1、上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.1發展著的物理學發展著的物理學1.2 物理學研究的方法物理學研究的方法1.3 時間和長度的測量時間和長度的測量1.4 單位制和量綱單位制和量綱1.5 數量級估計數量級估計1.6 參考系參考系坐標系與時間坐標軸坐標系與時間坐標軸1.7 力學力學學習物理學的開始學習物理學的開始上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 沒有今日的基礎科學沒有今日的基礎科學, 就沒有明日就沒有明日的科技應用的科技應用,

2、 可以想象可以想象, 我們現在的基我們現在的基礎科學將怎樣地影響礎科學將怎樣地影響21世紀的科技文世紀的科技文明明.李政道李政道 物理學屬于基礎科學范疇物理學屬于基礎科學范疇,是一門素質課是一門素質課,物理思物理思想和物理方法是一個科學工作者靈感之所在想和物理方法是一個科學工作者靈感之所在,基礎之基礎之所在所在.力學力學學習物理學的開始學習物理學的開始.上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.1發展著的物理學發展著的物理學1.1.1經典物理學與現代物理學經典物理學與現代物理學經典物理學經典物理學經典力學經典力學經典熱力學經典熱力學,經典統計物理學經典

3、統計物理學 經典電磁學經典電磁學現代物理學基礎現代物理學基礎 狹義相對論狹義相對論 量子力學量子力學廣義相對論廣義相對論 上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 牛頓牛頓開普勒開普勒伽利略伽利略 他們為經典力學的建立做出貢獻他們為經典力學的建立做出貢獻 上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 玻爾茲曼他們為經典熱力學統計物理的建立做出貢獻他們為經典熱力學統計物理的建立做出貢獻 上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 他們為經典電磁理論的建立做出貢獻他們為經典電磁理論的建立做出

4、貢獻 上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 X射線、電子、放射性的發現，物理學的射線、電子、放射性的發現，物理學的研究由宏觀轉向微觀研究由宏觀轉向微觀 . 倫琴發現倫琴發現X射線射線 J.J.Thomson發現電子發現電子上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 愛因斯坦他們奠定了現代物理學基礎他們奠定了現代物理學基礎 上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.1.2 微觀世界微觀世界 1914年盧瑟福年盧瑟福發現發現 射線射線, 射射線線,建立了原子建立了原子有核模型有核

5、模型. 電子的發現，確認了原子是可分的，為探索原電子的發現，確認了原子是可分的，為探索原子結構以及為探索更深層次的結構開辟了道路子結構以及為探索更深層次的結構開辟了道路.上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 物質是由輕子和夸克組成物質是由輕子和夸克組成. 輕子有電子、輕子有電子、 子、子、 子、電子中微子、子、電子中微子、 子中微子中微子和子和 子中微子，每一種均有反粒子，共有子中微子，每一種均有反粒子，共有12種種. 夸克有夸克有6種味，即上夸克、下夸克、奇異夸克、粲種味，即上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克夸克、底夸克和頂夸克.每味又

6、分紅、藍和綠每味又分紅、藍和綠3種色種色. 粒子之間粒子之間有四種有四種基本相互作用：基本相互作用：引力相互作用、電引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用磁相互作用、弱相互作用和強相互作用. . 粒子之間粒子之間的的基基本相互作用是通過交換某種粒子來傳遞的，即基本相互本相互作用是通過交換某種粒子來傳遞的，即基本相互作用都是由媒介粒子傳遞的，這類媒介粒子統稱為規范作用都是由媒介粒子傳遞的，這類媒介粒子統稱為規范玻色子玻色子. . 電磁力以光子為媒介，弱力的媒介為電磁力以光子為媒介，弱力的媒介為Z0和和W粒子，粒子，強子的媒介有強子的媒介有8種顏色的膠子種顏色的膠子.上上 頁頁下下 頁

7、頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.1.3 宇宙的早期演化宇宙的早期演化 s 1043 s 1035 s 106 s 104 s 10min32 a10216 a1010K1032K1027K1013K1010K3000K7 . 2強子強子時代時代輕子輕子時代時代輻射時代輻射時代恒星恒星星系星系形成形成直至直至現在現在上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.1.4 非線性系統的復雜行為非線性系統的復雜行為 一旦系統出現非線性一旦系統出現非線性,便可能呈現復雜行為便可能呈現復雜行為.這種這種復雜行為有時會表現為規則的時空或

