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理論物理學導論/數學基礎/算術、物理學和數學

來自華夏公益教科書,開放世界的開放書籍

算術、物理學和數學;或度量單位 的初步提綱

度量單位作為數學常數

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  1. 物理學和數學從計數開始
    • 1 個蘋果,2 個蘋果,等等。
    • 因此,我們記錄中的“蘋果”是一個度量單位,所討論的數量是“蘋果數量”。
  2. 這演變成簡單的算術
    • 1 個蘋果加 1 個蘋果等於 2 個蘋果
    • 30 個蘋果減去 10 個蘋果等於 20 個蘋果
  3. 引入簡寫符號
  4. 數學可以丟棄所討論的物理物件,並有幸關注抽象概念
  5. 而在數學中,常數 代表一個數值常數,在物理學中,這個常數可以代表一個物理常數,從而允許物理物件在數學方程式中表現為數學實體
  6. 度量單位在數學方程式中很重要,因為它們代表著關鍵資訊,如果忽略這些物理常數,計算中就會出現錯誤

    • 在以下意義上是錯誤的

      是數學規則允許的唯一答案
  7. 此外,在進行數學運算時必須小心

    • 表示 9 個蘋果排列成正方形

    • 建立了一個新的物理量 apple(orange),它既不是蘋果也不是橙子!這就是從長度、時間和質量中建立新的物理量(即能量)的方式。

基本度量單位

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  1. 時間
    • 通常以秒為單位測量
      • 簡寫為 s
        • 10 秒
        • 10 s
    • 唯一一個沒有被十進位制化的度量單位(儘管這樣的系統確實存在)
  2. 距離
    • 通常以米為單位測量
      • 簡寫為 m
        • 10 米
        • 10 m
  3. 質量
    • 基本單位是千克
      • 簡寫為 kg
        • 10 千克
        • 10 kg
    • 有時以克為單位測量
      • 簡寫為 g
        • 10 克
        • 10 g

匯出度量單位

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  1. 面積
    • 通常以平方米為單位測量
  2. 體積
    • 通常以立方米測量
  3. 密度
    1. 線性密度
      • 通常以千克每米測量
    2. 面積密度
      • 通常以千克每平方米測量
    3. 體積密度
      • 通常以千克每立方米測量

科學計數法

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  • 基於10的冪來表示大或小數字的簡寫方法
  1. 大數
  2. 小數

國際單位制 (International System of Units, 也稱為 SI)

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  • 進一步簡化書面數字
y
z
a
f
p
n
µ
m
c
d
da
h
k
M
G
T
P
E
Z
Y

單位轉換的數學原理

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  1. 在數學方程中,測量單位的行為類似於常數
  2. 為了將一個單位轉換為另一個單位,我們利用一個將兩個測量值聯絡起來的方程式。
  3. 我們可以求解並用常數 進行替換

單位轉換的數學原理

  1. In mathematical equations, units of measurement behave as constants
         * (1\mbox{ m} + 2\mbox{ m})\times 4\mbox{ m} = 12\mbox{ m}^2
  2. To convert from one unit of to another, we utilize an equation relating the two measurements
         * 1\mbox{ km} = 1000\mbox{ m} \,
  3. We can solve and substitute for the constant m
         * \frac{1}{1000}\mbox{ km} = \mbox{ m}
         * \left[1\left(\frac{1}{1000}\mbox{ km}\right) + 2\left(\frac{1}{1000}\mbox{ km}\right)\right]\times 4\left(\frac{1}{1000}\mbox{ km}\right) = 12 \left(\frac{1}{1000}\mbox{ km}\right)^2
         * \left(1\times 10^{-3}\mbox{ km} + 2\times 10^{-3}\mbox{ km}\right)\times 4\times 10^{-3}\mbox{ km} = 12\times 10^{-6}\mbox{ km}^2

物理學家眼中的微積分

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  1. 導數和小量
  2. 積分和無限量的求和
華夏公益教科書