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守恆量

指数 守恆量

在經典力學裏,對於一個動力系統,隨著時間的演進,所有保持不變的物理量都稱為守恆量(conserved quantity),又稱為運動常數。由於很多物理定律會表達某種守恆行為,對應的守恆量時常會出現於真實系統。例如,假設在某系統內涉及的作用力是保守力,則此系統的能量是守恆量。假設涉及的作用力是連心力,則此系統的角動量是守恆量。.

20 关系: 动能动量守恒定律力矩守恒定律廣義坐標廣義速度保守力哈密頓系統经典力学物理量運動常數角动量质量能量能量守恒定律速度連心力李亞普諾夫函數拉格朗日量

动能

动能是物质运动时所得到的能量。它通常被定义成使某物体从静止状态至运动状态所做的功。由于运动是相对的,动能也是相对于某参照系而言。同一物体在不同的参照系会有不同的速率,也就是有不同的动能。动能的国际单位是焦耳(J),以基本单位表示是千克米平方每秒平方(kg·m2·s-2)。一个物体的动能只有在速率改变时才会改变。.

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动量守恒定律

动量守恒定律(Conservation of momentum):如果物体系受到的合外力为零,则系统内各物体动量的矢量合保持不变,系統質心維持原本的運動狀態。.

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在物理學中,力是任何導致自由物體歷經速度、方向或外型的變化的影響。力也可以藉由直覺的概念來描述,例如推力或拉力,這可以導致一個有質量的物體改變速度(包括從靜止狀態開始運動)或改变其方向。一個力包括大小和方向,這使力是一個向量。牛頓第二定律,\mathbf.

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力矩

在物理学裏,作用力促使物體繞著轉動軸或支點轉動的趨向,稱為力矩(torque),也就是扭转的力。转动力矩又称为转矩。力矩能够使物体改变其旋转运动。推擠或拖拉涉及到作用力 ,而扭转則涉及到力矩。如图右,力矩\boldsymbol\,\!等於径向向量\mathbf\,\!与作用力\mathbf\,\!的叉积。 簡略地说,力矩是一種施加於好像螺栓或飛輪一類的物體的扭轉力。例如,用扳手的開口箝緊螺栓或螺帽,然後轉動扳手,這動作會產生力矩來轉動螺栓或螺帽。 根據国际单位制,力矩的单位是牛顿\cdot米。本物理量非能量,因此不能以焦耳(J)作單位;根據英制单位,力矩的单位则是英尺\cdot磅。力矩的表示符号是希腊字母\boldsymbol\,\!,或\mathbf\,\!。 力矩與三個物理量有關:施加的作用力\mathbf\,\!、從轉軸到施力點的位移向量\mathbf\,\!、兩個向量之間的夾角\theta\,\!。力矩\boldsymbol\,\!以向量方程式表示為 力矩的大小.

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守恒定律

在物理學裏,假若孤立物理系統的某種可觀測性質遵守守恆定律(law of conservation),則隨著系統的演進,這種性質不會改變。 諾特定理是關於守恆定律的重要理論。諾特定理表明,每一種守恆定律,必定有其伴隨的物理對稱性。例如,伴隨著能量守恆的是物理系統對於時間的不變性。不論在空間的取向為何,物理系統的物理行為一樣,這性質導致角動量守恆。.

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廣義坐標

#重定向 廣義座標.

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廣義速度

拉格朗日力學時常涉及廣義速度。假設一個物理系統的廣義坐標是(q_1,\ q_2,\ q_3,\ \dots,\ q_N)\,\!,表示廣義速度為(\dot_1,\ \dot_2,\ \dot_3,\ \dots,\ \dot_N)\,\!。廣義速度定義為廣義坐標對於時間t\,\!的導數:.

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保守力

假设一感受着某作用力的粒子,從初始位置移動到終結位置,而此作用力所做的功跟移動路徑無關,則稱此力為保守力(conservative force),又稱為守恆力。等價地說,假設一個粒子從某位置,移動經過一條閉合路徑後,又回到原本位置,則作用於這粒子的保守力所做的機械功(保守力對於整個閉合路徑的積分)等於零。假設在一個物理系統裏,所有的作用力都是保守力,則稱此物理系統為「保守系統」,又稱為「守恆系統」。對於這種系統,在空間裏每一個位置,都可以給定位勢一個唯一數值。假設粒子從某位置移動至另一位置,則由於保守力的作用,粒子的勢能可能會有所改變,但前後差值與移動經過的路徑無關。例如,重力是一種保守力,而摩擦力是一種非保守力。.

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哈密頓系統

哈密頓系統是物理學和古典力學中的一個實體系統,是動力系統的一個特例——其中的力和動量是不變量。哈密頓系統研究的是哈密頓力學。 在數學中,汉密顿系统是一個可以書寫成哈密頓方程式形式的微分方程系統。哈密頓系統通常可以用哈密頓向量場公式表示在辛流形或帕松流形上。.

