第一章 运动的描述 质点、参考系和坐标 课件PPT-高中物理人教版必修第一册

第一章力和运动§1-1质点运动的描述§1-2圆周运动和一般曲线运动§1-3相对运动常见力和基本力§1-4牛顿运动定律§1-5伽利略相对性原理非惯性系惯性力1 力学是研究物体机械运动的规律及其应用的学科，是研究物理学其他部分的基础.机械运动指一个物体相对于另外一个物体的位置，或者，一个物体的某些部分相对于其它部分的位置，随时间发生变化的过程，是最简单又最基本的运动.汽车行驶，宇宙天体运动，弹簧形变，流体流动等都属于机械运动的范围.讨论如何描述物体的运动，研究运动发生和变化的原因，总结物体之间的相互作用规律.第一章力和运动2 力学按研究方法可分运动学(kinematics)、动力学(dynamics)和静力学(statics)三部分.运动学研究物体位置变化与时间的关系，但是不考虑引起变化的原因，动力学研究产生各种机械运动的原因，而静力学则研究物体在力或力矩作用下平衡的条件.按研究对象分经典力学、相对论力学和量子力学三部分.经典力学又称古典力学或牛顿力学；只适用于物体作低速运动（与光速相比)的情形，当物体速度接近光速时，经典力学失效，需要相对论力学来研究，经典力学只是相对论在低速时的近似；经典力学的研究对象是由大量原子、分子组成的宏观客体，无法适用于微观粒子的运动研究，这时要用到量子力学.3 4矢量（vector）及其运算：1、加法：平行四边形法则交换律结合律2、数乘：矢量乘标量结果仍为矢量结合律分配律矢量：有大小、方向，并有下述运算规则 5交换律分配律3、标量积：4、矢量积：AB 6不交换！AB【思考】下列运算“合法”吗？一个要用到的公式：（验证上式的分量式成立即可） §1-1质点运动的描述一.质点(masspoint)物体：具有大小、形状、质量和内部结构的物质形态.一般情况下，物体各部分的运动不相同，在运动的过程中大小、形状可能改变，这使得运动问题变得复杂.某些情况下，物体的大小、形状不起作用，或者起次要作用而可以忽略其影响——简化为质点模型.具有一定质量没有大小或形状的理想物体.质点7 大小和形状对运动没有影响或影响可以忽略.研究地球公转地球上各点的公转速度相差很小，忽略地球自身尺寸的影响，作为质点处理.可以作为质点处理的物体的条件8 研究地球自转地球上各点的速度相差很大，因此，地球自身的大小和形状不能忽略，这时不能作质点处理.9 除车轮外，汽车各部分运动情况完全相同，车轮的运动是次要的，此时可把汽车作为质点处理.研究汽车在平直道路上运动涉及转动问题，汽车各部分运动情况不同，各个车轮受力差异很大，不能把汽车做质点处理.研究汽车突然刹车“前倾”或转弯质点是从实际中抽象出的理想模型，研究质点的运动是为了抓住事物的主要矛盾进行研究分析.质点力学是整个力学的基础.10 111.如N个沙粒组成的物质系统---质点系方法：一个沙粒一个沙粒地解决2.如，连续体方法：切割无限多个质量元一个质量元一个质量元地解决 12力学理论框架质点力学(模型)牛顿运动定律(总结性的)质点系解决物体系的一般方法(普遍)刚体（形状不能忽略但形变忽略）(模型)一般物体的一级简化(特殊的质点系)用刚体问题检验您对质点系运动规律的理解能解决质点系的力学问题－－大学物理 静止是相对的，运动是绝对的，地心学说被日心说取代，让人们明白，判断物体运动与否，首先要选择统一的物体作参考.即使是太阳，在银河系中其它恒星系统观察，仍然运动着的.银河系指南针二.参考系和坐标系(1)运动的绝对性13 (2)运动的相对性描述物体运动时，被选作参考的物体，称为参考系.同一物体的运动，由于我们所选取的参考系不同，反映的运动关系就不同，对它的运动描述也会不同.参考系14 关于参考系的选择性在描述质点如何运动的问题中,也仅仅在这样的问题中，参考系原则上是可以任意选择的.对于物体的同一个运动,选择不同的参考系,对运动的描述是不同的.例如,人造地球卫星的运动,若以地球为参考系,运动轨道是圆或椭圆;若以太阳为参考系,运动轨道是以地球公转轨道为轴线的螺旋线.在研究物体运动时,究竟应该选择哪个物体或物体群作为参考系呢?这要根据问题的性质、计算和处理上的方便来决定.在上述人造地球卫星的例子中,显然选择地球中心作参考系比选择太阳作参考系要方便得多,结论也要简洁得多。在题意和问题性质允许的情况下,可选择使问题的处理尽量简化的参考系.15 要定量描述物体的位置与运动情况，就要运用数学手段，采用固定在参考系上的坐标系.坐标系原点可取在参考系的一个固定点上.常用的坐标系有直角坐标系(x,y,z)，极坐标系(,)，球坐标系(R,,)，柱坐标系(R,,z).zR参考方向zoRxy(3)坐标系ZXYO16 为了定量描述物体运动，要建立坐标系，确定单位制.(4)单位我国规定使用国际单位制--“SI”制基本单位:米、千克、秒、安培开尔文、摩尔、坎德拉[M].