8、功能有序復雜行為有時會表現為規則的時空或功能有序,有時也有時也會表現為貌似無序的序會表現為貌似無序的序.復雜行為不僅能發生于物理和復雜行為不僅能發生于物理和化學系統化學系統,也能發生于生命和社會系統也能發生于生命和社會系統.上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.2 物理學研究的方法物理學研究的方法觀察觀察: :實驗實驗: :假設假設: :理論理論:在有充分實驗事實的基礎上歸納出來的原理、在有充分實驗事實的基礎上歸納出來的原理、定律、規律等定律、規律等. .基本方法基本方法 抽象抽象: :應用應用:對現象的考察和研究對現象的考察和研究. .在人工控制

9、下，使現象重演在人工控制下，使現象重演. .抓住本質，建立物理模型抓住本質，建立物理模型. .如質點、剛體如質點、剛體. .對于現象的本質所提出的一些說明方案或基對于現象的本質所提出的一些說明方案或基本論點等本論點等. .將物理學理論用于實際將物理學理論用于實際. 上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 目前國際通用的時間單位是秒（目前國際通用的時間單位是秒（s）.為提高精度，為提高精度，1967年國際計量大會決定采用原子的躍遷輻射作為年國際計量大會決定采用原子的躍遷輻射作為計時標準計時標準,并規定并規定銫銫-133原子基態的兩個超精細能原子基態的兩個超

10、精細能級間躍遷相對應的輻射的級間躍遷相對應的輻射的9 912 631 770個周期的持個周期的持續時間作為續時間作為1s. 這樣的原子標準稱為原子時這樣的原子標準稱為原子時.1.3.1 時間的計量時間的計量 一切周期運動都可用來量度時間。一切周期運動都可用來量度時間。1.3 時間和長度的測量時間和長度的測量上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 可用物體來計量長度可用物體來計量長度.如古代測量長度常以人體的如古代測量長度常以人體的某部分作為單位和標準某部分作為單位和標準. 近代的測量長度單位是在法近代的測量長度單位是在法國的米制單位發展起來的（規定為通過

11、巴黎的自北極國的米制單位發展起來的（規定為通過巴黎的自北極至遲到的子午線的千萬分之一為米）至遲到的子午線的千萬分之一為米）,目前在國際單目前在國際單位制中長度的單位是米（位制中長度的單位是米（m）.在在1983年國際計量大年國際計量大會商定以會商定以:“1m為光在真空中為光在真空中(1/29792458)s 時間間隔時間間隔內所經路徑的長度內所經路徑的長度”.1.3.2 長度的計量長度的計量 上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.4 單位制和量綱單位制和量綱 物理學中物理學中,物理公式總是和一定的物理公式總是和一定的“單位制單位制”相聯相聯系系,“

12、單位制單位制”就是各物理量間相互配套的一組單位就是各物理量間相互配套的一組單位.1.4.1 基本單位和導出單位基本單位和導出單位基本單位：基本單位：選定幾個物理量作為基本量選定幾個物理量作為基本量,人為地規定人為地規定 其單位，稱為基本單位制其單位，稱為基本單位制.導出單位：導出單位：從基本量導出的量稱為導出量，其單位是基從基本量導出的量稱為導出量，其單位是基 本單位的組合，稱為導出單位本單位的組合，稱為導出單位. 根據同一規律寫出的公式，采用的單位不同，公根據同一規律寫出的公式，采用的單位不同，公式中出現的因子不同。如式中出現的因子不同。如 s = kvt . 上上 頁頁下下 頁頁結結 束束

13、返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.4.2 國際單位制國際單位制(SI)基本量基本量:長度長度 質量質量 時間時間 電流電流 溫度溫度 物質的量物質的量 光強度光強度單單 位位: m kg s A K mol cd導出量導出量: 速度速度 加速度加速度 力力 動量動量 單單 位位: m/s m/s2 N kg m/s 輔助單位輔助單位: 平面角平面角 立體角立體角單單 位：位：rad sr（球面度）（球面度）輔助單位可以參與導出單位，如角速率輔助單位可以參與導出單位，如角速率 rad/sSI詞頭：詞頭：因為用很大單位測很小的量或用很小單位測很因為用很大單位測很小的量或用很小單

