1、2022-12-211 第六讲第六讲 力学的理论体系与问题讨论力学的理论体系与问题讨论大学物理专题讲座大学物理专题讲座主讲人主讲人 冯杰冯杰2022-12-212 第六讲第六讲 力学的理论体系与力学的理论体系与问题讨论问题讨论一、经典物理学的理论体系一、经典物理学的理论体系一、经典物理学的理论体系一、经典物理学的理论体系1、传统的教学体系、传统的教学体系普通物理学普通物理学力学、热学、电磁学、光学、原子物理学力学、热学、电磁学、光学、原子物理学理论物理学理论物理学四大力学：理论力学、热力学与统计物理学四大力学：理论力学、热力学与统计物理学 电动力学、量子力学、电动力学、量子力学、*固体物理学固
2、体物理学应用物理学应用物理学：电动力学：电动力学电工学、电路分析；电工学、电路分析；无线电电子学无线电电子学(微电子学微电子学)2、目前的教学体系、目前的教学体系大学物理学大学物理学力学、热学、电磁学、波动与光学、量子物理学力学、热学、电磁学、波动与光学、量子物理学理论物理学理论物理学四大力学：理论力学、热力学与统计物理学四大力学：理论力学、热力学与统计物理学 电动力学、量子力学、电动力学、量子力学、*固体物理学固体物理学2022-12-213机械力学机械力学流体动力学流体动力学天体力学天体力学二、力学的理论体系二、力学的理论体系2022-12-2141、基本概念、基本概念实物实物力、质点、惯
3、性、惯性质量、引力质量力、质点、惯性、惯性质量、引力质量 机械运动机械运动力学平衡态、惯性运动、力学平衡态、惯性运动、惯性参照系、非惯性参照系惯性参照系、非惯性参照系绝对时空观绝对时空观伽利略变换伽利略变换2、基本规律、基本规律 动力学规律形式不变性动力学规律形式不变性伽利略变换伽利略变换力与物体运动的关系力与物体运动的关系牛顿第一、第二定律牛顿第一、第二定律力学规律力学规律万有引力定律、胡克定律、摩擦定律万有引力定律、胡克定律、摩擦定律力学普遍规律力学普遍规律牛顿第三定律、牛顿第三定律、力的叠加原理力的叠加原理(力的独立作用原理力的独立作用原理)三、经典力学涉及的基本概念和原理三、经典力学涉
4、及的基本概念和原理2022-12-2153、基本原理、基本原理动量守恒定律动量守恒定律角动量守恒定律角动量守恒定律机械能机械能(能量转化与能量转化与)守恒定律守恒定律动能定理动能定理柯尼希定理柯尼希定理iiiippmv=常矢量动量定理动量定理()F d td pdm v,intkkCkEEELrprmv角动量角动量角动量定理角动量定理()dLMdt力 矩L mrv=常矢量交流与讨论：交流与讨论：为什么地球万古千年始终绕着太阳为什么地球万古千年始终绕着太阳 旋转而没有坠落到太阳上？旋转而没有坠落到太阳上？2022-12-2164、质点力学的理论体系、质点力学的理论体系01202,vvFmaFFm
5、 mFGrrFkx 不受力；（1）基本的理论体系）基本的理论体系（2）应用的理论体系）应用的理论体系000;ijijijiiiiiiImvm vpEErm vL 2022-12-217(1)惯性参照系的定义惯性参照系的定义(3)惯性参照系的选择和判断只能通过观察和实验惯性参照系的选择和判断只能通过观察和实验(2)伽利略相对性原理说明伽利略相对性原理说明 时间过程短暂时间过程短暂 精确度要求不高精确度要求不高在一定的精度下，使在一定的精度下，使牛顿第一定律成立牛顿第一定律成立只要找到一个惯性参照系，只要找到一个惯性参照系，必然有无数个惯性参照系必然有无数个惯性参照系物体的受力趋于零物体的受力趋于