[T].[I].[].[j][N].[L]导出单位：通过物理定理等导出的单位如米/秒、牛顿、伏特.M.Kg.S.A.K.MOL.CD19 空间反映了物质的广延性，与物体的体积和位置的变化联系在一起.时间反映物理事件的顺序性和持续性，与物理事件的变化发展过程联系在一起.各个时代有代表性的时空观：墨子：空间是一切不同位置的概括和抽象；时间是一切不同时刻的概括和抽象.墨子三.空间和时间20 莱布尼兹：空间和时间是物质上下左右的排列形式和先后久暂的持续形式，没有具体的物质和物质的运动就没有时空间和时间，强调时间空间与运动的联系而忽略的客观性.牛顿：空间和时间是不依赖于物质的独立的客观存在，强调客观性忽略与运动的联系.莱布尼兹牛顿21 爱因斯坦：相对论时空观，时间与空间客观存在，与运动密不可分.目前的时空观范围：宇宙的尺度1026m(20亿光年)到微观粒子尺度10-15m，从宇宙的年龄1018s(20亿年，宇宙年龄)到微观粒子的最短寿命10-24s.物理理论指出,空间和时间都有下限：分别为普朗克长度10-35m和普朗克时间10-43s.爱因斯坦22 在一定的坐标系中，当质点运动时，它的位置P(x,y,z)随时间按一定规律变化，位置用坐标表示为时间的函数，叫做质点的运动学方程.例如：如果轨迹是直线，就叫做直线运动：将运动学方程中的时间t消去，可以得到质点的轨迹方程.一般情况轨迹方程是空间曲线.四.运动学方程（匀速运动）（匀加速运动）23 位置矢量--从参考点指向质点所在位置的有向线段，用矢量表示.设质点所在位置的坐标为x、y、z，那么，坐标x、y、z就是沿坐标轴的三个分量.建立坐标系五.位矢oxyzP(x,y,z)24 BΔSAoxyz位移反映质点位置变化的物理量，从初始位置指向末位置的有向线段.路程(distance,path)是质点经过实际路径的长度,是标量.六.位移(displacement)定义：当质点从某点A运动到另一点B时，A指向B点的有向线段，称为这两点间的位移.记为：计算（直角坐标中）26o 质点的位移和路程不同.位移运算遵从矢量运算法则和平行四边形定则.一般位移矢量的模不等于路程（），只有在质点作单方向直线运动时，它们才相等.位移和路程单位相同，在国际单位制中为m（米）.29 速度是描述质点位置随时间变化的快慢和方向的物理量.平均速度平均速率平均速度是矢量，其方向与位移的方向相同.平均速率是标量,等于单位时间内所通过的路程.平均速度的大小并不等于平均速率.例如，质点沿闭合路径运动.七.速度(velocity)(1)平均速度含义：反映一段时间内，质点位置变化的快慢.说到平均速度一定要明确是哪一段时间或哪一段位移中的平均速度.30 (2)瞬时速度oP1当t0时，P2点向P1点无限靠近.P2P2P2P2P2P2P2P2P2即瞬时速度等于位置矢量对时间的一阶导数.所说的物体运动速度，通常指它的瞬时速度.方向当时位移的极限方向，沿着轨迹上质点所在点的切线方向并指向质点前进的一侧.时间间隔越短，运动的变化就越不明显，平均速度就越接近于真实速度.32 瞬时速率为t0时平均速率的极限，简称速率.t0时路程的极限等于质点位移矢量的模的极限.瞬时速率（速率）等于瞬时速度的模，等于瞬时速度的大小，总是正值.33 根据速度的定义式可得位移的微分形式质点从t0到t时间内完成的位移，可对上式在此时间内积分，即上式称为位移公式.如果已知质点运动速度与时间的函数关系，代入上式积分可算得位移.35 计算：（直角坐标）其中：36 加速度是描述质点速度的大小和方向随时间变化快慢的物理量.xyzP2P1o八.加速度(acceleration)(1)平均加速度平均加速度是矢量，方向与速度增量的方向相同.37 (2)瞬时加速度瞬时加速度简称加速度，它是矢量，在直角坐标系中用分量表示:与瞬时速度的定义相类似，瞬时加速速度是一个极限值39o 加速度的方向就是时间t趋近于零时，速度增量的极限方向.加速度与速度的方向一般不同.加速度与速度的夹角为0或180，质点做直线运动.加速度与速度的夹角等于90，质点做圆周运动.(3)加速度方向对运动状态的影响40 加速度与速度的夹角大于90，速率减小.加速度与速度的夹角等于90，速率不变.远日点近日点加速度与速度的夹角小于90，速率增加.41 已知质点作匀加速直线运动，加速度为a，求该质点的运动方程.解：已知速度或加速度求运动方程，采用积分法：对于作直线运动的质点，采用标量形式两端积分可得到速度例1-1根据速度的定义式：两端积分得到运动方程消去时间，得到42 位置矢量、位移、速度、加速度是从不同角度来描述质点运动的基本物理量.它们都显示了运动的特征：相对性，对不同参考系有不同的描述；矢量性，注意矢量和标量的区别；瞬时性，注意瞬时量和过程量的区别.43