大学基础物理学大学基础物理学

绪 论绪 论一一 .. 什么是物理学？什么是物理学？

物理学 (Physics)物理学 (Physics)

物 质 结 构 物质相互作用 物质运动规律

Physics

物理学是研究自然界基本规律的科学。物理学是研究自然界基本规律的科学。

1.1. 物理学研究的范围：物理学研究的范围：

★ 空间尺度 ( 跨度 1045 － 1046)

10102626 m( 宇宙 )—1010 －－ 2020 m( 夸克 )★ 时间尺度 ( 跨度 1045)

10101818s( 宇宙年龄 )—1010-27-27s( 硬射线周期 )

★ 速率范围

00( 静止 )—33101088 m/s( 光速 )

E15

E12

E09

E06

E03

1mE+03

E+06

E+09

E+12

E+15

E+18

E+21

E+24

最小 的细胞

原子

原子核

基本粒子

DNA 长度

星系团

银河系

最近恒　星的距离

太阳系

太阳山

哈勃半径

超星系团

人

10 － 15

10 － 12

10 － 9

10 － 6

10 － 3

1m 103 106109

1012

1015

1018

1021

1024

1027

蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次

★ 经典力学（经典力学（ Classical Mechanics ）） 研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律

★ 热力学 （热力学 （ Thermodynamics ）） 研究物质热运动的统计规律及其宏观表现

★ 电磁学 （电磁学 （ Electromagnetism ）） 研究电磁现象、物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律

★ 相对论 相对论 （（ Relativity ））研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律

2.2. 物理学的分类物理学的分类

★ 量子力学 量子力学 （（ Quantum Mechanics ）） 研究微观物质运动现象以及基本运动规律

二、为什么要学习物理学二、为什么要学习物理学？？

地球物理学

生物物理学

天体物理学

宇宙射线物理学

物理学交叉学科物理学交叉学科

数学、天文学、化学、生物学等等

1.1. 物理学是自然科学的带头学科物理学是自然科学的带头学科

2.2. 物理学是现代技术革命的先导物理学是现代技术革命的先导雷震子肋长双翅翱翔长空

土行孙缩身入土日行千里

哼哈二将发射白光杀人制胜

千里眼顺风耳探事千里之外

——

《封神演义》

激光器的产生

层析成像技术 (CT)

超导电子技术

X 射线的发现

受激辐射理论

低温超导微观理论

3.3. 物理学是科学的世界观和方法论的基物理学是科学的世界观和方法论的基础 础

★ 创造性思维方法：理想化方法创造性思维方法：理想化方法 物理类比物理类比 物理假说物理假说

★ 逻辑思维方法：分析—综合法逻辑思维方法：分析—综合法 归纳—演绎法归纳—演绎法

三三 .. 怎样学习物理学怎样学习物理学？？

6. 6. 认真完成作业。（规范、及时、独立完成）认真完成作业。（规范、及时、独立完成）

5. 5. 掌握预习、做笔记、查阅参考资料、复习总结等学掌握预习、做笔记、查阅参考资料、复习总结等学习技巧。 习技巧。

4. 4. 重视数学知识和技巧应用。（矢量与微积重视数学知识和技巧应用。（矢量与微积分）分）

3. 3. 掌握教材结构，用类比等方法学习或记忆。 掌握教材结构，用类比等方法学习或记忆。

2. 2. 学习物理学中研究和解决问题一套独特的方法。学习物理学中研究和解决问题一套独特的方法。

1. 1. 重视每个概念的引入、定义、方向、大 小和单位；重视每个概念的引入、定义、方向、大 小和单位；规律的文字表述、数学表达式、适用范围和条件。规律的文字表述、数学表达式、适用范围和条件。

内 容 学 时

第 5 章 流体力学（ 5.1 － 5.3 ） 4 第 6 章 多粒子体系统计理论初步 6 第 7 章 热物理学基础 8 第 8 章 输运过程与相变（ 8.1 － 8.2 ） 1

