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【物理基础概念】第一部分:经典力学
24樓 厉风 2014-11-13 02:11
25樓 厉风 2014-11-13 04:49

【胡克引导定律】

用一弹簧连接两个铁块置于光滑冰面上,弹簧之伸缩能使两个铁块产生加速度
我们做如下实验:
在冰面的立墙处卡住(固定住)铁块甲,并用弹簧将铁块甲乙连接起来,此时铁块乙在冰面上处于自由状态
我们将弹簧压缩到一个确定长度L1后,松开弹簧,来看铁块乙因弹簧伸张获得的加速度a1

然后我们将被卡住的铁块甲换成铁块丙,来做同样的实验,发现只要弹簧被压缩到指定长度L1,铁块乙因弹簧伸张获得的加速度a1始终相同


我们继续将被卡住的铁块换成其他各种铁块,重复上述实验,仍发现:

只要弹簧被压缩到指定长度L1,铁块乙因弹簧伸张获得的加速度a1始终相同,此结果与被卡住的铁块完全无关


然后我们做下面的实验:将上述实验中弹簧被压缩到的长度改为L2,发现弹簧伸张时使得铁块乙获得的加速度变为a2,且当我们更换被卡住的铁块时,对此结果毫无影响


我们尝试修改弹簧被压缩到的长度为L3、L4、L5。。。等等,重复上述实验,发现每个弹簧长度都对应使铁块乙获得一个加速度a3、a4、a5。。。等等,每个加速度大小只和弹簧被压缩后长度有关,与被卡住的铁块无关
比较所有数据L1、L2、L3、L4、L5。。。和a1、a2、a3、a4、a5。。。发现一个规律:

如果弹簧自由伸展时原长L0,那么:

a1∝L-L1

a2∝L-L2

a3∝L-L3

a4∝L-L4

a5∝L-L5

。。。
∝为正比例符号


上述式子右侧均为弹簧被压缩后缩短的长度,我们将它记为x,则铁块乙因弹簧获得的加速度a满足:

a=Nx

其中N是一个比例常数


现在我们已知道,同一铁块在前述弹簧实验中因弹簧伸张所获得的加速度满足a=Nx关系

但不同弹簧伸张时对同一铁块产生的加速度a满足何等规律?


我们对同一个铁块更换不同弹簧后重复上述实验发现,如果给弹簧编号1,2,3。。。等,就能得到一组新公式:

a=N1x

a=N2x

a=N3x

。。。。


我们发现每个弹簧都对应了自己的一个公式,每个弹簧在自己的公式里都对应一个比例系数N,N叫做弹簧的劲度系数(请注意这里我们没有考虑不同铁块质量的影响,如果你了解力的定义式F=ma以及胡克定律的一般形式F=-kx你就会发现我们这里引导定律的N比胡克定律一般形式的k少了-m系数)


【注】这里我们介绍的是【胡克定律】的引导形式,它无需质量、力这些概念的基础。看过后文大家会发现,此引导形式定律反而可以用来定义【惯性质量】这个关键概念






【惯性质量】

在胡克引导定律中我们了解到,同一弹簧拥有确定的劲度系数N,那么这根弹簧对不同铁块产生的加速度满足何种规律?


我们已知实验弹簧的劲度系数N,现在找来一系列不同的铁块,给它们标号1,2,3。。。。

现在我们用这根弹簧对每个铁块做上述实验(将每个铁块都作为冰面上的自由铁块使用)

然后对每个铁块我们都得到一个公式:

a1=N1x

a2=N2x

a3=N3x

。。。。


对同一根弹簧来说,不同的铁块对应了不同的劲度系数N


如果我们设最初那块铁块乙为标准铁块,标号为1,那么a1=N1x这个公式就是我们原来的a=Nx

我们发现a越大,N越大


于是我们意识到有些铁块可以天然地从相同伸张条件的弹簧那里得到更大的加速度,有些铁块获得的加速度却要小些


 我们可以在数学上直观得出:

a1=a1N1/N1=a2N1/N2=a3N1/N3=。。。。=anN1/Nn


我们把铁块获得加速度的能力的强弱用一个新的物理量Z来表示,称之为可加速性,定义为:

