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书名:大学物理pdf/doc/txt格式电子书下载

推荐语:

作者:杨国平,李敏

出版社:人民邮电出版社有限公司

出版时间:2015-02-01

书籍编号:30625620

ISBN:9787115355508

正文语种:中文

字数:209738

版次:1

所属分类:教材教辅-大学

全书内容:

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35550-00-002-01.jpg





















内容提要


本书根据高等院校非物理类专业大学物理课程教学的基本要求,结合作者历年来的教学经验编写而成。


全书内容包括力学、热学、电磁学、机械振动和机械波、波动光学及近代物理,共19章。作为非物理专业的大学物理教材,本书一方面注重了基础性,另一方面又在此基础上联系实际,针对不同专业学生强化了内容的层次性。


本书可作为普通高校非物理专业和医学院校本科生学习大学物理的教材,也可作为物理学爱好者阅读的参考资料。

前言


物理学(φυσικη)一词最早源于希腊文(υσιξ),意为自然,其现代内涵是指研究物质运动最一般规律及物质基本结构的科学。


从古代的“四大发明”到近代的工业革命,再到现在的信息时代,无一不闪烁着物理学的璀璨光芒。


“大学物理”是非物理类专业的一门主要基础理论课,主要任务是研究物质运动最基本、最普遍的规律。通过对本课程的学习,学生能够掌握物理学的基本理论和基本知识,深刻理解物理规律的意义,并能训练其逻辑思维能力、理解能力、运算能力、分析问题和解决问题的能力以及独立钻研的能力。


本教材是根据国家教育部《高等学校非物理专业物理课程教学基本要求》,结合编者对大学物理的讲授经验,并充分考虑了现代大学非物理专业学生的实际情况编写而成的。本书可作为普通高校非物理专业和医学院校大学物理课程的教材,也可作为物理学爱好者自学的指导用书。本书特点如下。


(1)注重基础性。针对大学非物理专业学生在物理学习中“内容多而课时量少”的特点,对物理概念进行了重新审视和提炼,并精选了内容。对基本现象、基本概念和基本原理的阐述做到了深入浅出,增加了典型例题,力争使学生对所学内容一目了然。


(2)注重结合实际。编者针对以往大学物理只注重讲授理论而忽视和生活相结合而导致学生学习积极性不高的缺点,在本书中加入了一系列实例,并配以插图,力争生动形象、理论结合实际,体现理论的基础作用,并提高学生学习物理的积极性。


(3)注重层次性。为贯彻“因材施教”的原则,针对不同专业学生学习物理的基础及水平,本书收集了不同难度的内容和习题,其中难度较大的标以“*”号,作为选讲和自学内容。


本教材共分为力学、热学、电磁学、机械振动和机械波、波动光学和近代物理6个模块,适合51~70时数的教学。


由于编者水平有限,书中难免存在疏漏之处,敬请读者批评指正。


编者
2014年3月

模块1 力学


第1章 质点运动学


学习物理学应当遵守一定的规律,找出各物体内在的共同特征,然后由简到繁,推广到千差万别的物质世界中。因此,我们先从最简单的质点学起。


1.1 质点 参考系 运动方程


自然界一切物体都处于永恒运动中,绝对静止不动的物体是不存在的。机械运动是最简单的一种运动,是描述物体相对位置或自身各部分的相对位置发生变化的运动。为了方便研究物体的机械运动,我们需要将自然界中千差万别的运动进行合理的简化,抓住主要特征加以研究。


1.1.1 质点


一切物体都是具有大小、形状、质量和内部结构的物质形态。这些物质形态对于研究物体的运动状态影响很大。简单起见,我们引进质点这一概念。所谓质点,是指具有一定质量没有大小或形状的理想物体。质点是一种理想模型。


并不是所有物体都可以当作质点,质点是相对的,有条件的。只有当物体的大小和形状对运动没有影响或影响可以忽略时,物体才可以当作质点来处理。例如,当研究地球围绕太阳公转时,由于日地之间的距离(1.5×108km)要比地球的平均半径(6.4×103km)大得多,此时地球上各点的公转速度相差很小,忽略自身尺寸的影响,地球可以作为质点处理,如图1-1所示。

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图1-1 公转的地球可以当作质点

但是,当研究地球自转时,由于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,此时,地球不能作为质点处理,如图1-2所示。但可把地球无限分割为极小的质元,每个质元都可视为质点,地球的自转就成为无限个质点(即质点系)运动的总和。做平动的物体,不论大小、形状如何,其体内任一点的位移、速度和加速度都相同,可以用其质心这个点的运动来概括,即物体的平动可视为质点的运动。所以,物体是否被视为质点,完全取决于所研究问题的性质。

