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自然科学/物体和参考系

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物体编辑

这个世界的某些部分,往往可以看做一个整体进行研究,我们把这个整体,叫做物体。

我们生活中的地球,虽然上面有各种各样的人和动物,有各种植物、岩石、云彩、河流,但是我们研究整个地球在太阳系中的运动方式时,这些内部的微小影响可以不被考虑,我们将地球视为了一个物体。

同样,在研究一辆汽车如何在道路上运动时,我们不必分别考虑驾驶员如何运动、乘客如何运动、方向盘如何运动、发动机如何运动、反光镜如何运动——我们只需要将他们全部视为汽车的一部分,也就是我们将汽车视为一个物体。 一些组件能否被视为一个物体,也需要根据情况来分析。例如我们研究汽车运动时,我们可以将整个汽车和其内部组件、驾驶员、乘客视作一个整体,即汽车这个物体。但是,当我们在研究汽车的基本构造时,汽车则必须被分为发动机、制动器、蓄电池等这些物体。当我们进一步研究发动机的构造时,发动机又要被视作由更基本的物体组成的。

我们不知道有没有绝对的一个物体,因为可能任何一个物体都能被分为更小的组件。当然,也可能基本粒子,如电子是不能被再分的,只能被视为一个物体。当然这不重要,我们只需要将我们可以忽略内部构造的一个东西,看做物体就可以了。

质量编辑

笼统而步精确地讲,质量是描述物体包含物质多少的物理量。对质量的描述起源于对重量的描述,由于在同一一点,没有经过“改变”的物体受到的地球的引力基本不变,因此,人们长久以来用重量来表述物体的质量。实际上,质量远远比这复杂的多。为了统一质量的量度,我们使用国际千克原器在定义1kg。

我们更倾向于将质量看做物体的一个本质属性,这个本质属性我们不做进一步描述,但是,我们认为,物体的质量不受到任何的外界影响。我们将在牛顿第三定律中描述“惯性质量”,在万有引力定律中描述”引力质量“,在质量守恒定律中描述质量质量如何保持不变,在那之后你才会感受到,”简单“的质量是多么奇妙。

质点编辑

很多研究中,如果考虑物体的形状、体积,将会使研究变得非常麻烦。在一些情景中,我们研究的物体的体积、形状对研究结果几乎可以忽略不计时,我们更倾向于不考虑体积、形状,这个时候我们研究的物体可以视作一个有质量的点,我们称之为质点。

物体是否能被视为质点,要根据研究情景来决定。如研究高速公路上的汽车。汽车相对于高速公路来说,非常小,这个时候就没有必要考虑汽车的体积和形状,可以视为质点。但是当研究桥梁上的火车时,火车的长度会对结果产生巨大的影响,因此不能将火车视为质点。

参考系编辑

在研究力学时,我们的物体处在某个空间中的某个位置,但是这个位置是无法确定的,必须有另一个物体作为参考,才能准确描述我们研究的物体的准确位置和其他物理量。我们将这个用于参考的物体叫做参照物。同时,很多时候,为了更加精确的描述,我们以这个物体为原点,建立坐标系,来描述其他物体,因此,我们更倾向于称这个物体为参考系。在研究某个问题时,应该选择正确的参考系进行研究。在研究行驶中的骑车时,地面(地球)就应该被选为参考系。如果在这个时候选择太阳作为参考系,会带来不必要的麻烦。你也许感觉到了,我们选择的参考系,往往是我们在这个参考系上,不会收到外界的影响。

宏观低速运动中的参考系编辑

始终记住,自然科学是研究自然现象的科学,所有的科学研究都基于现象的观测。在我们的日常生活中,我们观测到的现象,是人能看见、能感知的现象。经典物理学家在这样的背景下,终结出了近乎完美的经典物理规律,并且他们曾经认为物理学已经近乎完美了。但是,由于只是近乎完美,仍然存在一些小问题,就是对这样一些剩余的小问题,颠覆了整个物理学。

物理学家们遂发现,当时已经建立的物理基本理论,在两种情况下,完全不再适用,即在高速运动下和在微观世界中。 我们到现在已经之后很多的时候,讨论的基本物理力学规律,都是在宏观低速运动的前提下的——这个前提就是你日常生活的环境定义。

至于低速和高速,没有明确的界限,同样宏观和微观也没有明确的界限,但是需要高速你的是我们建立在宏观低速系统中的物理定律本来就是基于观测、实验、终结得到的定律,本身就不能保证完全的精确,并且在越是高速、越是微观的系统中,精确度越低,最终会完全不使用。当然,这些系统,你日常生活是根本接触不到的,无论飞机、火箭都算不上真正的高速,无论针头、盐粒都算不上真正的微观。

空间和时间编辑

在整个经典力学中,我们认为的空间,是一个无限延伸的大箱子,箱子中的物体,不能对箱子本身产生任何影响。并且,这个箱子,是均匀分布的,他的特性,同我们高中数学学习立体几何的空间是一样的,是一个欧几里得空间。我们之所以这样认为,是根据对大量宏观、低速运动的现象的观察和总结得出的。我们始终需要强调,这些结论都是根据我们的经验得出的,他们不一定正确(实际上已经被证伪了)。

在经典力学中,时间也是均匀流逝的,空间中的任何一点时间都是一样——也可以说时时间与空间无关。同样,时间也不会受到任何物体的影响。时间的基本单位是秒(s),其他也有很多时间的单位,详情请见时间单位

为了更加形象的理解,我们把时间看作一个3D摄影机,并且在拍摄的场景是整个宇宙,且电影的长度是无限的。在电影中,无论演员如何活动,他们始终不能影响到剧场,同时也不会对摄影机产生任何影响。

思考题编辑

  1. 在什么样的研究情景下,研究太阳系时,太阳系内的各个恒星不能被视作质点?