14、位測很大的量都不方便，為使單位大小相濟，適應不同問題的大的量都不方便，為使單位大小相濟，適應不同問題的需要，在需要，在SI中規定了中規定了“SI詞頭詞頭”. 如表如表1.3.上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.4.3 量綱式量綱式量綱：量綱：表示一個物理量由基本量的冪次組合的式子表示一個物理量由基本量的冪次組合的式子.基本量選定后基本量選定后,導出量的量綱可由基本量的量綱的組導出量的量綱可由基本量的量綱的組合而得合而得. 在國際單位制中在國際單位制中,表示力學量表示力學量A的量綱式為的量綱式為rqpATMLdim 如：如： -1LT dim v2

15、LTdim a2LMTdim F000TMLdim L為長度的量綱，為長度的量綱，M為質量的量綱，為質量的量綱， T為時間的量綱為時間的量綱.p、q、r 為量綱指數為量綱指數 1.量綱量綱速度的量綱速度的量綱 加速度的量綱加速度的量綱 力的量綱力的量綱 圓心角的量綱圓心角的量綱 上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 (3)為推導某些復雜公式提供線索為推導某些復雜公式提供線索.(1)用量綱檢查等式的正誤用量綱檢查等式的正誤. 因為只有量綱相同的量因為只有量綱相同的量才能彼此相等，所以等式兩邊的量的量綱必須相同才能彼此相等，所以等式兩邊的量的量綱必須相同.

16、(2)用量綱分析方程中比例系數的單位用量綱分析方程中比例系數的單位.2. 應用應用 上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.5 數量級估計數量級估計1.5.1 有效數字有效數字1.520 有四位有效數字有四位有效數字 567.23 有五位有效數字有五位有效數字1.35cm 有三位有效數字有三位有效數字 0.0135m有三位有效數字有三位有效數字1.0035 有五位有效數字有五位有效數字 1.000cm有四位有效數字有四位有效數字注意：注意：有效數字的位數與十進制單位的變換無關有效數字的位數與十進制單位的變換無關,即與即與小數點的位置無關小數點的位置無

17、關.用以表示小數點位置的用以表示小數點位置的“0”不是有不是有效數字效數字,當當“0”不表示為小數點位置時是有效數字不表示為小數點位置時是有效數字.數數據最后的據最后的“0”不能隨便加上不能隨便加上,也不能隨便去掉也不能隨便去掉. 某一數中可靠數字稱作某一數中可靠數字稱作有效數字有效數字，它的個數稱作，它的個數稱作有效數字的位數有效數字的位數.例如：例如：上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.5.2 數量級的估計數量級的估計 例如：例如：88920 取取9104 稱稱“數量級估計數量級估計”，實際上，實際上又將已估計的又將已估計的9104 以以10

18、5 代之代之.用用10的若干次方表示的若干次方表示的數常稱為的數常稱為“數量級數量級”. 估計某數的數量級時估計某數的數量級時,常取整為一位有效數字乘以常取整為一位有效數字乘以10的若干冪次的若干冪次.上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.6 參考系參考系坐標系與時間坐標軸坐標系與時間坐標軸 任何物理過程都和時間和空間相聯系任何物理過程都和時間和空間相聯系.對機械運動對機械運動而言而言,空間規定了運動物體的大小與位置空間規定了運動物體的大小與位置;時間則規定時間則規定了運動過程的長短和順序了運動過程的長短和順序.在經典力學范圍內在經典力學范圍內,空

19、間與時空間與時間是脫離物質與運動的獨立存在間是脫離物質與運動的獨立存在;空間是延伸到整個宇空間是延伸到整個宇宙容納物質的三維平直框架宙容納物質的三維平直框架,時間猶如一座始終均勻轉時間猶如一座始終均勻轉著的鐘著的鐘.上上 頁頁下下 頁頁結結 束束返返 回回第一章第一章 物理學和力學物理學和力學 1.6.1 參考系和坐標系參考系和坐標系 被選作物體運動依據的物體或物體群稱為被選作物體運動依據的物體或物體群稱為參考系參考系，與參考系固連的三維空間稱為與參考系固連的三維空間稱為參考空間參考空間.同一物體的運同一物體的運動情況相對不同的參考系是不同的動情況相對不同的參考系是不同的. 為了定量表示物體相對參考系的位置為了定量表示物體相對參考系的位置,可在參考系可在參考系上建立適當的上建立適當的坐標系坐標系.即用固定在參考空間的一組坐標即用固定在參考空間的一組坐標軸和用來規定一組坐標的方法軸和