力学及其应用

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介绍

力学的起源可以追溯到公元前384年到公元前322年。古希腊哲学家是最早提出支配自然规律原理的人。亚里士多德力学被认为是力学的主要理论，直到中世纪。如今，数学力学的原理在我们日常活动中都有应用。让我们更详细地探索力学。

什么是力学？

力学是物理学最重要的分支之一。它帮助我们观察和分析任何物理物体在受力影响下的运动，或者物体静止（F=0）时的状态。力学帮助我们建立各种术语之间的数学关系，例如物体的质量、作用在其上的力（或扭矩）、其线速度（或角速度）等。

它还涉及随后对其环境中这些物理物体的研究。例如 - 考虑一个质量为 m 的静止或在地面上的物体。现在，一个力 F（平行于地面）作用于此物体，使其开始以加速度 a 向前移动。我们都知道 F、m 和 a 之间存在以下关系

$$\mathrm{F=ma}$$

图 1 - 物块的运动

我们上面讨论的是**经典力学**（力学的一个分支）的例子，它考虑了在受力影响下运动的物体的研究和分析。

力学的分支

经典力学

经典力学讨论物体在受力影响下的运动。图 1 中所示的例子属于经典力学。当一个物体在许多作用在其上的力的影响下处于静止状态时，这种状态称为平衡。

经典力学也处理处于平衡状态的物体或身体。

自古以来，**经典力学**对数学家和物理学家都非常重要。它帮助我们对宏观物体的运动进行数学分析，例如抛射体、行星、卫星、机械零件等。它也被称为**牛顿力学**，因为它主要涉及使用**艾萨克·牛顿爵士**提出的概念和理论。

量子力学

经典力学未能解释原子和亚原子粒子的波动性。此外，它未能解释黑体辐射的概念、**光电效应**，并被发现与麦克斯韦电动力学不一致。为了解释粒子在底层或基础水平（即原子和亚原子粒子）的行为和状态，**量子力学**取代了**经典力学**。

粒子的状态包括其位置、速度（动量）等。粒子的波函数用于找到与其相关的**德布罗意波**的振幅，并且对于定义粒子的状态非常重要。它用 ${\psi}$ 表示

相对论力学

牛顿力学处理低速物体的运动。但是如果物体以光速运动怎么办$\mathrm{(
u=c=3\times\:10^{8}\:m/s^{2})?}$ 这就是相对论力学的重要性所在。**阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论**取代了时间的绝对性。爱因斯坦证明，任何物理测量的结果都取决于**参考系**的选择。

狭义相对论考虑了**非加速系**。1916 年，爱因斯坦提出了**广义相对论**，它考虑了加速系及其与重力的关系。广义相对论对于解释黑洞等主题很重要。

基础	狭义相对论	广义相对论
参考系	考虑非加速参考系。	考虑加速参考系。
时空的形状	它预测时空是平坦的。	它预测时空由于重物体的存在而弯曲。

应用

• 牛顿第三运动定律（经典力学）用于火箭运动的数学分析。

• 自由体图（经典力学）帮助我们对处于平衡状态下的物体上作用的各种力进行数学理解。

• 运动方程（经典力学）有助于找到物体在任何时刻的位置、速度和加速度。

• 量子计算机的工作原理是量子力学。量子计算机的处理速度非常快，因为它们使用量子比特。

• 利用量子力学的原理开发了世界上第一台纠缠增强显微镜。它使用差分干涉对比技术。

• 世界上最精确的铯钟利用量子力学。

• 量子隧穿现象被广泛应用于许多电子设备中。闪存芯片利用量子隧穿来擦除其内存。

• 激光器基于受激辐射原理工作，该原理起源于量子力学。

结论

力学的原理在我们日常生活中被广泛使用。力学的分支随着时间的推移而发展，以克服先前分支的局限性。经典力学帮助我们分析宏观物体在受力影响下的运动。量子力学考虑了原子和亚原子粒子的性质、行为和状态。相对论力学是为研究以光速或接近光速运动的物体而发展起来的。力学广泛应用于各个领域。

常见问题

Q1。什么是参考系？

答：它是一个坐标系，其中物体的位移和速度对于某些参考点是唯一确定的。

Q2。参考系的类型有哪些？

答：惯性参考系和非惯性参考系。

Q3。相对论质量和静止质量之间有什么关系？

答：静止质量和相对论质量之间的关系如下：

$$\mathrm{m=\frac{m_0}{\sqrt{1-\frac{
u^{2}}{c^{2}}}}}$$

其中$\mathrm{m_{0}}$是静止质量，m是相对论质量。

Q4。$\mathrm{\lvert \psi^{2} \rvert}$ 的意义是什么？

答：关于量子力学，$\mathrm{\lvert \psi^{2} \rvert}$ 告诉我们找到粒子在特定点的概率。

Q5。薛定谔的猫是什么？

答：这是一个思想实验，描述了量子叠加的悖论。在这个实验中，薛定谔设想了一只假想的猫，如果将其与有毒的鱼一起放入一个盒子里作为食物，并密封一段时间，那么在打开盒子之前，不可能知道猫的状态（活着或死了）。薛定谔强调了这样一个事实：猫同时处于死亡和活着两种状态，除非我们打开盒子来寻找现实。

Q6。什么是长度收缩？

答：关于相对论——对于静止的另一个人来说，任何运动物体的长度看起来都比其原始长度或固有长度短。物体静止时的长度称为其固有长度。运动长度和固有长度之间存在以下关系：

$$\mathrm{L=L_0\sqrt{1-\frac{
u^{2}}{c^{2}}}}$$

这里，$\mathrm{L_0}$是固有长度。