普通物理学教程力学第二版第1章

数量级的估计
估计某数的数量级时,常取整为一位有效数字乘以10的若 干幂次. 例如：88920 取9×104 称“数量级估计”，实际上又将 已估计的9×104 以105 代之.用10的若干次方表示的数常称为 “数量级”.
§1.6 参考系· 坐标系与时间坐标轴

任何物理过程都和时间和空间相联系.为了定量地 描述物体的运动，需要选定坐标系参考系和确定时间 坐标轴。
（三）宇宙的早期演化
“四方上下曰宇，古往今来曰宙”。古今中外均关心
宇宙时空的过去未来。按经典物理，认为自古至今天 体就照大家目前见到的这样运动,无所谓演化，或曰处 于“静态”。由于20世纪广义相对论和基本粒子物理 学的发展以及射电天文和空间技术的进步，人类对宇 宙的认识发生了巨大变革，即宇宙处于“动态”，有 他的开始、发展和演化。

标准宇宙模型的示意
6
1043 s
1035 s
10
10 s
4
s
2 3 min 10 s
辐射时代
1 6 1010 a 10 a 2
恒星星 系形成 直至现 在
强子时代
轻子时 代
1032 K
1027 K
1013 K
1010 K
3000K
2.7K
（四）非线性系统的复杂行为
中学时已经学过弹簧弹性力与其伸长量成正比， 即成线性关系。若伸长量超过一定限度，就不再是线 性而是非线性。 一旦系统出现非线性,便可能呈现复杂行为.这种 复杂行为有时会表现为规则的时空或功能有序,有时也 会表现为貌似无序的序.复杂行为不仅能发生于物理和 化学系统,也能发生于生命和社会系统.

所谓考察物体的运动,也就是考察物体的位置变动 与时间的关系.因而考察物体的运动还必须有时间的坐 标轴,坐标原点即计时起点,计时起点不一定就是物体 开始运动的时刻. “时刻”对应于时间轴上一点,时刻为 正或负表明在计时起点以后或以前.质点在某一位置必 与一定时刻相对应. “时间间隔 ”指自某一初始时刻至 终止时刻所经历的时间,它对应于时间轴上一区间.质 点位置变动总在一定时间间隔内发生。“时间”一词 有时指时间间隔,有时指时间变量.

研究卫星运 动轨道时,卫 星可视为质 点；但研究 卫星姿态控
制时，则不
能视为质点。
研究飞机的运 动轨迹时 ，飞
机可视为质点
（三）物理学的思考
物理学是一门以观察和实验为基础的学科。不少 规律是从观察和实验总结出来的。然而，许多重大理 论的发现，绝非简单的实验结果的总结。它需要直觉 和想象力、大胆的猜测和假设，引入合理的模型，深 刻的洞察力、严谨的数学处理和逻辑思维，常常是一 个曲折的历史过程。 （四）物理学理论 物理学是一门定量的科学，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达出来从 而形成完整的理论体系。牛顿《自然哲学的数学原理》 是这方面的典范和良好的开端。欧几里得《几何原本》 严谨的逻辑体系对牛顿的《原理》及尔后科学的发展 均有深远影响。

（五）物理 ·技术和经济 物理学的发展大大推动技术和社会生产力的发展。
土木工程
石油工程
水利工程
§1.3 时间和长度的测量
物理学是一门定量的学科。它通过物理量间的数 量关系刻画自然的规律。 （一） 时间的计量


一切周期运动都可用来量度时间。 目前国际通用的时间单位是秒（s）.为提高精度， 1967年国际计量大会决定采用原子的跃迁辐射作为计时标 准,并规定铯--133原子基态的两个超精细能级间跃迁相对 应的辐射的9 912 631 770个周期的持续时间作为1s. 这 样的原子标准称为原子时.

他们奠定了现代物理学基础
爱因斯坦
（二）微观世界
1898年汤姆孙发现电子和卢瑟福于1914年发现 Βιβλιοθήκη Baidu原子有带电的核并发现质子。 查德威克于1932年发现中子。 1934年汤川秀树提出核子通过交换介子结合在一起，这一思想后



来发展为共有四种基本相互作用的概念-----即引力作用、电磁相互作 用、弱相互作用和强相互作用。 1927年，狄拉克得出关于电子的方程，即狄拉克方程，他满足狭 义相对论且能解释实验中已观测到的电子自旋可取+1/2和-1/2，预言存 在正电子，并预言一切构成物质的粒子具有反粒子。 1932年安德森从宇宙射线证实正电子存在。 1933年发现负电子对的产生与湮灭，关于这项实验工作，曾借鉴 于我国物理学家赵忠尧的实验。 1930年泡利预言中微子的存在。王淦昌对如何验证其存在提出了创 造性的设想。后来有人于1953年用实验证实中微子的存在，他的方法 和王淦昌的设想有密切联系。在微观物理方面，美籍中国物理学家李 政道和杨振宁提出弱相互作用下宇称不守恒并于1957年获诺贝尔奖。 丁肇中和里希特分别独立发现了J/φ粒子，获1976年诺贝尔物理学 奖。
L为长度的量纲，M为质量的量纲， T为时间的量纲.
如： 速度的量纲 加速度的量纲 力的量纲 圆心角的量纲
dim v LT -1
dim a LT 2
dim F LMT 2
dim L0M 0T0
§1.5 数量级估计
有效数字

