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【物理基础概念】第一部分:经典力学
11樓 厉风 2014-11-9 00:17
待续
13樓 厉风 2014-11-9 01:41

回复:12楼



15樓 厉风 2014-11-9 01:52

回复:14楼

原则上来说是有的

通常在运动力学中默认为事件发生的时序方向

或可在热力学中认为是热力学系统自然熵增的方向

这两种对时间方向的规定尚无理论联系,目前只是默认这两种规定得到的时间箭头方向是统一的(但无理论论证)

16樓 厉风 2014-11-9 23:46
【运动(微分)方程】
运动力学中有各种动力学物理量(例如位置、时刻、动量、能量、速度、力、力矩、作用量等),在某些问题中,它们可能会满足某种数学条件,从而可以写成方程的形式,所有这些可以用来最终求解运动学物理量的方程,统称为运动方程


最著名的运动方程有:
牛顿定律F=ma
质能方程△E=△mc²


我们前面提到的轨迹方程也是一种运动方程,因为它主要描述的是坐标或位矢随时间变化的函数所满足的数学条件,原则上可以解出坐标或位矢,而坐标和位矢都是动力学物理量



运动方程中含有微分或导数形式的运算时,运动方程被称为运动微分方程
运动方程一词很多时候被作为运动微分方程一词的简称,一般情况下对两者不做概念区分


运动微分方程举例(其他力学分支中的):
拉格朗日方程和哈密顿方程(详见分析力学部分)
电动力学中的麦克斯韦方程组(详见电动力学部分)
量子力学中的薛定谔方程(详见量子力学部分)
17樓 厉风 2014-11-9 23:49
【坐标系】
坐标系并不是代表实在物体的概念,而是一种纯粹作为概念的概念
坐标系的本质是一个空间位置测量系统(简称定位系统),因此,任何一个坐标系必须由长度和角度测量手段共同制定,同时它本身一定附带了它所度量的空间的维结构特征


最基本的坐标系是坐标轴,这是一种一维坐标系,我们在没有确认该坐标系为直线坐标系前,通常把它视为一个自然坐标系:

任何一个坐标系都有原点(坐标为0的点)
任何一个坐标系都有方向(沿着指定的正方向,坐标数值递增,反之递减)
坐标系用刻度来度量自身,这表明坐标系直接适应自身的空间结构
坐标系按某种规则参考这些刻度去度量其他被测对象获得 坐标 作为度量结果(具体度量规则取决于坐标系的坐标制定规则)


常见坐标系:
1----数轴
如上图,物理中通常并不默认数轴必须为直线,但应该是光滑曲线(含直线)
其上的两段相等的长度可以通过平移来重合,即满足长度平移的不变性(类似前面我们说过的尺,因此实际上数轴就是一条尺)
存在于数轴空间(一维)的任意点,均以数轴上与该点重合的点的刻度(实数)为坐标


2----极坐标系
左图为真正的极坐标系:
经线从原点向外为正向,其上纬坐标递增,纬线圈逆时针为正,其上经坐标从0到2π递增,0与2π重合
右图为简记图,以r代表纬坐标,以θ代表经坐标
这样的极坐标系同时以一个长度和一个角度共同来为坐标系二维空间内一点定位,其方法是:
(纬坐标,经坐标)
例如图中黑点位置记为(r,θ)=(5,5π/4)

3----平面直角坐标系
左图为真正的平面直角坐标系:
纬线沿水平方向向右为正向,经坐标x递增
经线沿竖直方向向上为正向,纬坐标y递增
右图为简记图
这样的坐标系同时以两个长度共同为坐标系二维空间内一点定位,其方法是:
(经坐标,纬坐标)
例如图中黑点位置记为(x,y)=(-4,-3)

你也许会问,这样的坐标系似乎和角度测量无关?
事实是显然有关,任意一条经线和任意一条纬线之间是互相垂直的,这个角度必须由某种角度测量手段来制定
事实上,二维空间与一维空间的本质区别就是增加了角度这种空间结构元素,任何二维空间都不可能脱离这一元素来构成自己的空间结构

18樓 厉风 2014-11-9 23:52
【坐标变换】
二维空间内同一点,在极坐标系和直角坐标系下的位置分别写作(r,θ)和(x,y)
它们虽然定位方法不同,但毕竟是描写同一点的位置的
如果我已知了极坐标系下的某一点的坐标,我想要知道它在直角坐标系下的坐标,怎么办呢?

