绪 论
1.物理学
物理学是研究物质基本结构和物质运动*一般规律的学科.作为自然科学的一门分支学科，物理学研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物质*基本的运动形式和规律.
物理学的英文“physics”一词来源于古希腊文，原有的含义是自然.从字面上看，“物”是指物质的结构和性质，“理”是指物质运动变化的道理和规律.可见物理学是揭示自然界*基本形态的科学，它研究物质的基本结构、相互作用和运动形态基本规律.
物理学是*古老的科学之一，在过去的两千多年里，物理学与哲学、化学等经常被混淆在一起，相提并论.直到16世纪科学革命之后，物理学才单独成为一门科学.物理学的理论通常是以数学的形式表达出来，由大量经过实验严格验证的物理学定律组成.
物理学研究的范围很广，涉及物质世界的各个层次.从空间尺度上看，小到原子、原子核、基本粒子、DNA长度、*小的细胞，大到哈勃半径、星系团、银河系、恒星的距离、太阳系、超星系团等；从时间尺度上看，短到基本粒子的寿命10-25 s，长到宇宙的寿命10-18s都属于物理学研究的范围.
2.物理学的框架
大体上说来，整个物理学的框架结构由两大部分组成：一部分是经典物理学(以牛顿力学、麦克斯韦电磁场理论以及热力学与统计物理为主要基础而构成)；另一部分是近代物理学(以爱因斯坦相对论以及量子力学为主要基础而构成).从物理学的发展进程来看，它们代表着两个重大的里程碑.从经典物理学到近代物理学，是人们对物质运动认识上的一次大的飞跃.具体地说，物理学的重大基础理论可分为下列5大门类.
(1)力学(牛顿力学或经典力学)：研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律.
(2)统计物理和热力学：研究物质热运动的统计规律及其宏观表现.
(3)电磁学：研究电磁现象，物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律.
(4)相对论：研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律.
(5)量子力学：研究微观物质运动现象以及基本运动规律.
3.物理学的研究领域
随着物理学的不断发展，各门学科的研究分工也越来越细，从研究领域上看，物理学的研究领域可分为下列4大方面.
(1)凝聚态物理：研究物质宏观性质，这些物相内包含极大数目的组元，且组员间相互作用极强.*熟悉的凝聚态相是固体和液体，它们由原子间的键和电磁力所形成.更多的凝聚态相包括超流和玻色-爱因斯坦凝聚态(在温度极低时，某些原子系统内发现)；某些材料中导电电子呈现的超导相；原子点阵中出现的铁磁和反铁磁相.凝聚态物理一直是*大的一个研究领域.历史上它是由固体物理衍生出来的，并于1967年由菲利普 安德森*早提出.
(2)原子、分子和光学物理：研究原子尺寸或几个原子结构范围内，物质-物质和光-物质的相互作用.这三个领域密切相关.因为它们使用类似的研究方法和相关的能量标度.它们都包括经典和量子的处理方法，都是从微观的角度处理问题.原子物理处理原子的壳层，集中在原子和离子的量子控制、冷却和诱捕，低温碰撞动力学，准确测量基本常数，电子在结构动力学方面的集体效应.原子物理受核的影响，但如核分裂、核合成等核内部现象则属于高能物理.分子物理集中在多原子结构以及它们内外部和物质及光的相互作用，这里的光学物理只研究光的基本特性及光与物质在微观领域的相互作用.
(3)高能物理与粒子物理：粒子物理研究物质和能量的基本组元及它们间的相互作用，也可称为高能物理.因为许多基本粒子在自然界中不存在，只在粒子加速器中与其他粒子高能碰撞下才会出现.根据基本粒子的相互作用标准模型描述，有12种物质的基本粒子模型(夸克和轻粒子).它们通过强、弱和电磁基本力相互作用.标准模型还预言存在一种希格斯玻色子.现正寻找中.
