當人們在自然中的發現了一些『經驗定律』,有時並不代表我們『知道』它的『成因』。從科學史來看,許多的『物理概念』都是逐步建立起來的。『熱力學第一定律』是『能量守恆』定律對『非孤立系統』的擴展。此時能量可以用『功』 或『熱』 的形式傳入或傳出系統。即:
此處 為『系統內能』的變化量,如果外界對此系統做功,則 取正值,反之為取負值。
對於『準靜態』的『可逆過程』,可以寫成微分形式
。一直要到『統計力學』之後,人們才能夠用『微觀粒子』間的『交互作用』來說明這些『現象』的『經驗定律』之『成因』。
假使將『電磁學』與『動力學』聯合起來看,『勞侖茲力定律』Lorentz force law 就十分重要。這個定律是一個『基本公理』,並不能夠從別的理論推導出來,而是由無數次『重複的實驗』所得到之結果。在『電動力學』裡,『勞侖茲力』是一個『帶電粒子』於電磁場中運動時,所感受到的電磁作用力。可以用方程式表達為
此處, 是『勞侖茲力』, 是帶電粒子的『電荷量』, 是『電場』, 是帶電粒子的『速度』, 是『磁場』。
之前我們談到過《德汝德模型》,那麼是否可以用它來解釋『焦耳定律』的呢?回顧前文,德汝德將『導體』想像成由相對固定的『正離子』與可移動的『自由電子』所構成。這些為數眾多的『自由電子』彼此間不斷的發生『碰撞』,又和固定的『正離子』間也發生碰撞。同時德汝德假設了︰
一、如果沒有外部的『電磁場』作用,『自由電子』將會作『直線運動』,彼此間的『電磁作用力』可以被忽略。這意味著是一種『獨立電子』的假設,它處於一個由『正離子』與『其他電子』所構成的『平均的環境』 ── 因此淨作用為零 ──,統計上來講這一般認為是『合宜的』。
二、『電子』和『正離子』之間的『碰撞』是『即時』的,統計上無關之『隨機事件』,所以總體來說這沒有任何『淨貢獻』,雖然有不同的學者『批評』它的『合宜性』。然而如果從『散射事件』來看,這也許只是說某些『物質屬性』之『均向性』的另一種說法罷了。
三、假設了『平均碰撞時間』 的『存在』,所以我們可以說很小的一段時距 發生『碰撞』的『機會』是 ,而且這個『機率』和一個『自由電子』的『位置』與『動量』無關。這正像是『丟一根』長度為 的『針』投到一個以 為『格子線』板子上,問『針』掉到『線上』的『機率』大小如何,通常被認為是很好的『近似』。
四、『碰撞』後的『熱電子』應該保有該處『熱平衡』的速度。這是一個作用『鄰近原則』的假設,一般從『物理因果』上講,以為應是『正確的』。
事實在『假設二』中的『電子』與『正離子』的『散射碰撞』,是一種『能量不守恆』的碰撞,『電子』將部份的『能量』移轉給了『正離子』,並使得『金屬』溫度上升,這說明了『焦耳定律』的由來。依據『假設三』,一個電子在很小時距 發生碰撞的機率是 ,那麼某個電子從一開始 到 時刻不發生碰撞的機率可以這樣計算︰將 到 時距切割成 小段,每一段長 ,如此 。於是
,如此 就是間隔了 時間, 時發生碰撞的機率。
參考上圖,一個電子以『初始動量』 在電場 中作運動,並於 時間後與正離子發生碰撞,在發生碰撞前,電子將以 作加速,它的速度將會是 。然後與正離子發生碰撞,依據『假設二』,這個『散射現象』是統計上無關的『隨機事件』,於是每一『立體角』Solid angle 方向的『散射機率』 都相等。再按造『假設四』,散射後的速度 ,這個 就是電子的『熱速度』。因此這個電子移轉給正離子的能量是