第 9 章 静电场 8 第 10 章 稳恒电场 电动势（ 10.3 －10.5 ） 1

第 11 章 恒定磁场 4 第 12 章 交变电磁场（ 12.1 － 12.5 ） 4

第 13 章 光的波动性（ 13.1 － 13.8 ） 8

第 15 章 量子力学初步（ 15.1 ） 2

四四 .. 教学计划教学计划

流体力学流体力学 实验： 用漏斗吹小球实验： 用漏斗吹小球

流体佯谬流体佯谬

流体力学流体力学一一 .. 研究对象 研究对象

流体静止和运动的力学规律，及其和相邻流体静止和运动的力学规律，及其和相邻物体间的作用。物体间的作用。

二二 .. 研究内容研究内容

①①流动性流动性 ② ②可压缩性可压缩性 ③ ③粘滞性粘滞性

流体：具有流动性的连续介质，是液体与流体：具有流动性的连续介质，是液体与气体的总称。气体的总称。

一一 .. 基本概念基本概念

§1.§1. 理想流体的定常流动理想流体的定常流动

与匀速流动（流体内空间各点流速相与匀速流动（流体内空间各点流速相同）相区别。同）相区别。

流体流动不随时间变化。流体流动不随时间变化。

2.2. 定常流动（稳定流动）定常流动（稳定流动）

不可压缩不可压缩，，无粘滞性无粘滞性，突出流动性特征。，突出流动性特征。

———— 理想模型理想模型1.1. 理想流体理想流体

3.3.流线——假想曲线 流线——假想曲线

4.4.流管：流线组成的管道。流管：流线组成的管道。

定常流动的流线是否随时间变化？流线能否相交？

流速大小流速大小： 流线疏密： 流线疏密

流速方向流速方向： 流线切线： 流线切线

二二 ..连续性原理 连续性原理

1

1 1 1

t

S

V S v t

时间内，流过截面 的体积： ；

1 2 1 1 2 2V V S v S v 由不可压缩性： ，可得

Sv 恒量

v1

v2

2S流过截面 的体积：

2 2 2V S v t

给出流体截面积截面积与速度速度的关系

（对理想流体适用）

体积流量：体积流量： QQVV =Sv =Sv ＝常量＝常量 称为体积流量守恒方程。称为体积流量守恒方程。

质量流量：质量流量： QQm m =ρSv =ρSv ＝常量＝常量 称为质量流量守恒方程。称为质量流量守恒方程。三三 ..伯努利方程伯努利方程 讨论流体各处高度，讨论流体各处高度，流速和压强的关系 流速和压强的关系

v2

p1

p1

v1

1.1. 导出：由功能原理导出导出：由功能原理导出

1 2

1 2

( )

( )

外W P P V

mP P

2 1E E E 流动前后的能量差：

2 2

2 2 1 1

1 1( ) ( )

2 2mgh mv mgh mv

1 2V V V

2 2

2 2 1 1

1 1( ) ( )

2 2gh v m gh v m

a

a’’

b

b’’

1 1 1 1 1 1压力功：W Ps v t P V

2 2 2 2 2 2W Ps v t P V

2 1外 内非由功能原理:W W E E 0

内非W

2 2

1 2 2 2 1 1

1 1

2 2

mP P v gh m v gh m

（ ） （ ） （ ）

2 2

1 2 2 2 1 1

1 1( ) ( )2 2

P P v gh v gh

2 2

1 1 1 2 2 2

1 1

2 2P v gh P v gh

21

2恒量P v gh

c.伯努利方程中的两个位置点可用在同一流线上。

注意：

1 2.d h h与 为相对某一参考平面的高度。

b.伯努利方程实质是能量守恒方程。

a.成立条件：理想流体的定常流动。

21

2恒量P v gh Sv 恒量

2.2. 应用：应用：（（ 11 ）空吸现象）空吸现象

0P P

v P

P

P0

21

2P v gh 恒量

Sv 恒量

S

（（ 22 ）小孔流速 见）小孔流速 见 P165P165 例例 5.15.1 ：：AB取流线

2

2

1

21

2

A A A

B B B

p v gh

p v gh

00

A B A

A B

p p p v

h h h

2Bv gh

B

A

（（ 33 ）流速计 ）流速计 (( 比多管）见比多管）见 P166P166 例例 5.3 5.3 ：：

0,Av 由伯努利方程得 21

2A B BP P v

2( ) 22A B

B

P P g hv g h

⊿⊿hh ⊿⊿h+dh+d

BB AA

取流线 AB2

2

1

21

2

A A A

B B B

p v gh

p v gh

由伯努利方程

2 2

1 1 2 2

1 1

2 2p v p v

由连续性方程

1 1 2 2s v s v

联立可得：

1 2 2 2

1 2

2

( )