标准铁块1从标准弹簧那里获得加速度a1的能力为 可加速性Z=1

其他铁块(标号n)从标准弹簧那里获得加速度的能力为 可加速性Zn=an/a1=Nn/N1


有定义可知,任意铁块(或其他物体)的可加速性皆可通过把该物体作为自由铁块,并使用标准弹簧进行前述实验来通过公式Zn=Nn/N1测得(由于加速度a对于不同弹簧压缩量x可变,不宜方便使用,所以取不随x改变的系数N来确定Z)


物理学家考虑到与【引力质量】这个概念建立联系时,Z这个物理量的倒数m=1/Z更为方便,所以物理学上通常把 可加速性Z的倒数m=1/Z称为惯性,或称为惯性质量


由此我们知道:

m=N1/Nn

即标准铁块从标准弹簧那里获得加速的劲度系数N1与非标准物体从标准弹簧那里获得加速的劲度系数Nn之比


26樓 厉风 2014-11-13 05:56
【经典力的定义】前面我们得到公式:

a1=a1N1/N1=a2N1/N2=a3N1/N3=。。。。=anN1/Nn

可以用质量m重新写作:

a1=a1m1=a2m2=a3m3=。。。。=an mn

在物理学中,很多时候我们不希望m这个量的量纲因为数学计算而丢失,为避免丢失,就要给它一个非纯数的量纲,这样在数学计算中,惯性质量m的量纲将不会被隐没于纯数量系数中


如果惯性质量有了自己的量纲,那么上面得到的式子中,标准铁块的

a1=a1m1将会不合理,因为右侧多了一个【质量】量纲,所以这种写法将被禁用


当惯性质量m拥有自己的量纲后,加速度a和惯性质量m相乘为ma的形式所代表的物理量就不再是加速度a本身,它将有一个新的含义,就是 力


经典力学中定义【力】的概念如下:

F=ma

能使一个质量为m的物体获得加速度a的物理量,叫做力F

或可表述为:

能给一个质量为m的物体提供加速度a的物理量,叫做力F


考虑到加速度为矢量(有大小和方向),而惯性质量通常默认为标量,因此二者乘积得到的【力】也是矢量,方向与其产生的加速度a相同

【注】本标题强调是经典力的定义,因为在相对论中,此定义不成立






【力的三要素】

力为矢量,有大小和方向两大要素,此外力不是任意位置存在的矢量,如果我们在空间中一点处能检测到力(即物体处于空间中该点处时能获得相应加速度),那么这一空间点称为【力的作用点】,力的作用点是力的第三大要素





【真实力】

一个物体A(例如弹簧)对另一质量为m的物体B提供加速度a↑,则A称为力F↑=ma↑的【施力者】

B称为力F↑=ma↑的【受力者】

在某个参照系内能找到施力者的力都称为【真实力】,否则:

若某个力找不到施力者,它被称为【赝力】





【惯性运动定律(牛顿第一定律、惯性参照系定义)】

在某些参照系内的观察者,观察某些物体时,如果能发现这些物体不受外力时一定会做匀速直线运动,那么这个观察者所在的参照系被称为【惯性参照系】(简称【惯性系】)


惯性系中,不受外力的物体一定做匀速直线运动,这就叫做【惯性运动定律】


简而言之,惯性运动定律严格成立的参照系都叫惯性系,不严格成立的参照系都叫【非惯性系】

此定律最早由艾萨克·牛顿总结出来,成为冠以他大名的第一定律


读者可能会发现此处内容与中学教科书不同

历史上,牛顿第一运动定律曾经被认为是在任何参照系内动成立的,因为中学教科书不考虑非惯性系的复杂情况,所以通常默认“物体不受外力时一定匀速直线运动”总是对的,但实际上这说法在非惯性系内不总是成立

