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【物理基礎概念】第一部分:經典力學
22樓 厉风 2014-11-11 03:11
【加速度】
此概念最初用於描述速度變化的快慢,但隨着人們對物理學研究的深入,速度概念被精細化,「速度改變的快慢」這一說法已經完全不精確,因此加速度一詞逐漸細分為下面幾個具體概念:
1----平均加速度
2----瞬時加速度
在絕大多數物理學書籍中,通常會對這兩個概念都使用 加速度 這個簡稱,但請根據上下文進行具體識別,加速度 這個詞目前已經沒有獨立的物理學概念與之對應,它只是幾個具體概念的簡稱而已
請注意,相對加速度、牽連加速度(運輸加速度)這些與參照系相關的概念,所有中文物理學書籍都會嚴格給出全稱,因此不含在本概念之內





【剛體】
運動物體上任何2點之間的相對位置都不隨運動發生改變,則這種運動物體被稱為剛體
由定義可知剛體是不隨運動發生形變的物體,而在相對論中運動物體會發生形變,因此相對論中無剛體

剛體的運動分為平動和轉動兩種




【平動】
物體上任何兩點間的連線,在運動前的殘像(直線段)與運動後的殘像(直線段)平行且長度相等,那麼這個物體所作的運動叫做平動

例如上圖直桿的運動,隨然軌跡是曲線,但桿在任何位置時的姿態都是相互平行,且桿長不變,這根直桿所作的就是平動






【轉動】
物體上任意三點間的三條連線在物體運動過程中始終保持各自長度不變,但各自在運動前後的殘像(直線段)不都平行,則物體所做運動為轉動

如圖三角形運動物體的運動過程:紅三角形為物體初始姿態,藍三角形為物體過渡姿態,綠三角形為物體末姿態
三角形物體紅色兩點間連線在物體運動前後保持平行且長度不變,但藍點與兩個紅點的連線雖然保持各自長度始終不變,但同一連線在各個姿態下並不與自己的殘像平行
這個三角形物體所作的運動是一種轉動






【定軸轉動】
如果轉動剛體上存在某兩點在剛體轉動全過程中始終保持各自的位置不變,則這兩點所確定的直線叫做轉動剛體的一個固定轉軸
擁有固定轉軸的剛體所做的轉動叫做定軸轉動
例如上圖中兩個紅點的位置始終不變,則三角形做的轉動是個定軸轉動,兩紅點所確定的直線稱為固定轉軸

23樓 厉风 2014-11-11 03:13
【參照系(參考系)】
參照系也叫參考系,是所有動力學中的一個重要概念
這個概念的核心有以下幾點:
1-----參照系是個集成了時間測量標準和空間測量標準在一起的 由測量標準形成的系統,每個參照系都附帶時間和空間兩套測量標準,每一套測量標準給出了一套坐標系,分別是時間坐標系和空間坐標系
2-----觀測者即制定參照系測量標準並利用這套標準測量和描述物理現象的人或者物體,因此參照系的測量標準的核心制定者和使用者是 觀測者
參照系的定位基準就是這個觀察者,在運動學中,參照系被視為是隨着這個觀察者同步運動(含平動或轉動)的
3-----參照系通常對應了「觀察者眼中的世界」,因此如果一個事物在某個參照系中存在(相當於在某個觀察者所看到的世界裡存在),那麼它也在另一個參照系(另一觀察者所看到的世界)中存在
很多人都是因為把參照系視為真實世界而在理解上出現錯誤,導致分析問題出現很多「謬論」,所以我們強調說把參照系及其內部對象視為一種「顯示器影像」更好,只有觀看這「顯示器影像」的觀察者本身是實在的
4-----時間坐標系(實際上是個一維軸)和空間坐標系加上觀察者本身(其中空間坐標系固定在觀察者本身上,隨觀察者運動),就組成了一個完整的參照系,參照系以空間坐標系的空間屬性來容納被觀測物體的「影像」,並且隨着選取不同的時間坐標系刻度,對應了被觀測物體在空間坐標系內「影像」的改變,以此來描述被觀測物體的運動過程
5-----參照系的空間坐標系(的空間結構)可以不是剛體,但在經典力學中,通常將它視為剛體,即使觀察者運動時,固連在觀察者身上的坐標系也不發生形變

