自然科學/物體和參考系

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物體[編輯]

這個世界的某些部分,往往可以看做一個整體進行研究,我們把這個整體,叫做物體。

我們生活中的地球,雖然上面有各種各樣的人和動物,有各種植物、岩石、雲彩、河流,但是我們研究整個地球在太陽系中的運動方式時,這些內部的微小影響可以不被考慮,我們將地球視為了一個物體。

同樣,在研究一輛汽車如何在道路上運動時,我們不必分別考慮駕駛員如何運動、乘客如何運動、方向盤如何運動、發動機如何運動、反光鏡如何運動——我們只需要將他們全部視為汽車的一部分,也就是我們將汽車視為一個物體。 一些組件能否被視為一個物體,也需要根據情況來分析。例如我們研究汽車運動時,我們可以將整個汽車和其內部組件、駕駛員、乘客視作一個整體,即汽車這個物體。但是,當我們在研究汽車的基本構造時,汽車則必須被分為發動機、制動器、蓄電池等這些物體。當我們進一步研究發動機的構造時,發動機又要被視作由更基本的物體組成的。

我們不知道有沒有絕對的一個物體,因為可能任何一個物體都能被分為更小的組件。當然,也可能基本粒子,如電子是不能被再分的,只能被視為一個物體。當然這不重要,我們只需要將我們可以忽略內部構造的一個東西,看做物體就可以了。

質量[編輯]

籠統而步精確地講,質量是描述物體包含物質多少的物理量。對質量的描述起源於對重量的描述,由於在同一一點,沒有經過「改變」的物體受到的地球的引力基本不變,因此,人們長久以來用重量來表述物體的質量。實際上,質量遠遠比這複雜的多。為了統一質量的量度,我們使用國際千克原器在定義1kg。

我們更傾向於將質量看做物體的一個本質屬性,這個本質屬性我們不做進一步描述,但是,我們認為,物體的質量不受到任何的外界影響。我們將在牛頓第三定律中描述「慣性質量」,在萬有引力定律中描述」引力質量「,在質量守恆定律中描述質量質量如何保持不變,在那之後你才會感受到,」簡單「的質量是多麼奇妙。

質點[編輯]

很多研究中,如果考慮物體的形狀、體積,將會使研究變得非常麻煩。在一些情景中,我們研究的物體的體積、形狀對研究結果幾乎可以忽略不計時,我們更傾向於不考慮體積、形狀,這個時候我們研究的物體可以視作一個有質量的點,我們稱之為質點。

物體是否能被視為質點,要根據研究情景來決定。如研究高速公路上的汽車。汽車相對於高速公路來說,非常小,這個時候就沒有必要考慮汽車的體積和形狀,可以視為質點。但是當研究橋樑上的火車時,火車的長度會對結果產生巨大的影響,因此不能將火車視為質點。

參考系[編輯]

在研究力學時,我們的物體處在某個空間中的某個位置,但是這個位置是無法確定的,必須有另一個物體作為參考,才能準確描述我們研究的物體的準確位置和其他物理量。我們將這個用於參考的物體叫做參照物。同時,很多時候,為了更加精確的描述,我們以這個物體為原點,建立坐標系,來描述其他物體,因此,我們更傾向於稱這個物體為參考系。在研究某個問題時,應該選擇正確的參考系進行研究。在研究行駛中的騎車時,地面(地球)就應該被選為參考系。如果在這個時候選擇太陽作為參考系,會帶來不必要的麻煩。你也許感覺到了,我們選擇的參考系,往往是我們在這個參考繫上,不會收到外界的影響。

宏觀低速運動中的參考系[編輯]

始終記住,自然科學是研究自然現象的科學,所有的科學研究都基於現象的觀測。在我們的日常生活中,我們觀測到的現象,是人能看見、能感知的現象。經典物理學家在這樣的背景下,終結出了近乎完美的經典物理規律,並且他們曾經認為物理學已經近乎完美了。但是,由於只是近乎完美,仍然存在一些小問題,就是對這樣一些剩餘的小問題,顛覆了整個物理學。

物理學家們遂發現,當時已經建立的物理基本理論,在兩種情況下,完全不再適用,即在高速運動下和在微觀世界中。 我們到現在已經之後很多的時候,討論的基本物理力學規律,都是在宏觀低速運動的前提下的——這個前提就是你日常生活的環境定義。

至於低速和高速,沒有明確的界限,同樣宏觀和微觀也沒有明確的界限,但是需要高速你的是我們建立在宏觀低速系統中的物理定律本來就是基於觀測、實驗、終結得到的定律,本身就不能保證完全的精確,並且在越是高速、越是微觀的系統中,精確度越低,最終會完全不使用。當然,這些系統,你日常生活是根本接觸不到的,無論飛機、火箭都算不上真正的高速,無論針頭、鹽粒都算不上真正的微觀。

空間和時間[編輯]

在整個經典力學中,我們認為的空間,是一個無限延伸的大箱子,箱子中的物體,不能對箱子本身產生任何影響。並且,這個箱子,是均勻分佈的,他的特性,同我們高中數學學習立體幾何的空間是一樣的,是一個歐幾里得空間。我們之所以這樣認為,是根據對大量宏觀、低速運動的現象的觀察和總結得出的。我們始終需要強調,這些結論都是根據我們的經驗得出的,他們不一定正確(實際上已經被證偽了)。

在經典力學中,時間也是均勻流逝的,空間中的任何一點時間都是一樣——也可以說時時間與空間無關。同樣,時間也不會受到任何物體的影響。時間的基本單位是秒(s),其他也有很多時間的單位,詳情請見時間單位

為了更加形象的理解,我們把時間看作一個3D攝影機,並且在拍攝的場景是整個宇宙,且電影的長度是無限的。在電影中,無論演員如何活動,他們始終不能影響到劇場,同時也不會對攝影機產生任何影響。

思考題[編輯]

  1. 在什麼樣的研究情景下,研究太陽系時,太陽系內的各個恆星不能被視作質點?