运动学
开始学一下物理吧,那么严谨的数学有点枯燥,可是以后再来试试。从物理问题出发说不定可以对数学有更多的理解。虽然数学没有学好的话物理会有点吃力。这两个东西还是分不开的呀。
前置技巧
Inspection
视察法。田光善老师说的物理学家常用的数学技巧。确实好用哦。跳出了数学分析的拘谨。
Reductionism
简约主义。物理学家解决问题的原则。
如无必要,勿增实体
半桶水数学水平
行列式会一点,积分会一点,微分方程会一点,偏导会一点,概率会一点…… 就够用了。(?)
近似的艺术
如果一个人在和你讨论白马的问题,然后在黑板上画了一个圆,那他大概率是学物理的。
费米曾经提到,如果你每一步随机地引入误差,那么多估计和少估计就很可能相互抵消。
在严谨的数学定义中,也可以通过视察法或者近似简化证明过程。
空间和时间
经典力学中研究的是绝对空间和绝对时间。不考虑相对论中的尺缩效应和钟慢效应。
运动学的研究内容
运动学研究的是物体运动的情况,即物体位置随时间的变化关系。
所以运动学最重要的一个内容就是运动方程 $x = x(t)$ 其中 $x$ 是一个矢量,叫做位移矢量(位矢)。
而动力学主要是研究物体运动的原因(牛顿定律)。
直角坐标系
我们在研究物体的运动情况时,可以采用许多坐标系:直角坐标系、极坐标系、自然坐标系。
选取合适的参照系,使得你的观察变得简单,选取合适的坐标系,使得你的计算变得简单。
其中直角坐标系是比较基础的一种。它有许多有点:
- 向量对时间求导后可以写成各方向分向量求导的和。
这一点是因为直角坐标系的基底不变性而成立的。注意向量数乘后求导也要遵守求导的乘法法则。- 向量的平方等于其分量的平方和
这是因为直角坐标系的基底互相垂直
极坐标系
二维叫极坐标系,三维类似的坐标有柱坐标系和球坐标系。
用一个角度和一段距离 $(r,\theta)$ 表示平面内位置的坐标系叫做极坐标系。极坐标系在描述圆锥曲线、使用角动量守恒等方面有优势。直角坐标系和极坐标系也可以相互转化。
极坐标的单位向量有两个,一般方向取为位矢的方向和垂直位矢的逆时针方向。 然后我们再进行求导操作,我们就可以得到许多有趣的事实。
自然坐标系
自然坐标系往往是拿来推一些公式的。
曲率圆
先介绍一下曲率圆的概念。将一点处的无穷小曲线段逼近处理为无穷小圆弧段,这段圆弧属于相应的圆,这个圆就在曲率圆(或密切圆)。圆半径称为曲率半径,常记为 $\row$ 显然,半径越大弯曲程度越小。
在自然坐标系和极坐标系有一点类似,就是他们的基底都在移动。自然坐标系中一个基底为速度方向(轨迹的切向方向),另一个基底为垂直速度方向(指向曲率圆圆心,大小等于曲率半径)。和极坐标类似,这两个基底求导之后也有类似的关系。
相对运动
伽利略变换
相对于近代的洛伦兹变换。经典物理的一个代表性特征。
虽然它不能算完全正确,但它在宏观低速下是很好的近似。
在有些情况下,利用伽利略变换 可以简化计算。