微積分物理/力學/牛頓第二定律
牛頓第二定律指出:在一個慣性參考系中,力等於質量乘以加速度()。這也從數量上定義了什麼是力。
力可能是一個令人困惑的術語,因為它既是日常術語,又是物理術語。當我們在日常語言中使用它時,我們在許多不同的語境中使用它,例如“他強行打開了門”,“他被迫上了第三學期微積分”或“這證明了使用武力的合理性”。在非正式對話中,力這個詞可以以多種方式使用。
然而,在物理學中,力只有一個含義,那就是牛頓第二定律賦予我們的含義。目前,我們將力視為由以下公式定義:
其中 m 代表所討論物體的質量,a 代表其加速度。
當你考慮牛頓第一定律時,你必須想知道一個物體是如何開始運動的。必須發生一些事情才能使靜止的物體運動起來。發生的事情是,一個外部物體施加了某種力,可以概括為推或拉。我們當然知道這一點。自從我們開始觀察周圍的自然世界以來,我們已經意識到事物在周圍移動的方式。
這個定律的重要之處在於,力現在被量化了,並且可以在兩個物體之間共享。例如,我可以設計一個重物,它在槓桿的一端施加 30 牛頓的力。我可以利用它來計算我施加在槓桿另一端的力。利用力,就可以解決複雜的物理系統以獲得重要的變數。
有趣的是,如果牛頓第二定律是一個定義,那麼除非我們知道力等於什麼,否則它將毫無用處。實際的物理學來自於例如,當你知道重力產生的力與距離的平方成反比時。然後你擁有一個物理模型,而不是之前。否則你只有定義,而無法定義現實是如何運作的!然而,奇怪的是,力的概念似乎是一個真正存在的深奧物理量。即使在接近光速的速度下,ma 這一邊是錯誤的,動量的導數仍然是力,但動量不再是 mv。此外,當以力表示時,物理方程非常優雅。支配電磁力的麥克斯韋方程可以很容易地轉化為力,而重力產生優雅的力。許多事物都會產生優雅的力定律,因此力似乎不僅僅是一個定義的概念。
注意:牛頓研究了,這個量現在被稱為動量。他將他的第二定律表述為
如果物體的質量是恆定的,
第二定律的這種形式被用來證明動量守恆,並且在與相對論相關的理論中具有重要意義,因為這種形式在接近光速時仍然成立,而 F = ma 則失效。
牛頓第二定律中隱藏著一些量,它們導致了深奧的物理定律。例如,其中包含動量和能量。能量和動量都是守恆的,這意味著無論發生什麼相互作用,它們在孤立系統中都保持不變。事實上,能量和動量都是區域性守恆的,這意味著它們不僅保持不變,而且不能進行瞬移;可以觀察到能量流和動量流進出系統。事實上,在量子力學中,能量和動量的概念仍然存在,而力的概念則消失殆盡——能量和動量是更深層的量。甚至可以(並且非常有效)根據能量和動量來重新表述經典物理定律,而不必提及力!