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图1-2 自转的地球不可以当作质点

1.1.2 参考系和坐标系


自然界中绝对静止的物体是不存在的,大到星系,小到原子、电子,都处在永恒运动之中。因此,要描述一个物体的机械运动,必须选择另外一个物体或者物体系作为参考,被选作参考的物体称为参考系。参考系的选取是任意的。如果物体相对于参考系的位置在变化,则表明物体相对于该参考系运动;如果物体相对于参考系的位置不变,则表明物体相对于该参考系是静止的。同一物体相对于不同的参考系,运动状态可以不同。研究和描述物体运动,只有在选定参考系后才能进行。在运动学中,参考系的选择可以是任意的。但如何选择参考系,必须从具体情况来考虑,主要看问题的性质及研究是否方便而定。例如,一个星际火箭在刚发射时,主要研究它相对于地面的运动,所以把地球选作参照物。但是,当火箭进入绕太阳运行的轨道时,为研究方便,便将太阳选作参考系。研究物体在地面上的运动,选地球作参考系最方便。例如,观察坐在飞机里的乘客,若以飞机为参考系来看,乘客是静止的;以地面为参考系来看,乘客是在运动。因此,选择参考系是研究问题的关键之一。


建立参考系后,为了定量地描述运动物体相对于参考系的位置,我们还需要运用数学手段,在参考系上建立合适的坐标系。直角坐标和极坐标是最常用的两种坐标形式。


应当指出,对物体运动的描述决定于参考系而不是坐标系参考系选定后,选用不同的坐标系对运动的描述是相同的


1.1.3 运动方程


在一个选定的参考系中,运动质点的位置Pxyz)是随着时间t而变化的,也就是说,质点位置是时间t的函数。这个函数可以表示为


x=xt),y=yt),z=zt


上式叫做质点的运动方程。知道了运动方程,我们就可以确定任意时刻质点的位置,从而确定质点的运动。例如,斜抛运动表示为

35550-00-014-01.jpg

从质点的运动方程中消去t,便会得到质点的轨迹方程。轨迹是直线的,就叫做直线运动;轨迹是曲线的,就叫做曲线运动。


1.1.4 时间和时刻


一个过程对应的时间间隔称为时间;而某个时间点,即某个瞬间称为时刻。例如,两个时刻t2t1之差Δt=t2-t1是时间。


1.2 位移 速度 加速度


描述机械运动,不仅要有能反映物体位置变化的物理量,也要有反映物体位置变化快慢的物理量。下面一一介绍。


1.2.1 位矢

35550-00-015-07.jpg

图1-3 位矢

在坐标系中,用来确定质点所在位置的矢量,叫做位置矢量,简称位矢。位矢为从坐标原点指向质点所在位置的有向线段,用矢量35550-00-015-01.jpg表示,以直角坐标为例,35550-00-015-02.jpg。设某时刻质点所在位置的坐标为(xyz),则xyz分别为35550-00-015-03.jpg沿着3个坐标轴的分量,如图1-3所示。

35550-00-015-04.jpg

位矢的大小可由关系式35550-00-015-05.jpg得到。位矢在各坐标轴的方向余弦是

35550-00-015-06.jpg

1.2.2 位移


设在直角坐标系中,AB为质点运动轨迹上任意两点。t1时刻,质点位于A点,t2时刻,质点位于B点,则在时间Δt=t2-t1内,质点位矢的长度和方向都发生了变化,质点位置的变化可用从AB的有向线段35550-00-015-09.jpg来表示,有向线段35550-00-015-10.jpg称为在Δt时间内质点的位移矢量,简称位移。由图1-4可以看出,35550-00-015-11.jpg,即35550-00-015-12.jpg,于是

35550-00-015-13.jpg

35550-00-015-08.jpg

图1-4 位移

应当注意:位移是表征质点位置变化的物理量,它只表示位置变化的实际效果,并非质点经历的路程。如图1-4所示,位移是有向线段35550-00-015-14.jpg,是矢量,它的量值35550-00-015-15.jpg是割线AB的长度。

35550-00-015-16.jpg

而路程是曲线AB的长度Δs,是标量。当质点经历一个闭合路径回到起点时,其位移是零,而路程不为零。只有当时间Δt趋近于零时,才可视作35550-00-015-17.jpg与Δs相等。


1.2.3 速度


若质点在Δt时间内的位移为35550-00-015-18.jpg,则定义35550-00-015-19.jpg与Δt的比值为质点在这段时间内的平均速度,写为

35550-00-015-20.jpg

其分量形式为

35550-00-015-21.jpg

由于35550-00-015-22.jpg是矢量,Δt是标量,所以平均速度35550-00-015-23.jpg也是矢量,且与35550-00-015-24.jpg方向相同。此外,把路程Δs和Δt的比值称作质点在时间Δt内的平均速率。平均速率是标量,等于质点在单位时间内通过的路程,而不考虑其运动的方向。

