讲座一

严格区分量和数

可以相互比较(测量)的量叫同类量,比较的结果是一个数。量和数必须严格区分。以粗体字母代表量,如A;细体代表数,如A。 手写粗体用A≡A​。

例: 跑道长度l=100米 推广至一般: 设A1​和A2​是同类量,用A1​测A2​得数为A,则有

——同类量等式​A2​=AA1​A1​A2​​=A​

定义: 与量A同类得所有量得集合叫量类A~。 对于上述例子,用厘米测跑到长度,得10000.推至一般: 设用A^测A得数为A,用A^′测A得数为A′,(A^是单位)便有:

A=AA^=A′A^′故A^A^′​=A′A​

即:测同一个量大单位得数小,小单位得数大。

问题:f=ma中得f代表什么? f=6牛顿?抑或f=6? 物理书的公式大多是数的等式。 相对论的公式:

t′=γ(t−c2v​x)γ≡1−(v/c)2​1​

用几何单位制:(c=1)

t′=γ(t−vx)γ≡1−v2​1​

如果v是一个量的化,则不可能等于一个数。 用光速作为一个速度单位就可以得到c=1。

量纲分析

单位制

  1. 选l个量类J~i​为基本量类,其他叫导出量类。
  2. 对每一基本量类选一单位J^i​,叫基本单位
  3. 对每一导出量类C~,用一个涉及C~的物理规律定义其单位,叫导出单位

例:CGS制。基本量类:长度l~,质量m~,时间t~。基本单位:cm∈l~,g∈m~,s∈t~. 导出单位如何定义: 速度单位v^; 设ts走了lcm,以v代表用任一速度单位v^测速度所得的数,则v=ktl​,k反映速度单位的任意性。指定k=1便指定了速度的CGS制单位v^CGS​

量纲

定义:单位制Z与Z′叫同族的,若

  1. 基本量类相同
  2. 导出单位定义方程相同

定义:量类A~在同族单位制Z和Z′的单位A^和A^′的比值称为A~的量纲。即:

dimA~≡A^′A^​

注:

  1. 用说“A~在某个单位制族的量纲”。 2. 因为Z′可变所以量纲是一个变数。

力的量纲:dimf≡LMT−2; 其中L≡diml~M≡m~T≡dimt~ 可见dimf~​是diml~,dimm~,dimt~的三元函数。

公理1: 数的等式在同族单位制形式相同。

定理1:任一单位制的任一导出单位C~的终极定义方程都是幂单项式:

C=kJ1δ1​​⋯Jlδl​​

定理2:量纲式都是幂单项式。

证明: 导出量类C~在Z制的单位C^的终极定义方程:

C=kJ1δ1​​⋯Jlδl​​

在同族制Z′的单位C^′的终极定义方程:

C′=kJ1δ1​​⋯Jlδl​​

故

dimC~≡=​C^′C^​=CC′​=(J1​J1′​​)σ1​⋯(Jl​Jl′​​)σ(dimJ~1​)δ1​⋯(dimJ~l​)δl​​

定理三:$C=A{\alpha}B{\beta} \Rightarrow dim\boldsymbol{C}=(dim\boldsymbol{A}){\alpha}(dim\boldsymbol{B}){\beta} $

证明:

dimC=CC′​=AαBβA′αB′β​=(dimA)α(dimB)β

定理4 (量纲其次性定理)

C=A+B+⋯⇒dimC~=dimB~=⋯

**一般结论:超越函数符号sin,lg,ln,exp等的对象必须为无量纲量,否则,将其泰勒展开后,不符合定理四。

Π定理的证明和应用

设问题涉及n个量,在单位制Z的数Q1​,⋯,Qn​满足:

f(Q1​,⋯,Qn​)=0

借Z把涉及量分两组,甲组有m个量,记作A1​,⋯,Am​,其余n−m个属乙组,记作B1​,⋯Bn−m​. 分组条件:

  1. B~j​可用A~1​,⋯A~m​量纲表出,即:

    dimB~j​=(dimA~1​)x1j​⋯(dimA~m​)xmj​,

  2. A~1​,⋯A~m​相互独立。

Π定理:

  1. 可以构造n−m个独立的无量纲量Π1​,⋯,Πn−m​
  2. f(Q1​,⋯,Qn​)=0可改写为无量纲形式

    F(Π1​,⋯,Πn−m​)=0

证明:设A1​,⋯,Am​;B1​,⋯,Bn−m​在Z制的数为A1​,⋯,Am​;B1​,⋯,Bn−m​,定义

Πj​=Bj​A1−x1j​​⋯Am−xmj​​


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