第1章物理学和力学

真空中的光速
c = 299792458 m / s
普朗克常量
h −34 η= = 1.05457266 ×10 J .s 2π
引力常量
G = 6.67259 ×10 −11 Nm 2 /、物理量的基本单位与导出单位 物理量分为基本物理量和导出物理量。 1、基本量与基本单位： 选择某物理量直接规定其单位，该量称为基本量， 该单位称为基本单位。 例如： 力学中，长度、时间、质量为基本量，它们的单位 米（m），秒（s），千克（kg）为基本单位。
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。 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) 凝聚态物理(condensed matter physics) 表面物理(surface physics) 等离子体物理(plasma physics)
以此为基础， 粒子物理学、 原子核物理、 原子和分子物 理、凝聚态物 理、天体物理 学等学科得到 了迅速的发 展。
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。
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
3×10 s
1.3 ×1017 s
17
2×10 s
8.6 ×10 4 s
9
1×10
−12
s
3 × 10 −24 s 1×10
−43
s
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
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。 二十世纪初至今：近（现）代物理学开始发展。
§1.4
单位制和量纲
二、国际单位制（SI）
长度 质量 米 千克 时间 秒 热力学温度 开 电流 安培 物质的量 摩尔 发光强度 坎德尔
m
kg
s
K
A
mol
cd
三、量纲式： 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。
dim A = L M T
p q
r
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
1×1053 kg 41 2.2 × 10 kg 6.0 × 10 kg
24
6.0 ×101 kg −10 6.7 ×10 kg 2.3 ×10 −13 kg 1.7 ×10 −27 kg −31 9.1×10 kg
几个非常重要的物理常量
§1.5
数量级的估计
数量级在物理学中很重要。研究对象在空间尺度上属 于不同数量级，便可能属于不同的领域。 物理学中对正在探索的问题作数量级估计，需要对有 关事实和规律有很好的了解以及在此基础上的假设。 如果估计结果和在数量级上的预言比较符合，表明可 能已抓到事物的一些本质，可以作进一步的研究。若 估计结果与实验结果大相径庭，往往需对基本假设作 根本性的改动。
§1.4
单位制和量纲
一、物理量的基本单位与导出单位 2、导出量与导出单位： 不直接规定其单位的物理量，称为导出量，其单位 需由该物理量和基本量的关系来决定，称为导出单位。 例如： 力学中，速度为导出量，它的单位米/秒（m/s） 是导出单位，由速度与基本量长度、时间之间的关系 决定。 不同的基本单位、导出单位和辅助单位就形成不同 的单位制。
同学们： 欢迎你和我一起来学习普通物理学— 力学，期望你能一点一点地将物质世界神 奇的面纱掀开。
课程主讲及课件制作：
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关小蓉
本课程学习要求：
1、不无故缺勤，不迟到，不早退。有事请假，假条须经班主任 签字同意。 2、上课认真听讲，记笔记；保持良好的课堂纪律和课堂秩序， 关闭手机或使之处于振动状态。 3、课前要预习；课后认真复习，作业要按时独立完成，不抄 袭，每周星期一交上一周的作业。（作业与平时表现合计占本门课程 总成绩的10%，作业缺交三分之一不能参加期末考试） 4、段考成绩占20%，期末考试占80%。 5、《力学》课程共约80学时，4学分。
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
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（Classical Mechanics） •热力学 （Thermodynamics） 经典物理学 •电磁学 （Electromagnetics） •相对论 （Relativity） 现代物理学 •量子力学（Quantum Mechanics） 按照研究的方法，可分为： •理论物理 •实验物理 •计算物理
1×10 26 m 6.4 ×10 m
6
1.8 ×10 m
0
1× 10 −4 m 5 × 10 −11 m 1.2 ×10 −15 m 1×10 m 1×10 −35 m
−18
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)
1.4959781×108 km 9.460730 ×1015 m 302591l . y . 1.0 ×10 −10 m
§1.6 参考系·坐标系与时间坐标轴 一、参考系和坐标系
1、参考系（定性描述）：描述物体运动时选作参考 的物体。其选择可以是任意的，主要看问题的性 质和研究的方便。
• 注意：明确物体运动的绝对性和相对性，不同参考系中 对同一物体的运动具有不同的描述。
2、坐标系（定量描述）：直角坐标、极坐标、球面 坐标、柱面坐标等
学 习 参 考
书
h“新概念物理教程”力学，赵凯华，罗蔚茵 h“大学物理学”一套四册，张三慧主编 h“基础物理学”上下册，陆果 h“普通物理学”一套三册，程守株主编 h“定性与半量物理学”，赵凯华 h科学家谈物理丛书（20多本） h第一推动丛书（湖南科学技术出版社） 本课程网站：http//:210.36.247.113/lx
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。
其中p、q、r 称为量纲指数
§1.4
三、量纲式：
单位制和量纲
p q r
dim A = L M T
例：速度的量纲:dim v=LT-1 加速度的量纲:dim a=LT-2
量纲法则：只有量纲相同的量，才能彼此相等、相加或相 减，若推出的公式不符合量纲法则，该式必是错误的。 无量纲的量常有重要作用，无量纲的量可以有单位。 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。
物理学科的特点
一、物理学以实验为基础 二、理想模型：质点和刚体 ——质点：具有质量的点 ——刚体：不会产生形变的物体 ——卢瑟福原子的行星模型、爱因斯坦的光子模型 三、物理学的思考 对称性、守恒律、量纲分析与数量级估计
四、物理学理论 ——物理学是一门定量的学科，它的概念、定律、 定理和结论需要用准确的语言并用数学形式表术 出来，从而形成完整的理论体系。 ——物质存在的两种形式：粒子和场 ——自然界的四种力：强相互作用、弱相互作用、 电磁相互作用、引力 五、物理、技术和经济 物理学的发展对技术和经济有着深刻的影响。
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。