如圖所示,若真實的紅球為被觀測物體,則紅球在觀察者眼中的影像(如上圖中所示)被在空間坐標系容納,並在t0、t1、t2三個不同時刻(時間坐標軸上不同的刻度)下的空間坐標系內分別處於三個不同的位置
通過空間坐標系的定位功能與時間軸的計時功能,這個由空間坐標系和時間坐標軸組成的參照系,能夠以不同時刻對應不同影像位置的方式描述一個被觀測物體(紅球)沿着紅曲線的運動


坐標系的原點O點即為觀察者

24樓 厉风 2014-11-13 02:11
25樓 厉风 2014-11-13 04:49

【胡克引導定律】

用一彈簧連接兩個鐵塊置於光滑冰面上,彈簧之伸縮能使兩個鐵塊產生加速度
我們做如下實驗:
在冰面的立牆處卡住(固定住)鐵塊甲,並用彈簧將鐵塊甲乙連接起來,此時鐵塊乙在冰面上處於自由狀態
我們將彈簧壓縮到一個確定長度L1後,鬆開彈簧,來看鐵塊乙因彈簧伸張獲得的加速度a1

然後我們將被卡住的鐵塊甲換成鐵塊丙,來做同樣的實驗,發現只要彈簧被壓縮到指定長度L1,鐵塊乙因彈簧伸張獲得的加速度a1始終相同


我們繼續將被卡住的鐵塊換成其他各種鐵塊,重複上述實驗,仍發現:

只要彈簧被壓縮到指定長度L1,鐵塊乙因彈簧伸張獲得的加速度a1始終相同,此結果與被卡住的鐵塊完全無關


然後我們做下面的實驗:將上述實驗中彈簧被壓縮到的長度改為L2,發現彈簧伸張時使得鐵塊乙獲得的加速度變為a2,且當我們更換被卡住的鐵塊時,對此結果毫無影響


我們嘗試修改彈簧被壓縮到的長度為L3、L4、L5。。。等等,重複上述實驗,發現每個彈簧長度都對應使鐵塊乙獲得一個加速度a3、a4、a5。。。等等,每個加速度大小隻和彈簧被壓縮後長度有關,與被卡住的鐵塊無關
比較所有數據L1、L2、L3、L4、L5。。。和a1、a2、a3、a4、a5。。。發現一個規律:

如果彈簧自由伸展時原長L0,那麼:

a1∝L-L1

a2∝L-L2

a3∝L-L3

a4∝L-L4

a5∝L-L5

。。。
∝為正比例符號


上述式子右側均為彈簧被壓縮後縮短的長度,我們將它記為x,則鐵塊乙因彈簧獲得的加速度a滿足:

a=Nx

其中N是一個比例常數


現在我們已知道,同一鐵塊在前述彈簧實驗中因彈簧伸張所獲得的加速度滿足a=Nx關係

但不同彈簧伸張時對同一鐵塊產生的加速度a滿足何等規律?


我們對同一個鐵塊更換不同彈簧後重複上述實驗發現,如果給彈簧編號1,2,3。。。等,就能得到一組新公式:

a=N1x

a=N2x

a=N3x

。。。。


我們發現每個彈簧都對應了自己的一個公式,每個彈簧在自己的公式里都對應一個比例係數N,N叫做彈簧的勁度係數(請注意這裡我們沒有考慮不同鐵塊質量的影響,如果你了解力的定義式F=ma以及胡克定律的一般形式F=-kx你就會發現我們這裡引導定律的N比胡克定律一般形式的k少了-m係數)


【注】這裡我們介紹的是【胡克定律】的引導形式,它無需質量、力這些概念的基礎。看過後文大家會發現,此引導形式定律反而可以用來定義【慣性質量】這個關鍵概念






【慣性質量】

在胡克引導定律中我們了解到,同一彈簧擁有確定的勁度係數N,那麼這根彈簧對不同鐵塊產生的加速度滿足何種規律?