。各方向的平均移轉能量為
。如果計之以 的機率,如此每個電子每次碰撞,平均的能量損失是
,假使這個導體的『電子密度』是 ,電子的『碰撞頻率』是 ,單位時間移轉給正離子的平均總能量密度為
。如此一根長度是 ,截面積為 的導線,單位時間的能量損失就會是
。在『德汝德模型』中,,所以 ,於是
。
─── 《【SONIC Π】電聲學之電路學《一》中》
一個好的『模型』可以開闊眼界,進一步解釋『現象成因』,於是對『經驗定律』,比方說︰
焦耳加熱
焦耳加熱也稱為歐姆加熱或電阻加熱,是電流通過導體產生熱量的過程。
焦耳定律或焦耳-楞次定律是定量說明傳導電流將電能轉換為熱能的定律。 1841 年,英國物理學家詹姆斯·焦耳發現載流導體中產生的熱量 Q(稱為焦耳熱)與電流I的平方、導體的電阻 R 和通電時間 t成比例。而在1842年時,俄國物理學家海因里希·楞次也獨立發現上述的關係,因此也稱為「焦耳-楞次定律」。
採用國際單位制時,焦耳定律的表達式為:
Q = I2Rt 或 P = I2R
其中 Q(熱量)、 I(電流)、 R(電阻)、 t(時間)、 P(熱功率)各量的單位依次為焦耳、安培、歐姆、秒和瓦特。
焦耳定律是設計電照明,電熱設備及計算各種電氣設備溫升的重要公式。
也能有更深刻之認識也!或將理解『能量』就是『能量』乎?
只不過『能量』很多種,『單位』常又不同,彼此間形態轉換式子往往費疑猜哩!!
一六七三年法國物理學家丹尼斯‧帕潘 Denis Papin 在巴黎與惠更斯和萊布尼茨做助手期間,逐漸對利用『真空』產生動力感到興趣。其後在為波義耳做助手期間,發明了『高壓蒸鍋』 steam digester,這是一個氣密性良好,藉著增大氣壓提高水的沸點,能夠達到縮短烹飪時間的目的,是『蒸汽機』和『壓力鍋』的前身。一六八一年,帕潘將他的發明帶到了倫敦的英國皇家學會,最終這個發明被當作了一個『實驗器材』;不過,還是給了他加入學會的資格。然而一七零七年到一七一二年間,帕潘多篇論文被皇家學會發表,非但沒有通知他本人,也都沒有付稿費,這令他極為不滿。傳聞帕潘實於一七一二年裡,在窮困潦倒中去世,死後葬於一個不知名的地方。
同一年一七一二年,英國工程師和發明家湯瑪斯‧紐科門 Thomas Newcomen 發明利用『蒸氣』作『機械功』的『氣壓引擎』atmospheric engine,今天稱之為『紐科門蒸氣引擎』,之後被運用在礦區與油田,以節省大量的人力。
蘇格蘭著名的發明家和機械工程師詹姆斯‧馮‧布雷達‧瓦特 James von Breda Watt 是英國皇家學會院士,愛丁堡皇家學會院士。瓦特小時候因為身體孱弱去學校的時間不多,主要的教育都是由母親在家裡進行。他從小就表現出了靈巧的雙手以及數學上的天分,喜歡很多蘇格蘭的民間傳說與故事。一七歲時母親過世,而父親的生意又開始走下坡。瓦特於是到倫敦的一家儀錶修理廠作了一年的徒工,然後回到蘇格蘭格拉斯哥打算開一家自己的修理店。儘管當時蘇格蘭還沒有類似的修理店,由於他並沒有做滿所要求的七年徒工,他的開店申請還是被格拉斯哥的錘業者行會拒絕了。一七五七年格拉斯哥大學的教授給瓦特一個機會,讓他在大學裡開設了一間小修理店,這幫助了他走出了困境。當時物理學家與化學家約瑟夫‧布萊克 Joseph Black 教授更成了瓦特的朋友與導師 。瓦特的小店開業四年後,在朋友蘇格蘭物理學家和發明家約翰‧羅比遜 John Robison 引導下,瓦特開始了對蒸汽機的實驗。據聞那時瓦特也還從未親眼見過一台可以運轉的蒸汽機,但是他就開始建造自己的蒸汽機模型。起初的實驗失敗後,他堅持繼續實驗並且閱讀了所有他能找到的有關蒸汽機的文獻 ,而且獨立的發現了『潛熱』的重要性,殊不知這早在多年前就已被布萊克教授所發現的了。