(4)天体物理：天体物理和天文学是将物理的理论和方法用到研究星体的结构和演变，太阳系的起源，以及宇宙的相关问题.因为天体物理涉及的范围广，所以它用了物理学中的许多原理，包括力学、电磁学、统计力学、热力学和量子力学.1931年卡尔发现了天体发出的无线电信号，开始了无线电天文学.由于地球大气的干扰，观察空间需用红外、超紫外、 射线和X射线.物理宇宙论则研究在宇宙的大范围内宇宙的形成和演变，爱因斯坦的相对论在现代宇宙理论中起了中心作用.20世纪早期哈勃发现了宇宙在膨胀，促进了宇宙的稳定状态论和大爆炸之间的讨论.1964年宇宙微波背景的发现，证明了大爆炸理论可能是正确的，而大爆炸模型建立在两个理论框架上：爱因斯坦的广义相对论和宇宙论原理.目前宇宙论已建立了ACDM宇宙演变模型，包括宇宙的膨胀、暗能量和暗物质.从费米伽马射线太空望远镜得到的*新数据和对现有宇宙模型的改进，可期待以后会出现更多可能性和新发现，尤其是今后数年内，围绕暗物质方面可能会有很多重要发现.
4.物理学的研究方法
“观察→实验→抽象→假说→实验验证”是物理学中*重要的研究方法.不遵循这一认识法则就不会有物理学的今天，下面以伽利略的事迹来说明这一研究方法.
伽利略是开创自然科学研究方法的第一位学者，他把实验的方法提高到真正的科学水平，并且把实验方法和数学方法成功地结合起来.伽利略是近代实验科学的奠基人之一，在科学成果和研究方法这两方面，伽利略的贡献具有划时代的意义.
伽利略曾制造了一架望远镜，科学家的探索精神促使他把这架望远镜指向天空，他第一次发现：月球的表面和地球一样，也是高低不平.通过观察和实验，伽利略为哥白尼的日心说提供了有力的科学依据，从而引导了物理学乃至整个自然科学从哲学中脱离出来，取得了自己的独立地位.
伽利略还提倡数学与实验相结合的研究方法，也就是说从观察实验中抽象出理论和假设，再由实验检验.一般来说分三个步骤：*先提取出从现象中获得直观认识的主要部分，用*简单的数学形式表示出来，以建立量的概念；其次用数学方法导出另一易于实验证实的数量关系；*后通过实验来证实这种数量关系.他用这种方法总结出了自由落体定律、惯性定律和伽利略相对性原理等，从而推翻了亚里士多德的许多臆断，奠定了牛顿经典力学的基础，因此被誉为“近代力学之父”和“现代科学之父”.
5.物理学在科学技术发展中的作用
1)物理学与三次大的技术革命
每当物理学的发展经历一次大的突破，都会对社会经济发展产生巨大的影响.物理学是科学技术发展的重要源泉，三次产业革命(蒸汽机、电气化、信息化)均来自物理学或与物理学紧密相关.
17～18世纪，牛顿力学的建立和热力学的发展，促使人们研制出了蒸汽机等机械装置，从而引起了第一次工业革命，推动了人类社会的巨大变革.内燃机、汽轮机的出现使现代科学技术突飞猛进，促使火车、汽车、轮船出现，从而使交通运输业得到了迅速的发展，极大地改变了工业生产的面貌.
19世纪70年代，麦克斯韦创立了电磁场理论，为电力技术的产生提供了重要的理论基础.由于电磁学的发展，引起了第二次世界性的技术革命，建立了以电气化工业体系和各种电气工业部门，电话、电报等信息传递技术也得到广泛应用，从而把工业生产再次推向历史的高峰.
20世纪以来，相对论和量子力学的建立，促使人们对原子、原子核结构的认识日益深入，先后引发了原子能，电子计算机和空间技术的出现和应用，导致促使了新材料技术、新能源技术等迅速崛起，形成了以电子计算机为核心的高新技术群，掀起了一场新技术革命的浪潮.
2)物理学与新学科的关系
随着科学的发展，物理学和其他学科相互渗透，产生了一系列的交叉学科，如化学物理、生物物理、大气物理、海洋物理、地球物理、天体物理等.
