cosmos2062

V1

2022/09/13阅读:13主题:自定义主题1

物理学的第一个理想模型:质点

物理概念是人类心智的自由创造,而不是由外部世界唯一决定的,不管看起来它多么像是那样。——爱因斯坦

大自然有各种各样的运动形式,引起这些运动的原因千差万别,它们都是物理学的研究对象。最基本的一种运动形式是机械运动,它是力学的研究对象。当物体在空间中做机械运动时,物体之间的相对位置将发生改变。

通常将力学划分为静力学、运动学和动力学。静力学研究物体在相互作用下的平衡问题,它在阿基米德的时代就基本上形成了系统的知识体系。在我们这个系列中不涉及这方面的问题;运动学研究物体的运动形态,考虑的问题是运动物体的空间位置与时间的依赖关系,但并不追寻导致物体运动的原因。纯粹的运动学问题几乎就是一个数学问题,不涉及太多的物理概念,我们也不打算做详细的讨论;动力学研究物体之间的相互作用以及由此引起的变化,即追寻物体运动的原因,这是我们在这个系列中要重点讨论的问题。

在伽利略之前,动力学领域一直由亚里士多德的错误学说占支配地位,伽利略在实验和观察的基础上推翻了他的学说。牛顿在伽利略的工作的基础上建立了第一个关于相互作用的基础性理论:经典力学理论。

到目前为止,物理学家所建立的每一个物理学理论都有一定的适用范围,超越了一个物理学理论的适用范围,这个物理学理论就要失效。经典力学理论研究宏观物体在弱引力场环境下的低速运动,如果物体的运动是高速的,就必须使用狭义相对论进行研究,如果物体运动的环境是强引力场,广义相对论才是一个合适的理论,对于微观物体的运动,量子力学和量子场论就会被派上用场。

实际物体都有一定的大小、形状和结构,物体在实际运动的过程中,各个部分的运动状态也可能不一样。在许多问题中,为了突出被研究的物体的主要性质,可以用“粒子”(或者叫“质点”)这个理想模型来代替实际物体,使问题极大地简化。所谓粒子是指这样一种物体,它的尺度与它的运动范围相比,或者与我们观测它的距离相比,可以忽略。比如说,在我们的宏观范围内研究一颗灰尘的运动,这颗灰尘就可以被当做一个质点;地球是一个具有几千公里半径的大球体,当我们研究地球的自转特性时,或者在近地范围内做研究时,它肯定不能被当做一个质点。然而,从宇宙的尺度上看,地球其实就是一个质点。在上面两种情况下,以及在许多实际情况下,一个实际的物体都有可能被抽象成一个只有质量而没有几何尺寸的数学上的点,这就是“质点”这个概念在语义学上的定义。

在有些问题中,物体的尺度与它的运动范围相比,或者与我们观察它的距离相比,可能不满足被看作质点的条件。但是,如果在物体运动的过程中,物体内部结构的改变可以忽略,并且整体没有转动的状态,在这种情况下,这个物体就可以被看作是没有任何结构、质量全部集中在质量中心的点。在水平的地面上往前推一个大箱子就属于这种情况。

在有些情况下,运动物体的内部状态虽然发生了可观程度的改变,但是,我们只关心这个物体的整体运动状态,在这些情况下,也可以把这个物体当做一个质量全部集中于质量中心的质点看待。一个简单的例子就是一部装载着货物的手推车的运动。当我们推着这部手推车往前走的时候,尽管它的两个小轮子在咕噜咕噜地转,车架子在嘎吱嘎吱地响,上面装载的货物也在摇摇晃晃,但是我们对这些细节并不关心,我们只关心需要耗费多大的精力才能把整车货物从出发地推到目的地。在这种情况下,就可以把手推车以及整车货物当做一个质点来看待。

在有些问题中,虽然不能把整个物体当成一个粒子,但在处理方法上可以将它看做由许多粒子组成的粒子系统,在求解粒子运动问题的基础上处理复杂物体的运动。比如说,在太阳系这样一个范围内对各大行星的运动进行研究,就可以把太阳以及各大行星当做粒子来看待。在力学领域中,粒子常被称为质点,粒子系统常被称为质点组。

在物理学的研究中, 为了突出被研究的物体的主要性质,常常把一些次要的因素忽略掉,引入理想化模型代替实际物体,这个理想化模型只具有被研究的物体的主要性质。“质点”是在物理学的研究中引入的第一个理想化模型,随着我们的知识不断地深化,今后还会遇到更多的理想化模型。引入理想化模型代替实际物体是物理学研究的一个重要方法,也是物理学研究的一个重要特征。

分类:

其他

标签:

物理

作者介绍

cosmos2062
V1