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大学物理学(上册):参考系、坐标系与时空

时间:2023-11-05 理论教育 版权反馈
【摘要】:宇宙中的一切物体,大到星系,小到原子、电子,都处于永恒的运动之中,绝对静止的物体是不存在的.运动和物质是不可分割的,运动是物质存在的形式,是物质的固有属性.物质的运动客观存在,存在于人们意识之外,这便是运动的绝对性.物体的机械运动是指物体位置的变化,而为了指明这种变化必须选择另一个物体并假定其不动,作为参考物.研究物体运动时被假定为不动的物体,称为参考系.例如,研究地球相对于太阳的运动,常选择太阳

大学物理学(上册):参考系、坐标系与时空

宇宙中的一切物体,大到星系,小到原子电子,都处于永恒的运动之中,绝对静止的物体是不存在的.运动和物质是不可分割的,运动是物质存在的形式,是物质的固有属性.物质的运动客观存在,存在于人们意识之外,这便是运动的绝对性.

物体的机械运动是指物体位置的变化,而为了指明这种变化必须选择另一个物体并假定其不动,作为参考物.研究物体运动时被假定为不动的物体,称为参考系.例如,研究地球相对于太阳的运动,常选择太阳作参考系;研究人造地球卫星的运动,常选择地球作参考系;研究地球表面物体的运动,常选择地面作参考系等.

从运动的描述来说,参考系的选择可以是任意的,主要看问题的性质和研究的方便而定.同一物体的运动,由于所选取的参考系不同,因此对它的运动的描述就会不同.例如,在做匀速直线运动的飞机上,有一个自由下落的物体,以飞机为参考系,物体做直线运动;以地面为参考系,物体作抛物线运动;如以太阳或其他天体为参考系,运动的描述将更为复杂.在不同参考系中,对同一物体运动的描述可能不相同,说明运动的描述具有相对性.

为了把运动物体在每一时刻相对参考系的位置定量地表示出来,在参考系上可建立适当的坐标系.常用的坐标系是直角坐标系,它的三条坐标轴(x 轴、y 轴和z 轴)互相垂直.根据需要,也可以选用其他的坐标系,例如极坐标系、球坐标系或柱坐标系等.(www.xing528.com)

物体的运动和空间及时间有着密切的联系.空间反映了物质的广延性.它的概念是与物体的体积和物体位置的变化联系在一起的.时间表示一个过程对应的时间间隔,反映的是物理事件的顺序性和持续性,它是国际单位制(SI)七个基本物理量之一,单位是s(秒).时间具有单方向性.在一定坐标系中考察质点运动时,质点的位置是与时刻相对应的,质点运动所经过的路程是与时间相对应的.

随着科学的进步,人们经历了从牛顿的绝对时空观到爱因斯坦相对论时空观的转变,从时空的有限与无限的哲学思辨到可以用科学手段来探索的阶段.目前量度的时空范围,从宇宙范围的尺度1026 m 到微观粒子尺度10-15 m,从宇宙的年龄(根据大爆炸宇宙模型推算,宇宙年龄大约138.2 亿年)到微观粒子的最短寿命10-24 s.物理理论指出,空间长度和时间间隔都有下限,它们分别是普朗克长度10-35 m 和普朗克时间10-43 s.当小于普朗克时空间隔时,现有的时空概念就可能不再适用了.

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