6、零(4)选择地球作为惯性参照系的条件选择地球作为惯性参照系的条件5、惯性参照系、惯性参照系00000,0,00,vvatatifatvvatifatvv 2022-12-218(1)惯性的定义惯性的定义(2)牛顿第一定律中牛顿第一定律中“惯性惯性”是平动惯性，是平动惯性，“质点质点”平动惯性的平动惯性的大小，在大小，在牛顿第二定律中惯性质量反映；牛顿第二定律中惯性质量反映；刚体的刚体的“转动惯性转动惯性”用用“惯量张量惯量张量”表达表达物体尽量维持原来运动状态的特性物体尽量维持原来运动状态的特性注意：注意：从狭义相对论的观点从狭义相对论的观点“物体速度物体速度 越大，其惯性越大越大，其惯性越大
7、”是对的，其依据是是对的，其依据是0221mmvc 注意：注意：经典力学经典力学“物体的惯性与其运动速度物体的惯性与其运动速度 无关无关”是低速条件下的近似；是低速条件下的近似；(3)惯性是物体的固有属性，与外界因素无关惯性是物体的固有属性，与外界因素无关6、惯性、惯性2022-12-219(4)不能用不能用牛顿第一定律的表述给牛顿第一定律的表述给“惯性惯性”下定义下定义不能说不能说“惯性是物体不受力下，变成惯性是物体不受力下，变成静止或匀速直线运动状态的特性静止或匀速直线运动状态的特性”(5)惯性不是力惯性不是力注意：物体的惯性，与该物体的注意：物体的惯性，与该物体的“受力受力”或或“不受力
8、不受力”无关！无关！注意：注意：如果在经典力学条件下，将物体的惯如果在经典力学条件下，将物体的惯 性与其运动速度直接联系，则是错误的性与其运动速度直接联系，则是错误的 的概念的概念因为因为经典力学条件下，质量经典力学条件下，质量 是不变的，而质量是惯性的量度。是不变的，而质量是惯性的量度。2022-12-21107、惯性运动、惯性运动（1）定义）定义（2）注意区分）注意区分“惯性惯性”与与“惯性运动惯性运动”不受力下，物体静止或作匀速直线运动称为惯性运动不受力下，物体静止或作匀速直线运动称为惯性运动 “惯性运动惯性运动”的条件是的条件是不受力。不能将受力不受力。不能将受力 而合力为零条件下的运
9、动称为惯性运动而合力为零条件下的运动称为惯性运动物体的惯性，与其物体的惯性，与其“受力受力”或或“不受力不受力”无关！无关！2022-12-21118、非惯性参照系、非惯性参照系（1）非惯性参照系的定义）非惯性参照系的定义（2）惯性力）惯性力使牛顿第一定律不能成立的参照系使牛顿第一定律不能成立的参照系 由于非惯性参照系相对于惯性参照系有加速度，由于非惯性参照系相对于惯性参照系有加速度，因而非惯性参照系中的物体由于惯性，相对于惯性参因而非惯性参照系中的物体由于惯性，相对于惯性参照系有加速度，相当于物体受到一个力照系有加速度，相当于物体受到一个力惯性力，惯性力，其方向与非惯性参照系相对于惯性参照系
10、的加速度方其方向与非惯性参照系相对于惯性参照系的加速度方向相反。向相反。交流与讨论：交流与讨论：方程方程F=ma与与F-ma=0 有没有区别？为什么？有没有区别？为什么？2022-12-2112（3）惯性力的类型）惯性力的类型(平动平动)惯性力惯性力平动非惯性参照系；平动非惯性参照系；惯性离心力惯性离心力转动非惯性参照系转动非惯性参照系;科里奥利力科里奥利力自自转动非惯性参照系转动非惯性参照系摩擦定律摩擦定律牛顿三定律牛顿三定律力的叠加原理力的叠加原理万有引力定律万有引力定律胡克定律胡克定律交流与讨论：交流与讨论：如果牛顿三定律只保留一个如果牛顿三定律只保留一个,你认为应当保留哪一个？你认为应
