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2024/10/05 07:09:15瀏覽8|回應0|推薦0 | |
物質是所有的東西。大至星球,小至電子,甚至電磁場、重力場,都是物質。各種物質分布在空間中。 力學所處理的物質主要是物體及重力場。力學的物體是平常所見到的東西。從小至一粒灰塵大到一個星球都是物體。然而這種說法太含糊了。要理解什麼是物體,必須要有更清晰的觀念。 什麼是物體?在力學中凡是與物體有關的定律必然有質量。由此確定,所有力學稱為物體的都必須有質量。這就排除了光、電、磁等看起來沒有實體的物質。但是這不排除電力、磁力等作用到物體的力。一個帶電的物體,受到電力的作用,仍然會依照力學的定律改變速度。 第二個問題是:水、空氣等液體與氣體算不算物體?很明顯的,如果用桶子裝了一桶水,這整桶水的行為符合力學的定律,應該算做物體。然而丟一塊石頭到水裡,產生一圈圈水波,向外擴散,這不屬於一般力學的範圍,而是流體力學的範圍,力學範圍之外。因此,只有符合力學定律的物質才算物體。也就是說,物質可以有各種行為。當物質的行為符合力學定律,就視為物體。當物質的行為不在力學定律範圍之內,就不視為物體。 物體是可以計算數量的。許多個物體集合起來稱為群體。譬如說有一群鳥。每隻鳥是一個物體,所有的鳥是一個群體。群體是可以拆開的。一群鳥可以任意分成兩群,三群,甚至分成每一群只含一隻鳥。群體也可以合併。兩群鳥可以合併成一群。群體的觀念就像數學集合論中的集合。 物體與群體的區分其實並不嚴格。譬如說一輛車應該算物體吧。然而車子由引擎、座椅、輪胎等部件所組成。如果將每一個部件看作一個物體,那車子就是一個群體。每一個部件還可以繼續分拆,該算做物體還是群體。更進一步說,一條木棍該是物體吧。然而木棍可以切斷成為兩個物體,那木棍算群體麼?如果沒有實際切斷,只在觀念上分成兩段,又應該算做群體還是物體?要看實際的狀況的需要來決定。 力學的物體具有質量。任何一個物體分散成為一群物體,或任何一群物體組合成為一個物體,物體的質量與群體的總質量相同。無論各個物體如何運動,總質量守恆。 在觀念上粒子是最小的物體。傳統力學的粒子是完全理想化的觀念。粒子的體積為0,只佔空間的一個點,卻有質量。這種粒子稱為點粒子。點粒子這個觀念有嚴重缺陷。最嚴重的是當兩個點粒子愈來愈靠近時,兩者之間的重力趨向無限大。違反了前篇所說的有限原則,所以摒棄不用。 一個比較好的粒子觀念是參考原子。如果一個物體不斷的分拆,最終會到達不能分拆的形態,稱為粒子。粒子具有體積與質量。粒子體積很小,質量集中在所佔據空間的幾何中心一個極小的圓球內。粒子既然是最小物體,必然有內在的力量抵抗外力,可能被壓縮但是不會塌陷。這樣的粒子稱為原粒子。任何一個物體都可以看成由原粒子組成的群體。 關於物體有一個很重要的物理觀念,就是質量中心。任何物體都有質量中心。原粒子的質量中心就在它的中心點。對於由多個原粒子組成的物體,將每一個原粒子的質量乘以這個點到原粒子的相對位置,再相加,最後除以物體的質量,結果如果是0,這個點就是物體的質量中心。公式是: 一個群體的質量中心也是空間的一個點,將群體中的每一個物體質量乘以這個點到物體質量中心的相對位置,再相加,最後除以群體的總質量,結果如果是0,這個點就是群體的質量中心。 群體的質量中心有一個很重要的性質。無論群體中的個體如何運動,甚至互相撞擊,只要沒有外力施予任何一個個體,群體的質量中心符合慣性定律,會以等速前進。 一個觀察者如何找到物體的質量中心呢?觀察者可以以自己為原點。將物體看成一群原粒子,質量中心的方位可以用公式: 找群體的質量中心方法類似。相對位置是觀察者對每一個物體質量中心的相對位置。公式: 那力學的宇宙有沒有質量中心呢?依據有限原則,宇宙中所有的物體數量有限。將空間中所有的物體當成一個群體,稱為宇宙群體。由於質量守恆,宇宙群體的總質量不變。這就是宇宙的總質量。雖然總質量不變。物體的分布在空間中可以隨時間改變。在每一個時刻,宇宙群體都會有一個質量中心。宇宙群體質量中心的位置是可觀察、可計算的。由於宇宙群體包括了所有的物體,不可能有外力。其質量中心的運動依從真實慣性定律,在時空中的軌跡是一條直線。 前文提過宇宙空間有靜止參考系。宇宙群體的質量中心可不可以成為靜止參考系呢?下一篇會有詳細解說。 |
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