这就要用到坐标变换


所谓坐标变换,就是两个不同坐标系的坐标之间的通用数学规律,通过这个规律能够在由当前类型的已知坐标值计算出另一类型的未知坐标值
例如:

上图中,已知该点极坐标系位置(r,θ)可以通过联立的两个公式计算得到该点直角位置(x,y)
这两个公式就叫做从极坐标系到直角坐标系的坐标变换
若已知该点的直角坐标系位置(x,y),可用下图公式计算出同一点在极坐标系内位置(r,θ)
下图两个公式称为从直角坐标到极坐标的坐标变换
它是上图坐标变换的 逆变换


上面的例子是不同类型坐标系之间的坐标变换,在运动力学中,更为常见的是在同种坐标系(原点位置或坐标轴方向规定不同)之间进行坐标变换,我们后面或涉及到相关概念

19樓 厉风 2014-11-9 23:53
【位差】
同一观察者测量不同时刻下的两个任意位置矢量后,用时序靠后的那个位置矢量减去时序靠前的那个位置矢量得到的矢量差叫做位差
这个概念相当的不严格,因此在一些需要严格考察概念的动力学理论(如相对论)中,是需要用到这个概念的,以便来严格区分具体情况,但在经典力学中用处不大,经典力学中对很多概念不需要做严格区分


【位移】
同一观察者测量同一物体在不同时刻的两个位置矢量后,用时序靠后的那个位置矢量减去时序靠前的那个位置矢量得到的矢量差叫做位移,按此定义,位移当然也属于一种位差,但它是一种特殊严格的位差
请注意,用来计算位移的两个位置矢量必须对应于同一物体,位差则不需要这么严格的界定
注意:初级的物理教科书常说距离就是位移的大小,这个是不严谨的,距离通常取决于路径的选择,有曲线累加成分,而位移的大小通常可能为直线型的(例如在欧式空间)或者其他型的(非欧几何空间,某些情况下位移大小只是个差值,也许根本对应不上路径)


【泛平均速度】
任意位差与任意时间差之比加上一个方向规定后得到的物理量称为泛平均速度
在大多数的动力学理论中,只要提到速度,通常其实都是指泛平均速度(但通常直接称之为平均速度而不使用全称泛平均速度),但在一些严格区分概念的动力学理论(如相对论)中,泛平均速度是与真正的平均速度不同的概念,请注意识别
很多理论中,位差与时间差之比通常被保留为标量,所以要另加一个方向规定使之成为矢量


【连续运动】
在平滑连续的空间结构和连续平滑的时间结构中运动的同一物体的运动过程中取一段时间上连续取值的运动过程,该运动过程称为连续运动
在该运动所持续的时间范围内,物体在任意时刻都对应了一个位置矢量,且位置矢量对时刻可以求任意多阶导数


【平均速度】
在某一物体的连续运动过程中,取两个时刻t1和t2,t2的时序比t1靠后,我们要求t和t1是同一观察者在同一地点测量的两个不同时刻,因此它们之差△t=t1-t是个时段
如果t1时刻该物体的位置矢量是r1↑,t2时刻该物体的位置矢量是r2↑
则△r↑=r2↑-r1↑是个位移
那么比值
ū↑=△r↑/△t
=(r1↑-r↑)/(t1-t)称为t1到t2时段内的平均速度


【瞬时速度】
只有在平滑连续的空间结构和连续平滑的时间结构中作连续运动的同一物体,才存在瞬时速度的概念
在指定时刻t时,物体处于某一位置,对应位置矢量为r↑,则我们可以尝试在t之后寻找一个非常接近t的时刻t1,该物体在t1时刻的位置为r1↑,我们要求t和t1是同一观察者在同一地点测量的两个不同时刻,因此它们之差△t=t1-t是个时段,△r↑=r1↑-r↑是个位移
我们可计算得到一个平均速度:
ū↑=△r↑/△t
=(r1↑-r↑)/(t1-t)
由于时空都是光滑连续的,因此ū在△t无限缩小趋近于零的条件下,可以存在一个极限值:
u↑=lim[△t→0]ū↑
=lim[△t→0]△r↑/△t
=lim[△t→0](r1↑-r↑)/(t1-t)
=dr↑/dt
即位置矢量r↑对时刻t的导数dr↑/dt,比如我们最后计算出来这个导数的数值是矢量u↑,则我们把这个极限值(导数值)u↑称为物体在t时刻的瞬时速度
u↑的大小u叫做物体在t时刻的瞬时速率

瞬时速度是一个比较严格的概念,而且并不具有物理上的直观性,从其定义的复杂可见一斑,但是这个概念非常之重要,运动学理论中通常把这个概念视为重中之重,但它可以精简表述为:
瞬时速度是从指定时刻t开始的连续运动过程的平均速度ū↑ 在其持续时段△t无限缩短趋于0的条件下取得的一个极限值u↑=dr↑/dt


【匀速运动】
在平滑连续的空间结构和连续平滑的时间结构中运动的同一物体的运动过程中取一段连续运动过程,如果这个连续运动过程满足条件:
该运动过程中物体在任意时刻的瞬时速度u↑的大小u都相等
则称这段运动过程为匀速运动
匀速运动很可能也是变速运动(各时刻瞬时速度大小不变,但方向改变)


【直线运动】
在平滑连续的空间结构和连续平滑的时间结构中运动的同一物体的运动过程中取一段连续运动过程,如果这个连续运动过程满足条件:
该运动过程中物体在任意时刻的瞬时速度u↑的方向都相同
则称这段运动过程为直线运动
但它可能是变速运动(各时刻瞬时速度大小不同)