11、当保留哪一个？9、牛顿经典力学理论系统的思考、牛顿经典力学理论系统的思考2022-12-2113（1）牛顿第一定律是其他原理的前提和基础牛顿第一定律是其他原理的前提和基础 有了力的有了力的定性定义，才会有定量定义定性定义，才会有定量定义牛顿第二定律牛顿第二定律首次批驳了亚里士多德首次批驳了亚里士多德:力是维持运动的原因的错误观点力是维持运动的原因的错误观点第一次科学地给出了第一次科学地给出了力的定性定义力的定性定义力的本质和力的效果力的本质和力的效果 第一次提出了经典力学的几个基本概念第一次提出了经典力学的几个基本概念惯性参照系、惯性参照系、力的含义力的含义 （定性定义）、惯性及惯性运动（定性
12、定义）、惯性及惯性运动惯性运动惯性运动回答了，如果物体回答了，如果物体“不受力不受力”，其动力学规律，其动力学规律 经典留学的全部规律都是建立在经典留学的全部规律都是建立在“惯性惯性”参照系基础之上参照系基础之上的的10、牛顿第一定律在经典力学理论系统中的重要地位、牛顿第一定律在经典力学理论系统中的重要地位2022-12-2114 有了力的有了力的完整定义，才会完善力本身的规律完整定义，才会完善力本身的规律摩擦定律摩擦定律牛顿三定律牛顿三定律力的叠加原理力的叠加原理万有引力定律万有引力定律胡克定律胡克定律交流与讨论：交流与讨论：如果牛顿三定律只保留一个如果牛顿三定律只保留一个,你认为应当保留哪
13、一个？你认为应当保留哪一个？2022-12-2115（2）牛顿第一定律不是牛顿第二定律的特例牛顿第一定律不是牛顿第二定律的特例受力受力作用下物体的运动规律不能包括作用下物体的运动规律不能包括不不受力受力作用下物体作用下物体 的运动规律的运动规律牛顿第二定律是建立在物体牛顿第二定律是建立在物体“受力受力”的真实实验基础上的真实实验基础上 的，因此不能逻辑的推断出的，因此不能逻辑的推断出F 0的理想极限情况的理想极限情况牛顿第一定律引入的基本概念为牛顿第一定律引入的基本概念为牛顿第二定律的建立奠牛顿第二定律的建立奠 定了基础定了基础合力为零合力为零 F=0，不是不，不是不受力；虽然受力；虽然 a=
14、0，但不是但不是第一定第一定 律的惯性运动律的惯性运动2022-12-2116 在经典力学范围之外，在经典力学范围之外，牛顿第二定律及某些力的概牛顿第二定律及某些力的概念不再有效，但牛顿第一定律推广表述：念不再有效，但牛顿第一定律推广表述：“一个不受外一个不受外界作用的孤立体现保持原来的运动状态界作用的孤立体现保持原来的运动状态”仍然有效！仍然有效！惯性系概念惯性系概念使牛顿第二定律成立的参照系使牛顿第二定律成立的参照系质点概念质点概念是牛顿第二定律的物质客体模型是牛顿第二定律的物质客体模型力的定性定义力的定性定义是牛顿第二定律进一步定量是牛顿第二定律进一步定量定义力的基础定义力的基础惯性概念
15、惯性概念是牛顿第二定律进一步定义惯性是牛顿第二定律进一步定义惯性大小：惯性质量的基础大小：惯性质量的基础牛顿第一定律引入的基本概念为牛顿第一定律引入的基本概念为牛顿第二定律牛顿第二定律 的建立奠定了基础的建立奠定了基础2022-12-2117（3）牛顿第一定律的实验验证牛顿第一定律的实验验证不能用不能用实验直接验证实验直接验证不不受力的实验只能是理想实验受力的实验只能是理想实验“惯性运动惯性运动”与与“不受力不受力”是循环论是循环论证证“惯性运动惯性运动”与与“惯性系惯性系”也是循环也是循环论证论证验证的方法是反复实验的间接论证验证的方法是反复实验的间接论证 逻辑推论是间接的辅助论证方法逻辑推