35550-00-015-25.jpg

图1-5 速度推导用图

如图1-5所示,当Δt→0时,P2点将向P1点无限靠拢,此时,平均速度的极限值叫做瞬时速度,简称速度,用符号“35550-00-016-01.jpg”表示,即

35550-00-016-02.jpg

速度是矢量,其方向为:Δt→0时位移35550-00-016-03.jpg的极限方向,即,沿着轨道上质点所在的切线并指向质点前进的方向。考虑到位矢35550-00-016-04.jpg在直角坐标轴上的分量大小分别为x,y,z,所以速度也可写成

35550-00-016-05.jpg

35550-00-016-06.jpg

速度的量值为

35550-00-016-07.jpg

Δt→0时,35550-00-016-08.jpg的量值35550-00-016-09.jpg可以看作和Δs相等,此时瞬时速度的大小35550-00-016-10.jpg等于质点在P1点的瞬时速率35550-00-016-11.jpg


1.2.4 加速度


由于速度是矢量,因此,无论是速度的数值大小还是方向发生变化,都代表速度发生了改变。为了表征速度的变化,引进了加速度的概念。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


如图1-6所示,t时刻,质点位于P1点,其速度为35550-00-016-12.jpg;在tt时刻,质点位于P2点,其速度为35550-00-016-13.jpg;则在时间Δt内,质点的速度增量为35550-00-016-14.jpg。定义质点在这段时间内的平均加速度为

35550-00-016-15.jpg

平均加速度也是矢量,方向与速度增量的方向相同。

35550-00-016-16.jpg

图1-6 质点的加速度

Δt→0时,平均加速度的极限值叫做瞬时加速度,简称加速度,用符号“35550-00-016-17.jpg”表示,即

35550-00-016-18.jpg

在直角坐标系中,加速度在3个坐标轴上的分量axayaz分别为

35550-00-017-01.jpg

加速度35550-00-017-02.jpg可写为

35550-00-017-03.jpg

其数值大小为

35550-00-017-04.jpg

加速度方向为:当Δt趋近于零时,速度增量的极限方向。由于速度增量的方向一般不同于速度的方向,所以加速度与速度的方向一般不同。这是因为,加速度35550-00-017-05.jpg不仅可以反映质点速度大小的变化,也可反映速度方向的变化。因此,在直线运动中,加速度和速度虽然在同一直线上,却可以有同向和反向两种情况。例如质点做直线运动时,速度和加速度之间的夹角可能是0°(速率增加时),即同向;也可能是180°(速率减小时),即反向。


从图1-7可以看出,当质点做曲线运动时,加速度的方向总是指向曲线的凹侧。如果速率是增加的,则35550-00-017-06.jpg之间呈锐角,如图1-7(a)所示;如果速率是减小的,则35550-00-017-07.jpg之间呈钝角,如图1-7(b)所示;如果速率不变,则35550-00-017-08.jpg之间呈直角,如图1-7(c)所示。

35550-00-017-09.jpg

图1-7 曲线运动中速度和加速度的方向

实际情况中,大多数质点所参与的运动并不是单一的,而是同时参与了两个或者多个运动。此时总的运动为各个独立运动的合成结果,称为运动叠加原理,或称运动的独立性原理


运动学中通常解决的问题有以下两种。


(1)已知质点的运动方程35550-00-017-10.jpg,求轨迹方程和质点的速度35550-00-017-11.jpg以及加速度35550-00-017-12.jpg


(2)已知质点运动的加速度35550-00-017-13.jpg,求其速度35550-00-017-14.jpg和运动方程35550-00-017-15.jpg


【例1-1】 已知一质点的运动方程为x=2ty=18-2t2,其中,xy以m计,t以s计。求:(1)质点的轨道方程并画出其轨道曲线;(2)质点的位置矢量;(3)质点的速度;(4)前2s内的平均速度;(5)质点的加速度。


:(1)将质点的运动方程消去时间参数t,得到质点轨道方程为35550-00-017-16.jpg,质点的轨道曲线如图1-8所示。

35550-00-017-17.jpg

图1-8 自然坐标系

(2)质点的位置矢量为


r=2ti+(18-2t2j


(3)质点的速度为


v=r=2i-4tj


(4)前2s内的平均速度为

35550-00-018-01.jpg

(5)质点的加速度为


a=-4jm·s-2


【例1-2】 一质点沿x轴正向运动,其加速度为a=kt,若采用国际单位制(SI),则式中数k的单位是什么?当t=0时,v=v0x=x0,试求质点的速度和质点的运动方程。


:因为a=kt,所以35550-00-018-02.jpg。故k的单位为35550-00-018-03.jpg


又因为,所以有dv=ktdt,做定积分

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