在物理学基础性研究过程中发展起来的基本概念、理论、实验手段和精密测量方式等，已成为其他自然科学重要概念的基础，由此加速了自然科学内部的相互融合，展现了综合交叉化的趋势.例如，用量子力学的方法探讨化学问题就形成了量子化学，将量子力学与生物学交叉形成了量子生物学.总之，物理学在现代科学高度分化，又高度综合的情况下，扮演着极其重要的角色，有人把20世纪视为物理学的世纪，把物理学视为20世纪科学发展的先驱.
6.学习大学物理课程的意义
大学物理是一门公共必修基础课，通过对本课程的学习，可以全面地掌握关于自然界各种基本运动形式及规律的知识，可以培养科学思想和研究方法，可以系统地训练科学实验、逻辑思维和解决问题的能力等方面.
大学物理教学的目的就是让学生打下坚实的物理基础，提高学生的科学素养，开阔思路及激发探索和创新精神，增强学生自我更新知识的能力，以适应高速发展的科技时代的种种要求.
在物理学中，我们或许既看不到令人惊叹的艺术形象，也欣赏不到直接触动我们情感的音乐，但如果你真正进入物理世界，就会体会到物理学揭示自然界*基本规律的严谨和完美，并领会到物理学对推动人类文明及其他活动所起的巨大作用，这就是我们学习物理的乐趣和意义.
第1章 质点运动学
力学可以分为运动学、动力学和静力学三大部分，其中运动学主要研究物体的运动，但不涉及物体间的相互作用和运动变化的原因.本章的内容从概念的角度可以分为三部分：第一，通过参考系的建立来认识运动的相对性；第二，学习如何通过坐标系来标示空间位置；第三，在坐标系中，对相对参考系发生运动的质点进行描述.质点运动的描述可以分为四个层次，分别为位置的描述、位移的描述、速度的描述和加速度的描述.
1.1 质点参考系
1.1.1 质点
在考察地球绕太阳的轨道运动时，尽管地球体积很大，但还是可以把地球看成一个点.在高速路上飞驰的汽车，如果不研究其内部部件的运动的话，也可以将它看成一个点.这些例子说明，考察一些对象的运动规律时，如果物体的形状和大小对所讨论的问题影响不大，可以忽略它们的尺寸大小和结构形状，视为一个有质量的点来处理，这就是运动学中“质点”模型的来历.质点(mass point)就是具有一定质量而不计物体尺寸大小和结构形状的点.值得注意的是并不是很小的物体就一定可以视为质点，例如分子的尺寸很小，但在考虑组成分子的原子的相对运动时就必须考虑分子的尺寸大小和结构形状.总之，是否可以把物体看成质点要视具体情况而定，而不是只看研究对象的自身尺寸大小.
在力学以及后面的内容中总结出来的物理学规律和定律，都是对研究对象进行了理想模型化后的运动行为的总结.理想模型是从真实物体抽象而来的，它在很大程度上反映了客观实际，基于理想模型得出的规律可以比较可靠地用来描述真实情况.物理学中保留下来的模型，都经过了实践的检验，更普遍和更深刻地反映了自然客观事实.
同学们不管是学物理还是从事其他任何研究工作，都要善于通过观察从现实中抽象出理想模型，这是必经之路，也是成功之路.面对具体研究对象，不能抽象出模型，总结出规律，研究工作将无法进行.
1.1.2 参考系
物体的运动是绝对的、普遍的，大至宇宙天体，小至电子、质子等各种基本粒子都在不停地运动着.虽然一切物体都在运动，但是对同一对象的考察，不同的观察者会有不同的结果.例如，运动的火车中车厢内的座椅，坐在对面的乘客和站在月台上的人员对它是否运动的描述就各不相同.绝对运动的物体，相对不同的观察者具有不同的运动情况，这就是运动的相对性.
由于物体运动的相对性，描述某个对象的运动，必须明确所参照的标准，这个标准物称为参照物.以与选定的参照物保持相对静止的任何其他物体作为参考标准，考察同一对象的运动，结果是一致的，可以把这一系列物体称为一个参考系(reference frame).例如，如果以火车站台为参照物，得出火车做匀速直线运动，那么以站台上的建筑做参照物，火车的运动也是匀速直线运动.在研究物体的运动时，究竟选择哪个物体作为参考系，要视处理问题的简便性而定.例如，考虑地球上运动的物体，可以选地面或地
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