引入
为什么速度要写成 ,而时间只写 ?
为什么位移不能直接把两段路程相加?
为什么角速度的方向要用右手定则规定,而且换个约定它就会反向?
运动学里很多错误不是公式记错,而是把量和它的方向拆开了。物理量按照“有没有方向”分成标量、矢量、赝向量三类,每一类的运算规则不同。分不清类别,就会出现“速度相加直接算数值”这类错误。
正文
标量
定义
只有大小、没有方向的物理量。运动学中的时间 、路程 、速率 、质量 都是标量。
标量遵循普通算术法则,直接加减乘除。两个速率相加就是数值相加。
矢量
定义
同时具有大小和方向的物理量。运动学中的位置 、位移 、速度 、加速度 都是矢量。
矢量运算不能只算数值,必须同时处理方向。
矢量运算法则
矢量加法
物理意义:合成运动或合成位移。一个物体同时参与两个方向的运动时,总位移是两个分位移的矢量和。
平行四边形法则:把两矢量 、 的起点重合,以它们为邻边作平行四边形,对角线就是合矢量 。
三角形法则:把 的起点平移到 的终点(首尾相接),从 的起点指向 的终点的矢量就是合矢量。
坐标运算:在笛卡尔坐标系中,若 、,则
矢量减法
物理意义:计算物理量的变化量。
- 位移:(末位置减初位置)
- 速度变化量:(用于定义加速度)
法则: 定义为 ,其中 与 大小相等、方向相反。
坐标运算:
矢量乘法
数量积(点积)
定义
两个矢量 、 的数量积是一个标量: 其中 是两矢量之间的夹角()。
物理意义:一个矢量在另一个矢量方向上的投影,乘以另一个矢量的大小。
经典应用是计算功:。
也可用来判断垂直:若 且两矢量非零,则 。匀速圆周运动中,速度 始终垂直于向心加速度 。
坐标运算:
向量积(叉积)
定义
两个矢量 、 的向量积是一个新的矢量,记作 。
大小:,等于以 、 为邻边的平行四边形面积。
方向:垂直于 、 所决定的平面,指向由右手定则确定——四指从 沿较小夹角弯向 ,拇指所指即 的方向。
重要性质:
- 反对称性:,顺序不可交换。
- 若 与 平行(同向或反向),则 。
主要用途:描述转动。角速度 与线速度 的关系为 ;角加速度 与线加速度的关系同理。
坐标运算:
赝向量
定义
通过向量积定义的物理量称为赝向量(轴矢量)。
与“真”矢量的区别在于空间反演()时的行为:
- 真矢量(位移、速度、力)在空间反演时方向反向。
- 赝向量在空间反演时方向不反向。
理解方式:赝向量的方向是人为规定的(依赖右手定则)。如果改用左手定则定义叉积,所有赝向量的方向都会反转,但它们描述的物理现象(转动的快慢和方向)不变。
三类量的对比
| 类型 | 是否有方向 | 空间反演 | 例子 |
|---|---|---|---|
| 标量 | 无 | 不变 | 时间、质量、路程、速率、能量 |
| 矢量 | 有 | 反向 | 位移、速度、加速度、力、动量 |
| 赝向量 | 有(人为规定) | 不反向 | 角速度、角加速度、力矩、角动量 |
引出
国际单位制基本单位及其导出单位都是标量,单位本身不携带方向信息。
为什么角动量也是赝向量?它在空间反演下真的不改变吗?
相对论中,速度和加速度的合成还能直接用平行四边形法则吗?