力學及其應用

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介紹

力學的起源可以追溯到公元前384年到公元前322年。古希臘哲學家是最早提出支配自然規律原理的人。亞里士多德力學被認為是力學的主要理論，直到中世紀。如今，數學力學的原理在我們日常活動中都有應用。讓我們更詳細地探索力學。

什麼是力學？

力學是物理學最重要的分支之一。它幫助我們觀察和分析任何物理物體在受力影響下的運動，或者物體靜止（F=0）時的狀態。力學幫助我們建立各種術語之間的數學關係，例如物體的質量、作用在其上的力（或扭矩）、其線速度（或角速度）等。

它還涉及隨後對其環境中這些物理物體的研究。例如 - 考慮一個質量為 m 的靜止或在地面上的物體。現在，一個力 F（平行於地面）作用於此物體，使其開始以加速度 a 向前移動。我們都知道 F、m 和 a 之間存在以下關係

$$\mathrm{F=ma}$$

圖 1 - 物塊的運動

我們上面討論的是**經典力學**（力學的一個分支）的例子，它考慮了在受力影響下運動的物體的研究和分析。

力學的分支

經典力學

經典力學討論物體在受力影響下的運動。圖 1 中所示的例子屬於經典力學。當一個物體在許多作用在其上的力的影響下處於靜止狀態時，這種狀態稱為平衡。

經典力學也處理處於平衡狀態的物體或身體。

自古以來，**經典力學**對數學家和物理學家都非常重要。它幫助我們對宏觀物體的運動進行數學分析，例如拋射體、行星、衛星、機械零件等。它也被稱為**牛頓力學**，因為它主要涉及使用**艾薩克·牛頓爵士**提出的概念和理論。

量子力學

經典力學未能解釋原子和亞原子粒子的波動性。此外，它未能解釋黑體輻射的概念、**光電效應**，並被發現與麥克斯韋電動力學不一致。為了解釋粒子在底層或基礎水平（即原子和亞原子粒子）的行為和狀態，**量子力學**取代了**經典力學**。

粒子的狀態包括其位置、速度（動量）等。粒子的波函式用於找到與其相關的**德布羅意波**的振幅，並且對於定義粒子的狀態非常重要。它用 ${\psi}$ 表示

相對論力學

牛頓力學處理低速物體的運動。但是如果物體以光速運動怎麼辦$\mathrm{(
u=c=3\times\:10^{8}\:m/s^{2})?}$ 這就是相對論力學的重要性所在。**阿爾伯特·愛因斯坦的狹義相對論**取代了時間的絕對性。愛因斯坦證明，任何物理測量的結果都取決於**參考系**的選擇。

狹義相對論考慮了**非加速系**。1916 年，愛因斯坦提出了**廣義相對論**，它考慮了加速系及其與重力的關係。廣義相對論對於解釋黑洞等主題很重要。

基礎	狹義相對論	廣義相對論
參考系	考慮非加速參考系。	考慮加速參考系。
時空的形狀	它預測時空是平坦的。	它預測時空由於重物體的存在而彎曲。

應用

• 牛頓第三運動定律（經典力學）用於火箭運動的數學分析。

• 自由體圖（經典力學）幫助我們對處於平衡狀態下的物體上作用的各種力進行數學理解。

• 運動方程（經典力學）有助於找到物體在任何時刻的位置、速度和加速度。

• 量子計算機的工作原理是量子力學。量子計算機的處理速度非常快，因為它們使用量子位元。

• 利用量子力學的原理開發了世界上第一臺糾纏增強顯微鏡。它使用差分干涉對比技術。

• 世界上最精確的銫鐘利用量子力學。

• 量子隧穿現象被廣泛應用於許多電子裝置中。快閃記憶體晶片利用量子隧穿來擦除其記憶體。

• 雷射器基於受激輻射原理工作，該原理起源於量子力學。

結論

力學的原理在我們日常生活中被廣泛使用。力學的分支隨著時間的推移而發展，以克服先前分支的侷限性。經典力學幫助我們分析宏觀物體在受力影響下的運動。量子力學考慮了原子和亞原子粒子的性質、行為和狀態。相對論力學是為研究以光速或接近光速運動的物體而發展起來的。力學廣泛應用於各個領域。

常見問題

Q1。什麼是參考系？

答：它是一個座標系，其中物體的位移和速度對於某些參考點是唯一確定的。

Q2。參考系的型別有哪些？

答：慣性參考系和非慣性參考系。

Q3。相對論質量和靜止質量之間有什麼關係？

答：靜止質量和相對論質量之間的關係如下：

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

其中$\mathrm{m_{0}}$是靜止質量，m是相對論質量。

Q4。$\mathrm{\lvert \psi^{2} \rvert}$ 的意義是什麼？

答：關於量子力學，$\mathrm{\lvert \psi^{2} \rvert}$ 告訴我們找到粒子在特定點的機率。

Q5。薛定諤的貓是什麼？

答：這是一個思想實驗，描述了量子疊加的悖論。在這個實驗中，薛定諤設想了一隻假想的貓，如果將其與有毒的魚一起放入一個盒子裡作為食物，並密封一段時間，那麼在開啟盒子之前，不可能知道貓的狀態（活著或死了）。薛定諤強調了這樣一個事實：貓同時處於死亡和活著兩種狀態，除非我們開啟盒子來尋找現實。

Q6。什麼是長度收縮？

答：關於相對論——對於靜止的另一個人來說，任何運動物體的長度看起來都比其原始長度或固有長度短。物體靜止時的長度稱為其固有長度。運動長度和固有長度之間存在以下關係：

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

這裡，$\mathrm{L_0}$是固有長度。