我們已知實驗彈簧的勁度係數N,現在找來一系列不同的鐵塊,給它們標號1,2,3。。。。

現在我們用這根彈簧對每個鐵塊做上述實驗(將每個鐵塊都作為冰面上的自由鐵塊使用)

然後對每個鐵塊我們都得到一個公式:

a1=N1x

a2=N2x

a3=N3x

。。。。


對同一根彈簧來說,不同的鐵塊對應了不同的勁度係數N


如果我們設最初那塊鐵塊乙為標準鐵塊,標號為1,那麼a1=N1x這個公式就是我們原來的a=Nx

我們發現a越大,N越大


於是我們意識到有些鐵塊可以天然地從相同伸張條件的彈簧那裡得到更大的加速度,有些鐵塊獲得的加速度卻要小些


 我們可以在數學上直觀得出:

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


我們把鐵塊獲得加速度的能力的強弱用一個新的物理量Z來表示,稱之為可加速性,定義為:

標準鐵塊1從標準彈簧那裡獲得加速度a1的能力為 可加速性Z=1

其他鐵塊(標號n)從標準彈簧那裡獲得加速度的能力為 可加速性Zn=an/a1=Nn/N1


有定義可知,任意鐵塊(或其他物體)的可加速性皆可通過把該物體作為自由鐵塊,並使用標準彈簧進行前述實驗來通過公式Zn=Nn/N1測得(由於加速度a對於不同彈簧壓縮量x可變,不宜方便使用,所以取不隨x改變的係數N來確定Z)


物理學家考慮到與【引力質量】這個概念建立聯繫時,Z這個物理量的倒數m=1/Z更為方便,所以物理學上通常把 可加速性Z的倒數m=1/Z稱為慣性,或稱為慣性質量


由此我們知道:

m=N1/Nn

即標準鐵塊從標準彈簧那裡獲得加速的勁度係數N1與非標準物體從標準彈簧那裡獲得加速的勁度係數Nn之比


26樓 厉风 2014-11-13 05:56
【經典力的定義】前面我們得到公式:

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

可以用質量m重新寫作:

a1=a1m1=a2m2=a3m3=。。。。=an mn

在物理學中,很多時候我們不希望m這個量的量綱因為數學計算而丟失,為避免丟失,就要給它一個非純數的量綱,這樣在數學計算中,慣性質量m的量綱將不會被隱沒於純數量係數中


如果慣性質量有了自己的量綱,那麼上面得到的式子中,標準鐵塊的

a1=a1m1將會不合理,因為右側多了一個【質量】量綱,所以這種寫法將被禁用


當慣性質量m擁有自己的量綱後,加速度a和慣性質量m相乘為ma的形式所代表的物理量就不再是加速度a本身,它將有一個新的含義,就是 力


經典力學中定義【力】的概念如下:

F=ma

能使一個質量為m的物體獲得加速度a的物理量,叫做力F

或可表述為:

能給一個質量為m的物體提供加速度a的物理量,叫做力F


考慮到加速度為向量(有大小和方向),而慣性質量通常默認為純量,因此二者乘積得到的【力】也是向量,方向與其產生的加速度a相同

【注】本標題強調是經典力的定義,因為在相對論中,此定義不成立






【力的三要素】

力為向量,有大小和方向兩大要素,此外力不是任意位置存在的向量,如果我們在空間中一點處能檢測到力(即物體處於空間中該點處時能獲得相應加速度),那麼這一空間點稱為【力的作用點】,力的作用點是力的第三大要素





【真實力】

一個物體A(例如彈簧)對另一質量為m的物體B提供加速度a↑,則A稱為力F↑=ma↑的【施力者】

B稱為力F↑=ma↑的【受力者】

在某個參照系內能找到施力者的力都稱為【真實力】,否則:

若某個力找不到施力者,它被稱為【贗力】





【慣性運動定律(牛頓第一定律、慣性參照系定義)】

在某些參照系內的觀察者,觀察某些物體時,如果能發現這些物體不受外力時一定會做勻速直線運動,那麼這個觀察者所在的參照系被稱為【慣性參照系】(簡稱【慣性系】)


慣性系中,不受外力的物體一定做勻速直線運動,這就叫做【慣性運動定律】


簡而言之,慣性運動定律嚴格成立的參照系都叫慣性系,不嚴格成立的參照系都叫【非慣性系】

此定律最早由艾薩克·牛頓總結出來,成為冠以他大名的第一定律


讀者可能會發現此處內容與中學教科書不同

歷史上,牛頓第一運動定律曾經被認為是在任何參照系內動成立的,因為中學教科書不考慮非慣性系的複雜情況,所以通常默認「物體不受外力時一定勻速直線運動」總是對的,但實際上這說法在非慣性系內不總是成立