g pQ sv s s

s s

（（ 44 ）流量计（汾丘里管） ）流量计（汾丘里管）

§2. §2. 粘滞流体粘滞流体

流速较小

流速较大

一一 ..流动形态 流动形态 1. 雷诺实验

层流

湍流

2.2. 层流与湍流 层流与湍流

e

vrR

实验表明层流与湍流决定于液体、管径、流速。3. 雷诺数 Re——判断流动形态

密度密度 流速流速

管径管径

粘滞系数粘滞系数

层流：分层流动，流层不混合。湍流：流速出现横向分量，流层相混。

临界雷诺数 Rec:由层流向湍流过渡的雷诺数。

湍流的学说：

1.湍流的运动是瞬息万变、捉摸不透的，其形成完全 是偶然的、随机的，湍流在每一点上的速度极不规则，极度混乱。要准确描述，就必须知道所有的初始条件，而这又是不现实的，也是不可能的，这完全类似于企图借助力学方程来研究宏观物体的所有分子的运动。因此，只能用统计的方法研究湍流在一段充分长时间 内的运动（此时，初始条件将不起作用）。所以，湍流的理论应具有统计的性质。

2.湍流的紊乱中必存在基本秩序，湍流在原理上是可以知道的。物理学家哈洛认为：湍流的基本形式是小涡

流，或是涡流，湍流中有千百个旋涡，任何一个单独的小旋涡均与其他的旋涡有关，湍流的这些特性可用非线性方程描述。

我国著名科学家周培源等人就是从湍流的旋涡结构入手，找到了组成最简单的湍流运动——均匀各向同性流——湍流圆涡流，并获得了与实践相符合的湍流衰变规律和湍流微尺度的扩散规律。

虽然人们早就注意到了湍流现象，并提出了各种观点和理论，有些还解决了局部的、简化的问题，但至今还无一个完满的、有说服力的湍流理论。湍流问题被认为是流体力学中最根本也是最困难的问题。

二二 ..粘滞阻力 （ 仅讨论层流情况）粘滞阻力 （ 仅讨论层流情况）

1.1. 速度分布与速度梯度速度分布与速度梯度

B板匀速运动，液体的速度分布：

B

A

v

液体在管道中的速度分布

:速度梯度dv

dz

Z

表示各层流速的变化情况，一般为 Z 的函数。

2.2.粘滞阻力（内摩擦力）粘滞阻力（内摩擦力）

0( )zdv

f sdz

T 液体： T 气体：

粘滞系数粘滞系数 流速梯度流速梯度

接触面积接触面积

流速变化越快，粘滞系数越大，流层接触面流速变化越快，粘滞系数越大，流层接触面积越大，则粘滞阻力越大，不易流动。积越大，则粘滞阻力越大，不易流动。

1.1.粘滞系数与温度有关。粘滞系数与温度有关。

液体——分子引力 气体——分子碰撞

2. 2. 与接触面积有关，区别于固体间摩擦力。与接触面积有关，区别于固体间摩擦力。

1.1.泊肃叶公式—— 流量方程泊肃叶公式—— 流量方程

41 2( )8V

p pQ R

2

1 28VQ R

v p ps

（ ）

条件：圆形管道，水平放置，稳定流动管道两端压强差管道两端压强差

管道半径管道半径

管道长度管道长度粘滞系数粘滞系数

2.2.平均流速平均流速

三三 ..流动规律流动规律

四四 ..斯托克斯阻力定律 斯托克斯阻力定律

讨论球状物体在粘滞液体中的运动情况。

小球所受粘滞阻力：粘滞系数粘滞系数

小球半径小球半径 小球速度小球速度

受力分析受力分析 3 30

4 46

3 3rv g r r g

202 ( )