所以,现代比较严谨的说法是牛顿惯性运动定律只在惯性系内严格成立





【合力作用定律(牛顿第二定律)】

施加于一个物体的所有外力的总和F合,等于该物体质量m与该物体所获加速度a的乘积:

F合=ma

【注1】在【非惯性系】中,需要人为引入并不真实存在的【赝力】来应用这个定律,在非惯性系中被引入的【赝力】并没有施力者,只是对物体产生了加速度,所以我们用这个加速度a和被【赝力】加速的物体的质量m相乘得到一个【赝力】F=ma,由于它是在非惯性系中被引入,所以被称为【惯性力】

【注2】在狭义相对论中,牛顿第二定律不成立





【反力定律(牛顿第三定律)】

一个有施力者的真实力F=ma(这里m为受力者惯性质量,a为受力者所获得的加速度),其施力者必然也受到一个反力(有些书上用全称【反作用力】)-F

由于F为矢量,因此-F表示与F大小相等,方向相反的力

显然,反力-F的受力者是F的施力者,反力-F的施力者是F的受力者

【注1】所谓的【赝力】没有反力!因为它没有施力者。

【注2】中学教科书常说互为反力的一对力同时出现或改变,但在相对论中鉴于【同时相对性】的存在,反力F并非与-F同时出现或改变

27樓 厉风 2014-11-13 06:12
题外话:

上文中所给出的【力】的概念,以及与【力】有关的运动定律中,力的形式都是F=ma


在理论物理中,力还有一种定义形式是F↑=dP↑/dt


由此还可引出牛顿三定律的微分和积分形式,但严格来说这些都是后人修正过的牛顿定律,所以,本帖后文将直接在守恒律或守恒量的内容里去介绍修正后的牛顿定律

28樓 厉风 2014-12-10 06:51
【角位置】
在一个平面(或微小平面区域)上,如果我们规定了角度的度量规则(如前文【角度】条目内的介绍),则可以通过此规则来度量某一通过此平面(或微小平面区域)的直线的角度
对平面与直线而言,前面【角度】条目的规定即可用
但对于曲面和其上的曲线而言,【角度】条目中将角度取值范围定为0~2π则不合适
【角度】条目中我们规定了一套角度坐标系统(量角器),用来度量角度,若令被测直线在某时刻位置的像通过【角度】条目中我们规定的量角器的原点(经纬坐标都是0的那点),则可以发现该直线与量角器某一经线重合,则该经线的角度坐标就是这条直线的角位置


【注】角位置通常被视为标量,量角器原点不变的条件下测量的两个角位置之差为角度差,也是标量
但需要注意的是,角位置是赝标量(本帖不介绍)








【右手螺旋定则】
给定一个角度量系统(即物体在坐标系内的位置坐标含有角度描述方式的那种坐标系,也说明此坐标系给定了角度度量规则),则该度量系统中的角度度量方向(角度值增大的方向,或称角度度量正方向)已经指定,则可按照下述【右手螺旋定则】将角度增大趋势方向(一曲线所规定的方向)转化为一个直线方向:


具体规则是:四指蜷曲趋势与曲线相同,指尖趋向与曲线上规定的角度度量正方向一致,立起大拇指使之指向垂直于曲线所在平面,则大拇指指向就是曲线上规定的角度度量方向转化为直线方向后的结果
利用这个【右手螺旋定则】,可以将转动趋势的描述变成对应的直线方向,对于用矢量运算处理转动问题好处极多
此定则与矢量运算中的【右手定则(弗莱明右手定则)】相似但本质不同,请注意区分,【右手定则】用于确定两个相乘矢量的积矢量方向(属于数学运算规定),【右手螺旋定则】用于将旋转趋势转化为直线方向来描述(属于物理描述方式规定)






【角位移】
在一直线在某平面内绕定点转动过程中,只要指定合适的角度测量规则,直线在每一时刻有一角度值,时序靠后的角度值减去时序靠前的角度值所得的角度差为一有正负号的标量,物理学中规定角度差为正值时,直线所作转动的转动趋势是沿着坐标系角度度量正向进行的,此时可以用【右手螺旋定则】将直线转动趋势转化为一个直线方向:
四指蜷曲趋势与转动趋势相同,立起大拇指使之指向垂直于任一蜷曲手指抽象出的曲线所定平面,则大拇指指向就是所求直线方向