某一数中可靠数字称作有效数字，它的个数称作有效数字的位 数.例如：

他们为经典热力学统计物理的建立做出贡献
玻尔兹曼
19世纪和20世纪之交，物理学界的三大发现
1 伦琴发现了X射线；
2 汤姆斯发现了电子； 3 贝可勒尔发现了放射性。
物理学研究从宏观转向微观。
德国出生的爱因斯坦于1905年提出了狭义相 对论。又于1915年提出了广义相对论，建立了崭新 的时空观和引力理论，将相对性原理及对称性推 广于全部基本物理学。 物理学的 另一次革命是普朗克、爱因斯坦、 玻尔、薛定谔、海森伯和狄拉克共同建立了量子 力学。 狭义相对论、广义相对论和量子力学构造 了20世纪现代的物理学基础。在此基础上，粒子 物理学、原子核物理、原子与分子物理学、凝聚 态物理、等离子体物理、天体物理以至生物物理 学均得到迅速发展。
物质是由轻子和夸克组成.
轻子有电子、 子、 子、电子中微子、 子中微 子和 子中微子，每一种均有反粒子，共有12种. 夸克有6种味，即上夸克、下夸克、奇异夸克、 粲夸克、底夸克和顶夸克.每味又分红、蓝和绿3种色.

粒子之间有四种基本相互作用：引力相互作用、 电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用. 粒子之间 的基本相互作用是通过交换某种粒子来传递的，即基 本相互作用都是由媒介粒子传递的，这类媒介粒子统 称为规范玻色子. 电磁力以光子为媒介，弱力的媒介为Z0和W±粒 子，强子的媒介有8种颜色的胶子.
§1.4 单位制和量纲

物理学中,物理公式总是和一定的“单位制”相联 系,“单位制”就是各物理量间相互配套的一组单位. 基本单位：选定几个物理量作为基本量,人为地规定 其单位，称为基本单位制.
（一） 基本单位和导出单位



导出单位：从基本量导出的量称为导出量，其单位 是基本单位的组合，称为导出单位.
动量 kg · m/s
·· · ···
辅助单位: 平面角 单 位： rad
立体角 sr（球面度）
辅助单位可以参与导出单位，如角速率 rad/s
（三）量纲式
量纲：表示一个物理量由基本量的幂次组合的式子. 基本量选定后,导出量的量纲可由基本量的量纲的组合而得. 在国际单位制中,表示力学量A的量纲式为 dim A L p M q T r 其中 p、q、r 为量纲指数
根据同一规律写出的公式，采用的单位不同，公式 中出现的因子不同。如 s = kvt .
（二）国际单位制(SI)
基本量:长度 质量 时间 电流 温度 物质的量 光强度 单 位: m kg s A K mol cd
导出量: 速度 单 位: m/s
加速度 m/s2
力 N

§1.2 物理学科的特点
（一）物理学以实验为基础
就像其他自然科学领域一样，物理学家的任何新 思想正确与否和正确到何种程度均需由实验检验。 （二）理想模型 物理学家面临的是一个错综复杂、五彩缤纷的世 界。他们善于根据研究需要，找出其中最本质的内容， 建立“理想模型”。通过对理想模型行为的描述，揭 示自然规律。（如：力学中的质点就是一种理想模 型）。
伽利略
开普勒
牛顿
18自19世纪是物理学蓬勃发展的时期。
焦耳、迈尔、开尔文和克劳修斯奠定了描述 热现象、聚集态的热力学的基础。 玻耳兹曼和吉布斯则开辟了关于热现象、聚 集态宏观描述和微观描述间关系的统计物理学。 库仑和法拉第等人对电磁学作出了巨大贡献， 后者初步建立了电磁场的概念。 麦克斯韦建立概括各种电磁现象的举世瞩目 的麦克斯韦方程组。预言了电磁波的存在，20年 后由赫兹用实验证实。
（一）参考系和坐标系
被选作物体运动依据的物体或物体群称为参考系， 与参考系固连的三维空间称为参考空间.同一物体的运 动情况相对不同的参考系是不同的. 为了定量表示物体相对参考系的位置,可在参考系 上建立适当的坐标系.即用固定在参考空间的一组坐标 轴和用来规定一组坐标的方法.

（二）时间坐标轴
§1.7 力学——学习物理学的开始

力是泛指自然界一切物体的相互作用，而运动是 物质存在的基本形式，力学是研究物质相互作用与运 动关系的科学，自然科学的基础是物理学，而物理学 的基础正是从力学出发。
力学
没有今日的基础科学，就没有科技应用„„可以想象，我们现在的基 础科学将怎样地影响21世纪的科技文明。 ———
§1.1 发展着的力学


（一）经典物理学与现代物理学
近代物理学的诞生始于17世纪后半期。伽利略、开普勒和牛顿做 出奠基性的贡献。 1666年牛顿发现微积分的基本概念，得到了后来以他名字命名的 三大定律，可谓近代物理学的发端。 1687年（清康熙26年）牛顿发表了《自然哲学的数学原理》。
（二）长度的计量

可用物体来计量长度.如古代测量长度常以人体的 某部分作为单位和标准. 近代的测量长度单位是在法 国的米制单位发展起来的（规定为通过巴黎的自北极 至赤道的子午线的千万分之一为米）,目前在国际单位 制中长度的单位是米（m）.在1983年国际计量大会商 定以:“1m为光在真空中(1/29792458)s 时间间隔内所经 路径的长度”.
1.520
有四位有效数字
567.23
有五位有效数字
1.35cm 有三位有效数字 1.0035 有五位有效数字
0.0135m有三位有效数字 1.000cm有四位有效数字
注意：有效数字的位数与十进制单位的变换无关,即与小数点
的位置无关.用以表示小数点位置的“0”不是有效数字,当“0” 不表示为小数点位置时是有效数字.数据最后的“0”不能随便 加上,也不能随便去掉.