一七六三年,瓦特得知格拉斯哥大學有一台紐科門蒸汽機 Newcomen steam engine,然而正在倫敦修理,他請求學校取回了這台蒸汽機並親自進行了修理。雖然經過修理,這台蒸汽機勉強可以工作,但是效率很低。再藉著大量的實驗,瓦特發現效率低的原因是因為活塞每推動一次,氣缸里的蒸汽都要先行冷凝,然後再加熱進行下一輪推動,這使得蒸汽百分之八十的熱量,都耗費在為了維持氣缸的溫度之上。一七六五年瓦特取得了關鍵性的進展,他將冷凝器與氣缸分離開來 ,使得氣缸溫度可以持續維持在注入之蒸汽的溫度,並在此基礎上很快建造了一個可以運轉的模型。……這就是 瓦特發明蒸汽機的故事!!
瓦特改良了紐科門蒸汽機,這事奠定了『工業革命』的重要基礎,他是那個時代裡的重要人物。 瓦特創造『馬力』的概念,後人為了紀念他的貢獻,便將『功率』的『單位』命名為『瓦特』。
有些人認為『工業革命』始於一七五九年左右,但是直到一八三零年代,它還沒有真正蓬勃的展開。普遍的觀點認為,工業革命發源於英格蘭中部地區,是在一七六九年瓦特改良蒸汽機之後,再因為一系列『技術革命』引發了從『手工勞動』朝向由『機器生產』的轉變,是一次『生產方式』的重大飛躍。隨後才自英格蘭擴散到整個歐洲大陸,一九世紀方傳播到了北美地區。由於『工業革命』是以機器取代人力,以大規模『工廠化生產』取代個體作坊『手工生產』的一場『生產』與『科技』之革命。因此機器的發明及運用成為了這個時代的標誌,所以歷史學家稱這個時代為『機器時代』 the Age of Machines。
自然界中『能量』的『形式』有很多種,不同的『學說‧理論』的歷史的發展,產生了能量的多種『單位』︰
【機械功】︰ 是『牛頓‧米』,一『『牛頓‧米』就是一『焦耳』。
【熱能』︰將一公克的水在一大氣壓 ── 101.325 kPa ── 下升高攝氏一度所需要的熱量,叫做一『卡路里』Calorie,簡稱作『卡』,縮寫成 cal。後來的科學家發現水在不同溫度下的比熱容量不同,所以又衍生了許多不同的定義。這就是焦耳所量測的『熱功當量』。一『卡』等於 4.186 『焦耳』。
『電能』︰依據『焦耳定律』 是『安培‧伏特‧秒』,也就是說一『安培‧伏特‧秒』就是一『焦耳』。
所謂的『功率』 power 是指『能量』之『轉換』或者『使用』的『速率』,用單位時間的能量大小來表示。『功率』的『單位』是『瓦特』 W ,假使 是一物理系統在 時間內所做的功,那麼這段時間內的『平均功率』 可以由下式給出
。而『瞬時功率』就是當時間 時,『平均功率』的極限值
。也就是講一秒消耗一焦耳的能量就是一『瓦特』,一般所說的『一度電』是指『一千瓦小時』所使用的『電能』多寡,它等於 。
從『瞬時功率』 的『定義』,可以推導出
【機械瞬時功率】是 ;
【電力瞬時功率】是 。
─── 摘自《【SONIC Π】電路學之補充《二》》
因此最好知道所謂的『因次分析』呦??