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经典力学

经典力学是力学的一个分支。经典力学是以牛顿运动定律为基础,在宏观世界和低速状态下,研究物体运动的基本学科。在物理學裏,经典力学是最早被接受为力學的一个基本綱領。经典力学又分为静力学(描述静止物体)、运动学(描述物体运动)和动力学(描述物体受力作用下的运动)。16世纪,伽利略·伽利莱就已采用科学实验和数学分析的方法研究力学。他为后来的科学家提供了许多豁然开朗的启示。艾萨克·牛顿则是最早使用数学语言描述力学定律的科学家。.

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物理量

物理量,是物理之中能測量的量,例如質量、體積,或者是測量和通常以數和物理單位(通常偏好國際單位制單位)的積表達的結果。 在1971年第十四屆國際度量衡大會(General Conference of Weights & Measures)中,選擇了七個物理量作為基本量的國際單位系統,其法文名稱"Le Système International d’unités",縮寫為"SI",其基本七個物理量如下:.

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運動常數

在經典力學裏,對於一個動力系統,隨著時間的演進,所有保持不變的物理量都稱為運動常數(constant of motion),又稱為守恆量。它的作用有點類似運動的約束。可是,運動常數是數學的約束,自然地從運動方程式中顯現出來,而不是物理的約束;物理的約束會有相應的約束力來維持這約束。常見的運動常數例子有能量、動量、角動量、拉普拉斯-龍格-冷次向量。.

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角动量

在物理学中,角动量是与物体的位置向量和动量相关的物理量。對於某慣性參考系的原點\mathbf,物體的角動量是物体的位置向量和动量的叉積,通常写做\mathbf。角动量是矢量。 其中,\mathbf表示物体的位置向量,\mathbf表示角动量。\mathbf表示动量。角動量\mathbf又可寫為: 其中,I表示杆状系统的转动惯量,\boldsymbol是角速度矢量。 假設作用於物體的外力矩和為零,則物體的角动量是守恒的。需要注意的是,由于成立的条件不同,角动量是否守恒与动量是否守恒没有直接的联系。 當物體的運動狀態(動量)發生變化,則表示物體受力作用,而作用力大小就等於動量\mathbf的時變率:\mathbf.

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质量

在日常生活中的“重量”常常被用來表示“質量”,但是在科学上,这两个词表示物质不同的属性(参见质量对重量)。 在物理上,质量通常指物质在以下的三个实验上证明等价的属性之一:.

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能量

在物理學中,能量(古希臘語中 ἐνέργεια energeia 意指「活動、操作」)是一個間接觀察到的物理量。它往往被視為某一個物理系統對其他的物理系統做功的能力。由於功被定義為力作用一段距離,因此能量總是等同於沿著一定的長度阻擋某作用力的能力。 一個物體所含的總能量奠基於其質量,能量如同質量一般,不會無中生有或無故消失。能量就像質量一樣,是一個純量。在國際單位制(SI)中,能量的單位是焦耳,但是在有些領域中會習慣使用其他單位如千瓦·時和千卡,這些也是功的單位。 A系統可以藉由簡單的物質轉移將能量傳輸到B系統(因為物質的質量等效於能量)。然而,如果能量不是藉由物質轉移而傳輸能量,而是由其他方法轉移能量,將會使B系統產生變化,因為A系統對B系統作了功。這功表現的效果如同於一個力沿一定的距離作用在接收能量的系統裡。舉例來說,A系統可以藉由轉移(輻射)電磁能量到B系統,而這會在吸收輻射能量的粒子上產生力。同樣的,一個系統可能藉由碰撞轉移能量,而這種情況下被碰撞的物體會在一段距離內受力並獲得運動的能量,稱為動能。熱可以藉由輻射能轉移,或者直接藉由系統間粒子的碰撞而以微觀粒子之動能的形式傳遞。 能量可以不表現為物質、動能或是電磁能的方式儲存在一個系統中。當粒子在與其有交互作用的力場中受外力移動一段距離,此粒子移動到這個場的新位置所需的能量便如此的被儲存了。當然粒子必須藉由外力才能保持在新位置上,否則其所處在的場會藉由釋放儲存能量的方式,讓粒子回到原來的狀態。這種藉由粒子在力場中改變位置而儲存的能量就稱為位能。一個簡單的例子就是在重力場中往上提升一個物體到某一高度所需要做的功就是位能。 任何形式的能量可以轉換成另一種形式。舉例來說,當物體在力場中,因力場作用而移動時,位能可以轉化成動能。當能量是屬於非熱能的形式時,它轉化成其他種類能量的效率可以很高甚至達百分之百,如沿光滑斜面下滑的物體,或者新物質粒子的產生。然而如果以熱能的形式存在,則在轉換成另一種型態時,就如同熱力學第二定律所描述的,總會有轉換效率的限制。 在所有能量轉換的過程中,總能量保持不變,原因在於總系統的能量是在各系統間做轉移,當某個系統損失能量,必定會有另一個系統得到這損失的能量,導致失去和獲得達成平衡,所以總能量不改變。這個能量守恆定律,是十九世紀初時提出,並應用於任何一個孤立系統。(其後雖有質能轉換方程式的發現,但根據該方程式,亦可以把質量視為能量的另一存在形式,所以此定律可說依舊成立)根據諾特定理,能量守恆是由於物理定律不會隨時間改變而得到的自然結果。 雖然一個系統的總能量,不會隨著時間改變,但其能量的值,可能會因為參考系而有所不同。例如一個坐在飛機裡的乘客,相對於飛機其動能為零;但是相對於地球來說,動能卻不為零。.