16、论是间接的辅助论证方法2022-12-211811、牛顿第二定律在经典力学理论系统中的重要地位、牛顿第二定律在经典力学理论系统中的重要地位（1）牛顿第二定律的建立）牛顿第二定律的建立 有了力的定性定义，才会有定量定义有了力的定性定义，才会有定量定义 牛顿第二定律牛顿第二定律F，m，a都已经定义；都已经定义；对于标准物体（质点），人为规定：对于标准物体（质点），人为规定：aF对于任意物体，通过测量：对于任意物体，通过测量：aF对于力的方向，人为规定：对于力的方向，人为规定：aF对于任意物体，固定外力，人为规定：对于任意物体，固定外力，人为规定：a1/m最后得最后得mFka单位问题单位问题2022
17、-12-2119（2）牛顿第二定律定义牛顿第二定律定义“力力”和和“质量质量”不不妥当妥当 只是定量定义，不满足只是定量定义，不满足“定义定义”的完备性要求。的完备性要求。不妥当是指：不妥当是指：F=ma；m=F/a；颠倒了因果关系；颠倒了因果关系；力和质量是基本概念（经典力学）力和质量是基本概念（经典力学）如此定义，则力和质量变成了导出概念如此定义，则力和质量变成了导出概念变成循环论证变成循环论证注意：注意：在国际单位制中，虽然力是导出量，但是，在国际单位制中，虽然力是导出量，但是，力在经典力学中基本概念地位是不变的。力在经典力学中基本概念地位是不变的。（3）牛顿第二定律实验检验）牛顿第二定
18、律实验检验科学思维上，取决于科学思维上，取决于“力力”和和“质量质量”如何定义如何定义科学方法上，可以采用科学方法上，可以采用“控制变量法控制变量法”直接验证直接验证2022-12-212012、重力概念的分析重力概念的分析（1）重力概念的两种不同的定义）重力概念的两种不同的定义第一种定义第一种定义定性定义：重力是地球与其表面附近物体之间的万有引力定性定义：重力是地球与其表面附近物体之间的万有引力定量定义：定量定义：eeRMGgmgP;其方向指向地心其方向指向地心关于视在重力：关于视在重力：惯fPP其方向其方向不是不是指向地心指向地心22coseRmPP 没有考虑地球的自转效应。没有考虑地球的
19、自转效应。或者认为地球是惯性参照系。或者认为地球是惯性参照系。考虑地球的自转效应。考虑地球的自转效应。2022-12-2121认为地球是惯性参照系或者是惯性参照系对重力的描述认为地球是惯性参照系或者是惯性参照系对重力的描述2022-12-2122第二种定义第二种定义定性定义：重力是物体所受万有引力与惯性离心力的合力定性定义：重力是物体所受万有引力与惯性离心力的合力 定量定义：物体相对于地球静止时，重力是水平秤盘支撑定量定义：物体相对于地球静止时，重力是水平秤盘支撑力力N（或悬线拉力（或悬线拉力T）的平衡力。）的平衡力。即，其大小为：即，其大小为：P=N=T ；或者由牛顿第二定律：或者由牛顿第二
20、定律：P=ma惯fPP其方向其方向不是不是指向地心指向地心 考虑地球的自转效应考虑地球的自转效应 即认为地球是惯性参照系即认为地球是惯性参照系。说明：两种定义属于各自的人为规定，说明：两种定义属于各自的人为规定，没有谁对谁错的问题。没有谁对谁错的问题。国际计量大会已经决定，废弃国际计量大会已经决定，废弃“重量重量”2022-12-212313、机械波能量的讨论机械波能量的讨论（1）波动波动 机械振动能量的传播机械振动能量的传播平面简谐波表达式平面简谐波表达式此此质元的振动动能质元的振动动能振动质元的振动速度振动质元的振动速度)(cosuxtAy)(sinuxtAtyv221VvWk)(sin2