9

r gv

6F rv

极限速率极限速率

直径为微米的红血球可直接在重力场中沉降，而直径小于微米的蛋白质、 病毒分子则无法在重力场中沉降。

2 30

4( )

3f R r 浮

用高速离心机高速离心机加速微粒的沉降速率，分离微粒。

6F rv

2 3 2 30

4 4( ) 6 ( )

3 3R r rv R r

2202 ( )

9

rv R

2

02 ( )

9

r gv

自然之迷：自然之迷： 鄱阳湖的“魔鬼三角” 这是江西鄱阳湖的北湖区被称为“老爷庙”的水域。“魔鬼三角”水域发生的 灾难是惊心动魄的。 1945 年 4月 16 日，一 艘日本运 输巨轮“神户号”驶到老爷庙水域，突然无声无息的沉入水中，船上 200多人无一生还。其后，日本 海军曾派人潜入湖中侦察，下水的人除一人返回外，其 他人均神秘失踪。返岸者脱下潜水服后，神情恐惧，接着就精神失常了。

抗战胜利后，美国的爱德华 波尔一行人 来到鄱阳湖，经数月打捞仍一无所获，几名美国潜水队员也相继失踪。 40 年过去了，爱德华 波尔终于向世人首次披露了他在鄱阳湖底摄人魂魄的经过。他写到：“几天

内，我和三个伙伴在几公里的 水域搜寻神户号，没发现一点踪影，庞然大物究竟在哪里？ 正当我们沿着湖底继续向西北方向寻去时，忽然不远处闪出一道耀眼的白光， 飞快的向我射来。顿时平静的湖底出现了剧烈的震动，耳 边呼啸如雷的 巨声隆隆滚来。白光 在鄱阳湖底滚动，我的三个伙伴随着白光的 吸引力翻滚而去，我挣扎出水面，我的同伴下落不明…… 这里为 何多灾多难？前些年江西省政府组成以气象工作者为主的考察队进行考 察，经过近两年的设点观测，取得 20多万个原始数据，进行分析 后初步揭开了这个“魔鬼三角”之迷”。“老爷庙”水域位于鄱阳湖的咽喉要道，水域好似一个喇叭口，每当冷气南下，盛吹偏北风时， 由于“狭管效应”，使湖面风速 巨增，春夏季节，天气变化较剧烈复杂，湖岸地带每年

此外， 这里水文情况复杂，许多江河支流的强大水流在这里交 汇，有五大江河必经这里注入长 江，由于这里是 狭窄的咽喉要道，同样造成水流的“狭管效应”，使流速增大，水流紊乱并产生漩涡。

都会出现破坏力极强的龙卷风。 如 1985 年 8月 3 日 6时，在水域的西南方湖面出现一次龙卷风， 把一条小船卷起十多米高，摔成碎片，把另一条船从湖边卷到了围堤外边。

由此可见，“老爷庙”水域的地理环境、天气和气侯特点及复杂的水文状况是这里频频发生 灾难的主要原因。

不过，“魔鬼三角”还出现过一连窜神秘现象，如黑夜里湖上会闪烁硕大的荧光圈，附近的井里会发出奇怪的声响以及那湖底的“白光 ”等等，仍令人不解。科学家们已决心借助激光、远红外线、 卫星遥感等高科技手段，彻底揭开“魔鬼三角”之迷。

摘自《读者周末报》

水往高处流 在新疆大漠深处克孜勒苏自治州乌恰，距县城 190公里处有一条名叫什克的小河。这条小河呈南北走向，眼见小河从上游的低洼之处沿着山坡象蛇一样逶逶向上流行， 最后竟爬上一个十几米的小山包。河流在山包上转了两个弯，然后在山包的另一侧又顺着山坡向下流去。驻守这个山包的战士天天用此水烧水、煮饭、洗衣、浇地，只是弄不清这河水为何往高处流。测绘人员曾专程来这里实地考察证实山包确实高出地面 14.8米。有不少地理、地质学家亲临实地考察，也未得出科学的解释。

评说：水往低处流是由万有引力定律所决定的并已为千百次的事实所证实，违反万有引力定律的事件是不可想象的。因此，对此类传闻姑且听之， 切不可轻信。