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能量守恒定律

能量守恒定律(law of conservation of energy)闡明,孤立系统的总能量 E 保持不变。如果一个系统处于孤立环境,即不能有任何能量或質量从该系统输入或输出。能量不能无故生成,也不能无故摧毁,但它能够改变形式,例如,在炸弹爆炸的过程中,化学能可以转化为动能。 从能量守恒定律可以推导出第一類永动机永远無法實現。没有任何孤立系统能够持續對外提供能量。.

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速度

速度(Vēlōcitās,Vitesse,Velocità,Geschwindigkeit,Velocity)是描述物体运动快慢和方向的物理量。物体在一段时间\Delta t内的平均速度\bar是它在这段时间里的位移\Delta \boldsymbol和时间间隔之比: 物体在某一时刻的瞬时速度\boldsymbol则是定義為位置矢量\boldsymbol 隨時間t的變化率: 物理学中提到物体的速度通常是指其瞬时速度。速度在国际单位制中的单位是米每秒,国际符号是m/s,中文符号是米/秒。相对论框架中,物体的速度上限是光速。 日常生活中,速度和速率幾乎是同義的。然而在物理學中,速度和速率是两个不同的概念。速度是矢量,具有大小和方向;速率則純粹指物體運動的快慢,是标量,没有方向。举例来说,假如一辆汽车以60公里每小时的速率朝正北方行驶,那么它的速度是一个大小等于60公里每小时、方向指向正北的矢量。物体的瞬时速率等于瞬时速度的大小,而平均速率则不一定等于平均速度的大小。.

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連心力

在物理學裏,作用力可以分類為連心力(central force)與非連心力。連心力的方向永遠指向一個固定點;稱此點為力中心點。許多宇宙最基本的力,像萬有引力、靜電力,都是連心力。而勞侖茲力的磁力部分則乃非連心力。連心力以方程式表達為 其中,\mathbf是連心力,\mathbf是從力中心點到檢驗位置的徑向向量。 連心力可以進一步細分為兩種版本:強版本和弱版本。強版連心力要求連心力跟徑向距離有關: 弱版連心力沒有這嚴厲的條件。在物理學裏,大多數重要的連心力都是強版連心力;簡單擺的繩索作用於擺錘的拉力是一種弱版連心力,這拉力的方向是徑向方向,但對於小角度擺動,拉力的大小可以近似為一個常量,是擺錘感受到的重力大小。.

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李亞普諾夫函數

李雅普诺夫函数(Lyapunov function)是用來證明一動力系統或自治微分方程穩定性的函數。其名稱來自俄罗斯數學家亞歷山大·李亞普諾夫(Александр Михайлович Ляпунов)。李亞普諾夫函數在穩定性理論及控制理論中相當重要。 若一函數可能可以證明系統在某平衡點的穩定性,此函數稱為李亞普諾夫候選函數(Lyapunov-candidate-function)。不過目前還找不到一般性的方式可建構(或找到)一個系統的李亞普諾夫候選函數,而找不到李亞普諾夫函數也不代表此系統不穩定。在動態系統中,有時會利用守恆律來建構李亞普諾夫候選函數。 針對自治系統的李亞普諾夫定理,直接使用李亞普諾夫候選函數的特性。在尋找一個系統平衡點附近的穩定性時,此定理是很有效的工具。不過此定理只是一個證明平衡點穩定性的充分條件,不是必要條件。而尋找李亞普諾夫函數也需要碰運氣,通常會用試誤法(trial and error)來尋找李亞普諾夫函數。.

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拉格朗日量

在分析力學裏,一个动力系统的拉格朗日量(Lagrangian),又稱為拉格朗日函數,是描述整个物理系统的动力状态的函数,對於一般經典物理系統,通常定義為動能減去勢能,以方程式表示為 其中,\mathcal為拉格朗日量,T為動能,V為勢能。 在分析力学裡,假設已知一个系统的拉格朗日量,则可以将拉格朗日量直接代入拉格朗日方程式,稍加运算,即可求得此系统的运动方程式。 拉格朗日量是因數學家和天文學家約瑟夫·拉格朗日而命名。.

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