。”苏轼题西林壁第44页第44页 从从狭狭义义相相对对论论基基本本原原理理出出发发，爱爱因因斯斯坦坦推推导导出出和和洛洛仑仑兹兹变变换换完完全全相相同同时时空空坐坐标标变变换换式式，并并指指出出：时时间间和和空空间间及及其其时时间间、空空间间和和物物质质运运动动是是紧紧密密联联系系而而不不可可分分割割，时钟快慢和量尺长短都要受运动状态影响时钟快慢和量尺长短都要受运动状态影响.第45页第45页阐明同时含有相对性，时间量度是相正确阐明同时含有相对性，时间量度是相正确.和和光速不变光速不变紧密联系在一起是：在某一惯性系中紧密联系在一起是：在某一惯性系中同同时时发生两个事件，在相对于此惯性系运动另一惯性系中发生两个事件，在相对于此惯性系运动另一惯性系中观测，并观测，并不一定是同时不一定是同时发生发生.第46页第46页五洛伦兹变换式五洛伦兹变换式*设设：时，时，重叠重叠;事件事件 P 时空坐标时空坐标如图所表示如图所表示.第47页第47页正正变变换换逆逆 变变 换换 光速光速在在任何任何惯性惯性系中均为同一系中均为同一常量常量 ，利用它将时间测量与利用它将时间测量与距离测量联系起来距离测量联系起来.*第48页第48页1）与与 成线性关系，但百分比系数成线性关系，但百分比系数 .2）时间不独立，时间不独立，和和 变换互相交叉变换互相交叉.3）时，洛伦兹变换时，洛伦兹变换 伽利略变换。伽利略变换。洛伦兹变换洛伦兹变换特点特点 意义：意义：基本物理定律应当在基本物理定律应当在洛伦兹变换洛伦兹变换下保下保持持不变不变.这种不变显示出物理定律对匀速直线运动这种不变显示出物理定律对匀速直线运动对称性对称性 相对论对称性相对论对称性.第49页第49页*1-4 相对论时空观念相对论时空观念第50页第50页小诗小诗:鸟笼门终于开了鸟笼门终于开了,鸟儿飞了鸟儿飞了笼门又关上了。笼门又关上了。自由了自由了!-!-鸟笼。鸟笼。而鸟而鸟,却禁锢在笼外。却禁锢在笼外。第51页第51页一一 相对论时空关几种主要结论相对论时空关几种主要结论1 1 时间、空间和物质运动三者紧密联系，不可分割时间、空间和物质运动三者紧密联系，不可分割.2 同时性是相正确，在一个惯性系中同时发生两个事件，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两个事件，相对另一个惯性系有可能同时.3 3 空间间隔与物体运动相关，运动物体在运动方向上长空间间隔与物体运动相关，运动物体在运动方向上长度发生缩短度发生缩短.4 4 时间间隔与物体运动相关，任何自然过程在相对其运时间间隔与物体运动相关，任何自然过程在相对其运动惯性系中观测与在相对其静止惯性系中观测相比，前动惯性系中观测与在相对其静止惯性系中观测相比，前者比后者速度延缓者比后者速度延缓.第52页第52页二二 同时相对性同时相对性 在K系中不同地点同时发生两事件，它们时空坐标为:事件事件 2 事件事件 1这两个事件在这两个事件在K系时空坐标系时空坐标:事件事件 2 事件事件 1由洛伦兹变换由洛伦兹变换第53页第53页两式相减，得两式相减，得 结论：不同地点发生两个事件，在其中一个惯性系中是同时，在另一惯性系中观测则不同时，因此同时含有相对意义；只有在同一地点，同一时刻发生两个事件，在其它惯性系中观测也是同时.可见，在洛伦兹变换下，同时是相正确.第54页第54页三三 长度收缩长度收缩(演示演示)标尺相对标尺相对K系静止系静止在在K 系中测量系中测量测量为两个事件测量为两个事件要求要求在在K系中测量系中测量第55页第55页 定义为定义为固有长度固有长度,即物体相对静止时所测得长度即物体相对静止时所测得长度.固有长度最长固有长度最长.洛伦兹收缩洛伦兹收缩:空间间隔和运动相关空间间隔和运动相关,运动运动物体在物体在运动方向上长度运动方向上长度收缩收缩.l 称为称为相对论长度相对论长度，即相对物体运动参考系所测量，即相对物体运动参考系所测量长度长度.第56页第56页四四 时间膨胀时间膨胀(演示演示)K系系同一同一地点地点 B 发生两事件发生两事件在在 K系中观测两事件系中观测两事件,时空坐标为时空坐标为:石英钟开始振荡石英钟开始振荡石英钟结束振荡石英钟结束振荡时间间隔时间间隔由洛伦兹变换由洛伦兹变换第57页第57页时间延缓效应：时间延缓效应：从相对运动参考系中观测从相对运动参考系中观测,一过程经历一过程经历时间间隔比静止参考系中同一过程时间间隔延缓时间间隔比静止参考系中同一过程时间间隔延缓,即即运运动动钟走得钟走得慢慢.两式相减，得两式相减，得 定义为定义为固有固有时间时间,即即同一同一地点发生两事件时间间隔地点发生两事件时间间隔.第58页第58页