现在规定一个“矢量”:其大小等于角度差的绝对值,方向为上面用【右手螺旋定则】所确定的直线方向
这样的一个新的“矢量”叫做角位移“矢量”,简称角位移
【注】角位移为一个【赝矢量】,也是个瞬时量








【旋转反射变换】
将一个量K关于某个对称轴旋转后,再用一面垂直于转轴的镜子对该量K作镜像,这种操作称为旋转反射变换
矢量经过旋转反射变换后,方向不变,而【赝矢量】经此变换后方向改变

实例:


环形电流矢量(蓝)是个真正的矢量,它的镜像总是遵守镜像规则
磁感应强度矢量(红)是个【赝矢量】,它的镜像总是不按常理出牌,非要反着来






【角速度】
角速度矢量ω↑是角位移矢量θ↑对时间t的一阶导数:
ω↑=dθ↑/dt
所以,按照矢量对标量除法的运算法则,角速度方向和角位移方向相同
【注】由于角度常用弧度制【纯数量量纲】,于是角速度的量纲就成了[1/T],时间量纲的倒数
角速度矢量也是一个赝矢量,因为它的方向也是利用【右手螺旋定则】从转动趋势得来:
29樓 厉风 2014-12-10 06:51
【质点】

在某些条件下,为简化问题而将有质量的物体的体积与形状忽略(条件就是物体的空间度量和空间结构特征不会对问题结果产生影响,或影响可以忽略),视为一个有质量属性的点实体,称为质点。
质点与空间点的本质区别在于空间点不具有实体性,而质点有实体性(实体性可能指许多含义,常见的有【可作为正在运动的参照物使用】等,具体有哪些含义视具体问题而定)。








【回转半径/转动半径】
三维空间中的一个质点的转动都是有转轴(黑)的,转动质点形成一条转动轨迹(未必是闭合曲线)
任何一个时刻下,转动轨迹上的这一时刻下质点位置处有一条切线(蓝),过质点能作一条到转轴的垂线段(红),即为垂足点与质点的连线
以这条红线的长度为大小,以从垂足指向质点为方向,构成一个矢量R↑,该矢量叫做质点在当前时刻的转动半径矢量(或径向矢量),简称回转半径(或转动半径)










【力矩】
转动物体的回转半径r↑与所受外力F↑的作叉乘得到的一个二重矢量(有向面积,赝矢量)就是力矩矢量M↑:
即M↑=r↑×F↑
下图为跷跷板终端的力矩示意图:










【质点系统/质点系】
由若干个(可以为任意非负整数个)质点所组成的一个整体,来作为运动学研究对象,叫做质点系统,简称质点系
质点系通常可能有附带若干隐含规定:
1-----质点间是否存在相互作用力,有何种相互作用力规则
2-----质点间的位置关系是否可变,有何种变化规则
3-----质点间能否识别转动差异,以何种方式识别转动
4-----质点是否受到约束,受到何种约束
5-----质点是否可被其他质点穿透
6-----质点间是否形成连续结构,形成何种连续结构
。。。
诸如此类,具体问题中所隐含的规定可能各不相同,这些隐含规定通常不会出现于问题题干中,而需要研究者进行探索发现来确认






【离散质点系】
其内所含任意质点之间都不形成任何连续结构,这样的质点系叫做离散质点系
通常在中学以及大学物理问题中,只要提到【质点系】,指的都是离散质点系,其内每个质点互相都是分立的






【连续质点系】
质点系中任何质点都有相邻质点与之形成特定连续结构,则此质点系称为连续质点系
连续质点系中允许存在明确离散边界(包括内部挖空区域的边界),也可以不含有任何离散边界,但给出问题所研究范围的界面,而界面上的质点与其相邻质点依旧是形成连续结构的,这都视具体问题而定

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