21、1222uxtAVW2022-12-2124此质元的弹性形变此质元的弹性形变此此质元的弹性势能质元的弹性势能)(sinuxtuAtyVxyEWp2)(21VuxtAuE)(sin212222)(sin21222uxtVAWp2)(21llVEWp/2Eu 2022-12-2125（2）简谐波的动能与势能同相（同步）变化简谐波的动能与势能同相（同步）变化)(sin21222uxtAVWk)(sin21222uxtVAWp介质的线变介质的线变产生纵波产生纵波 纵波内介质质元的线变纵波内介质质元的线变 波的平衡位置，形变最大、速度最大波的平衡位置，形变最大、速度最大2022-12-2126（2）简谐
22、波的动能与势能同相（同步）变化简谐波的动能与势能同相（同步）变化)(sin21222uxtAVWk)(sin21222uxtVAWp介质的切变介质的切变产生横波产生横波 横波内介质质元的线变横波内介质质元的线变 波的平衡位置，形变最大、速度最大波的平衡位置，形变最大、速度最大2022-12-212714、经典力学理论的适用范围、经典力学理论的适用范围（1）研究对象）研究对象“宏观宏观”物质中的物质中的“实物实物”，“机械运机械运动动”（2）运动状态）运动状态低速运动（低速运动（vc）（4）牛顿第三定律对适用范围的特殊要求牛顿第三定律对适用范围的特殊要求“实物实物”实物实物质点、质点组质点、质点
23、组不包括不包括“场场”“机械运动机械运动”最简单、最基本的运动形式最简单、最基本的运动形式“宏观宏观”经典决定论经典决定论m101057（3）参照系）参照系惯性系惯性系(弱引力场条件弱引力场条件)接触接触实物物接触或体相距足够近实物物接触或体相距足够近近距离近距离超星系爆炸超星系爆炸:作用力与反作用力的先后问题作用力与反作用力的先后问题低速低速远离速度足够慢远离速度足够慢（5）牛顿第二定律的适用条件牛顿第二定律的适用条件宏观、低速条件宏观、低速条件惯性系条件惯性系条件质点条件质点条件2022-12-2128如何构建适合科学思维又有利于科学方法的普通物理学体系？如何构建适合科学思维又有利于科学方
24、法的普通物理学体系？END-6参考书目参考书目1、漆安慎、漆安慎 杜婵英杜婵英 力学力学高等教育出版社高等教育出版社 2、赵凯华、赵凯华 罗蔚茵罗蔚茵力学力学高等教育出版社高等教育出版社3、普通物理教学手册普通物理教学手册 北京师范大学出版社北京师范大学出版社4、李椿李椿热学热学人民教育出版社人民教育出版社 秦允豪秦允豪 热学热学高等教育出版社高等教育出版社5、梁灿彬、梁灿彬电磁学电磁学高等教育出版社高等教育出版社6、贾启民等、贾启民等电磁学电磁学高等教育出版社高等教育出版社7、张三惠、张三惠大学物理学大学物理学清华大学出版社清华大学出版社8、高文琪、高文琪光学光学南京大学出版社南京大学出版社 9、姚启均等姚启均等 光学光学；王楚等王楚等 光学光学；章志鸣等章志鸣等 光学光学；高等教育出版社；高等教育出版社10、褚圣麟、褚圣麟原子物理学原子物理学人民教育出版社人民教育出版社 11、美美F瑞夫瑞夫 伯克利物理学教程伯克利物理学教程科学出版社科学出版社 问题与讨论问题与讨论