所以,現代比較嚴謹的說法是牛頓慣性運動定律只在慣性系內嚴格成立





【合力作用定律(牛頓第二定律)】

施加於一個物體的所有外力的總和F合,等於該物體質量m與該物體所獲加速度a的乘積:

F合=ma

【注1】在【非慣性系】中,需要人為引入並不真實存在的【贗力】來應用這個定律,在非慣性系中被引入的【贗力】並沒有施力者,只是對物體產生了加速度,所以我們用這個加速度a和被【贗力】加速的物體的質量m相乘得到一個【贗力】F=ma,由於它是在非慣性系中被引入,所以被稱為【慣性力】

【注2】在狹義相對論中,牛頓第二定律不成立





【反力定律(牛頓第三定律)】

一個有施力者的真實力F=ma(這裡m為受力者慣性質量,a為受力者所獲得的加速度),其施力者必然也受到一個反力(有些書上用全稱【反作用力】)-F

由於F為向量,因此-F表示與F大小相等,方向相反的力

顯然,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】所謂的【贗力】沒有反力!因為它沒有施力者。

【注2】中學教科書常說互為反力的一對力同時出現或改變,但在相對論中鑒於【同時相對性】的存在,反力F並非與-F同時出現或改變

27樓 厉风 2014-11-13 06:12
題外話:

上文中所給出的【力】的概念,以及與【力】有關的運動定律中,力的形式都是F=ma


在理論物理中,力還有一種定義形式是F↑=dP↑/dt


由此還可引出牛頓三定律的微分和積分形式,但嚴格來說這些都是後人修正過的牛頓定律,所以,本帖後文將直接在守恆律或守恆量的內容里去介紹修正後的牛頓定律

28樓 厉风 2014-12-10 06:51
【角位置】
在一個平面(或微小平面區域)上,如果我們規定了角度的度量規則(如前文【角度】條目內的介紹),則可以通過此規則來度量某一通過此平面(或微小平面區域)的直線的角度
對平面與直線而言,前面【角度】條目的規定即可用
但對於曲面和其上的曲線而言,【角度】條目中將角度取值範圍定為0~2π則不合適
【角度】條目中我們規定了一套角度坐標系統(量角器),用來度量角度,若令被測直線在某時刻位置的像通過【角度】條目中我們規定的量角器的原點(經緯坐標都是0的那點),則可以發現該直線與量角器某一經線重合,則該經線的角度坐標就是這條直線的角位置


【注】角位置通常被視為純量,量角器原點不變的條件下測量的兩個角位置之差為角度差,也是純量
但需要注意的是,角位置是贗純量(本帖不介紹)








【右手螺旋定則】
給定一個角度量系統(即物體在坐標系內的位置坐標含有角度描述方式的那種坐標系,也說明此坐標系給定了角度度量規則),則該度量系統中的角度度量方向(角度值增大的方向,或稱角度度量正方向)已經指定,則可按照下述【右手螺旋定則】將角度增大趨勢方向(一曲線所規定的方向)轉化為一個直線方向:


具體規則是:四指蜷曲趨勢與曲線相同,指尖趨向與曲線上規定的角度度量正方向一致,立起大拇指使之指向垂直於曲線所在平面,則大拇指指向就是曲線上規定的角度度量方向轉化為直線方向後的結果
利用這個【右手螺旋定則】,可以將轉動趨勢的描述變成對應的直線方向,對於用向量運算處理轉動問題好處極多
此定則與向量運算中的【右手定則(弗萊明右手定則)】相似但本質不同,請注意區分,【右手定則】用於確定兩個相乘向量的積向量方向(屬於數學運算規定),【右手螺旋定則】用於將旋轉趨勢轉化為直線方向來描述(屬於物理描述方式規定)