【匀速直线运动】
如果一个匀速运动满足:
该运动过程中物体在任意时刻的瞬时速度u↑的大小和方向都相等(即矢量相等)
则称这段运动过程为匀速直线运动
匀速直线运动既属于匀速运动也属于直线运动


【变速运动】
非匀速直线运动的连续运动过程统称变速运动
变速运动可能是直线运动(方向不变但瞬时速度大小改变)或曲线运动(方向改变)
20樓 厉风 2014-11-9 23:53
待续
22樓 厉风 2014-11-11 03:11
【加速度】
此概念最初用于描述速度变化的快慢,但随着人们对物理学研究的深入,速度概念被精细化,“速度改变的快慢”这一说法已经完全不精确,因此加速度一词逐渐细分为下面几个具体概念:
1----平均加速度
2----瞬时加速度
在绝大多数物理学书籍中,通常会对这两个概念都使用 加速度 这个简称,但请根据上下文进行具体识别,加速度 这个词目前已经没有独立的物理学概念与之对应,它只是几个具体概念的简称而已
请注意,相对加速度、牵连加速度(运输加速度)这些与参照系相关的概念,所有中文物理学书籍都会严格给出全称,因此不含在本概念之内





【刚体】
运动物体上任何2点之间的相对位置都不随运动发生改变,则这种运动物体被称为刚体
由定义可知刚体是不随运动发生形变的物体,而在相对论中运动物体会发生形变,因此相对论中无刚体

刚体的运动分为平动和转动两种




【平动】
物体上任何两点间的连线,在运动前的残像(直线段)与运动后的残像(直线段)平行且长度相等,那么这个物体所作的运动叫做平动

例如上图直杆的运动,随然轨迹是曲线,但杆在任何位置时的姿态都是相互平行,且杆长不变,这根直杆所作的就是平动






【转动】
物体上任意三点间的三条连线在物体运动过程中始终保持各自长度不变,但各自在运动前后的残像(直线段)不都平行,则物体所做运动为转动

如图三角形运动物体的运动过程:红三角形为物体初始姿态,蓝三角形为物体过渡姿态,绿三角形为物体末姿态
三角形物体红色两点间连线在物体运动前后保持平行且长度不变,但蓝点与两个红点的连线虽然保持各自长度始终不变,但同一连线在各个姿态下并不与自己的残像平行
这个三角形物体所作的运动是一种转动






【定轴转动】
如果转动刚体上存在某两点在刚体转动全过程中始终保持各自的位置不变,则这两点所确定的直线叫做转动刚体的一个固定转轴
拥有固定转轴的刚体所做的转动叫做定轴转动
例如上图中两个红点的位置始终不变,则三角形做的转动是个定轴转动,两红点所确定的直线称为固定转轴

23樓 厉风 2014-11-11 03:13
【参照系(参考系)】
参照系也叫参考系,是所有动力学中的一个重要概念
这个概念的核心有以下几点:
1-----参照系是个集成了时间测量标准和空间测量标准在一起的 由测量标准形成的系统,每个参照系都附带时间和空间两套测量标准,每一套测量标准给出了一套坐标系,分别是时间坐标系和空间坐标系
2-----观测者即制定参照系测量标准并利用这套标准测量和描述物理现象的人或者物体,因此参照系的测量标准的核心制定者和使用者是 观测者
参照系的定位基准就是这个观察者,在运动学中,参照系被视为是随着这个观察者同步运动(含平动或转动)的
3-----参照系通常对应了“观察者眼中的世界”,因此如果一个事物在某个参照系中存在(相当于在某个观察者所看到的世界里存在),那么它也在另一个参照系(另一观察者所看到的世界)中存在
很多人都是因为把参照系视为真实世界而在理解上出现错误,导致分析问题出现很多“谬论”,所以我们强调说把参照系及其内部对象视为一种“显示器影像”更好,只有观看这“显示器影像”的观察者本身是实在的
4-----时间坐标系(实际上是个一维轴)和空间坐标系加上观察者本身(其中空间坐标系固定在观察者本身上,随观察者运动),就组成了一个完整的参照系,参照系以空间坐标系的空间属性来容纳被观测物体的“影像”,并且随着选取不同的时间坐标系刻度,对应了被观测物体在空间坐标系内“影像”的改变,以此来描述被观测物体的运动过程
5-----参照系的空间坐标系(的空间结构)可以不是刚体,但在经典力学中,通常将它视为刚体,即使观察者运动时,固连在观察者身上的坐标系也不发生形变

如图所示,若真实的红球为被观测物体,则红球在观察者眼中的影像(如上图中所示)被在空间坐标系容纳,并在t0、t1、t2三个不同时刻(时间坐标轴上不同的刻度)下的空间坐标系内分别处于三个不同的位置
通过空间坐标系的定位功能与时间轴的计时功能,这个由空间坐标系和时间坐标轴组成的参照系,能够以不同时刻对应不同影像位置的方式描述一个被观测物体(红球)沿着红曲线的运动


坐标系的原点O点即为观察者

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