【角位移】
在一直線在某平面內繞定點轉動過程中,只要指定合適的角度測量規則,直線在每一時刻有一角度值,時序靠後的角度值減去時序靠前的角度值所得的角度差為一有正負號的純量,物理學中規定角度差為正值時,直線所作轉動的轉動趨勢是沿着坐標系角度度量正向進行的,此時可以用【右手螺旋定則】將直線轉動趨勢轉化為一個直線方向:
四指蜷曲趨勢與轉動趨勢相同,立起大拇指使之指向垂直於任一蜷曲手指抽象出的曲線所定平面,則大拇指指向就是所求直線方向

現在規定一個「向量」:其大小等於角度差的絕對值,方向為上面用【右手螺旋定則】所確定的直線方向
這樣的一個新的「向量」叫做角位移「向量」,簡稱角位移
【注】角位移為一個【贗向量】,也是個瞬時量








【旋轉反射變換】
將一個量K關於某個對稱軸旋轉後,再用一面垂直於轉軸的鏡子對該量K作鏡像,這種操作稱為旋轉反射變換
向量經過旋轉反射變換後,方向不變,而【贗向量】經此變換後方向改變

實例:


環形電流向量(藍)是個真正的向量,它的鏡像總是遵守鏡像規則
磁感應強度向量(紅)是個【贗向量】,它的鏡像總是不按常理出牌,非要反着來






【角速度】
角速度向量ω↑是角位移向量θ↑對時間t的一階導數:
ω↑=dθ↑/dt
所以,按照向量對純量除法的運算法則,角速度方向和角位移方向相同
【注】由於角度常用弧度制【純數量量綱】,於是角速度的量綱就成了[1/T],時間量綱的倒數
角速度向量也是一個贗向量,因為它的方向也是利用【右手螺旋定則】從轉動趨勢得來:
29樓 厉风 2014-12-10 06:51
【質點】

在某些條件下,為簡化問題而將有質量的物體的體積與形狀忽略(條件就是物體的空間度量和空間結構特徵不會對問題結果產生影響,或影響可以忽略),視為一個有質量屬性的點實體,稱為質點。
質點與空間點的本質區別在於空間點不具有實體性,而質點有實體性(實體性可能指許多含義,常見的有【可作為正在運動的參照物使用】等,具體有哪些含義視具體問題而定)。








【迴轉半徑/轉動半徑】
三維空間中的一個質點的轉動都是有轉軸(黑)的,轉動質點形成一條轉動軌跡(未必是閉合曲線)
任何一個時刻下,轉動軌跡上的這一時刻下質點位置處有一條切線(藍),過質點能作一條到轉軸的垂線段(紅),即為垂足點與質點的連線
以這條紅線的長度為大小,以從垂足指向質點為方向,構成一個向量R↑,該向量叫做質點在當前時刻的轉動半徑向量(或徑向向量),簡稱迴轉半徑(或轉動半徑)










【力矩】
轉動物體的迴轉半徑r↑與所受外力F↑的作叉乘得到的一個二重向量(有向面積,贗向量)就是力矩向量M↑:
即M↑=r↑×F↑
下圖為蹺蹺板終端的力矩示意圖:










【質點系統/質點系】
由若干個(可以為任意非負整數個)質點所組成的一個整體,來作為運動學研究對象,叫做質點系統,簡稱質點系
質點系通常可能有附帶若干隱含規定:
1-----質點間是否存在相互作用力,有何種相互作用力規則
2-----質點間的位置關係是否可變,有何種變化規則
3-----質點間能否識別轉動差異,以何種方式識別轉動
4-----質點是否受到約束,受到何種約束
5-----質點是否可被其他質點穿透
6-----質點間是否形成連續結構,形成何種連續結構
。。。
諸如此類,具體問題中所隱含的規定可能各不相同,這些隱含規定通常不會出現於問題題干中,而需要研究者進行探索發現來確認






【離散質點系】
其內所含任意質點之間都不形成任何連續結構,這樣的質點系叫做離散質點系
通常在中學以及大學物理問題中,只要提到【質點系】,指的都是離散質點系,其內每個質點互相都是分立的






【連續質點系】
質點系中任何質點都有相鄰質點與之形成特定連續結構,則此質點系稱為連續質點系
連續質點系中允許存在明確離散邊界(包括內部挖空區域的邊界),也可以不含有任何離散邊界,但給出問題所研究範圍的界面,而界面上的質點與其相鄰質點依舊是形成連續結構的,這都視具體問題而定

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