為什麼要討論『物理量』的『單位』呢?因為一般物理定律都用著『數學式』表達,萬一所計算的物理量發生了『 1 公斤 + 6 米 – 8 秒 』,這可能要比南宋著名禪宗大師大慧宗杲,是臨濟宗楊岐派第五代傳人,所提倡的『看話禪』── 舉個例說︰『萬法歸一,一歸何處?』── 還要『難參無解』。據說物理量使用單位的『因次分析』dimensional analysis 始於牛頓之『相似性原理』;就建立因次分析的現代意義用法上講,馬克士威是位重要的推手,他區分『質量』 、『長度』、『時間』的度量單位為『基礎單位』,將其它單位歸類為『衍生單位』。十九世紀時法國數學家約瑟夫‧傅立葉 Joseph Fourier 洞悉了『物理定律』的『數學方程式』應當與度量物理量的『單位無關』。難道說一個人用『 □ □ 制』單位,另一個人用『○ ○制』單位,他們的牛頓第二運動定律 就因此會是『兩種』的嗎?假使兩人描述『同一』自然現象,在彼此使用的『單位換算』後,竟然能夠是『答案不同』的嗎??
那什麼是物理量的『因次』呢?舉個例子,在 制中,一般力的『度量單位』是『牛頓』Newton,通常用 代表。那你怎麼知道『一牛頓的力』有多大呢? 其實它有個『定義』︰
使質量 物體的加速度為 時所需要的力
。那麼這個定義又從哪裡來的呢?它就是從牛頓第二運動定律 來的,因此 之『』那個單位與 的『』這個度量單位,都是表達牛頓第二運動定律中『力』、『質量』和『加速度』的『概念』間的『物理量』的『單位度量關係』。由於我們是從『質量』和『加速度』的基礎物理量之『大小』,來定義『力的單位』,所以說『牛頓』是一個衍生的『導出單位』。如果比較 CGS 制『一達因的力』之『定義』
使質量 物體的加速度為 時所需要的力
,所以
。仔細考察『單位轉換』的過程,『』,而『』都是『質量度量』單位,同樣的『』中之『』都是『長度度量』單位。由於『自然界』並沒有偏好哪一種『度量單位』,它的選擇當然是『人為的』。其次『相同』的『度量領域』的『單位變換』,它的『變換係數』通常是無單位的數值『常數』,比方說『』中之『』,或者『』裡的『』,因為它們都是同類的度量單位。於是我們可以說『因次』就是『物理單位』中『物理概念』的『度量抽象』。舉例來講,不論長度的度量單位是『米、公分、尺、…』 ,我們都說這個『物理量』的『因次』是『長度』。這樣一個物理量的因次就可以由是基本的『質量』、『長度』、『時間』、『電荷量』、『絕對溫度』…組合,藉由對應的『因次符號』『M』、『L』、『T』、『Q』、『』…來表達,將該物理量的因次寫成『 』,此處的 都是『有理數』。
假使說發現了一個物理定律,就說是『彈簧』的『虎克定律』 吧,那麼虎克常數『』的因次是什麼呢?如果將這個線性彈簧施加『1 N』的力,它從平衡處位移了『』,此處 是『無因次』的『純量』。這樣依據『虎刻定律』
,因此 , 的因次是 ,也許有人想還是『牛頓/米』比較親切的啊!這個『每秒每秒幾公斤』到底是什麼的嗎??事實上『自然定律』將各個『物理概念』聯繫了起來,於是『同類現象』或者『運動現象』在『度量上』需要與『已經定義』的『單位』保有『一致性』,能夠彼此『相容』。就像牛頓的『萬有引力』定律 ,既然是『力的範疇』,那個『萬有引力常數』
的『單位』就得確保最終 是『力』的單位,而且符合『一牛頓的力』度量之大小『定義』。當然它的因次 就是『抽象』的了!要是說道兩靜電荷間作用力的『庫侖定律』
,
,就怕那個『庫侖常數』 的『因次』 會是『天書』的吧!其實這卻是許多『物理常數』的由來!!
─── 摘自《【SONIC Π】聲波之傳播原理︰原理篇《四上》》
如是藉著
歐拉運動定律
歐拉運動定律(Euler’s laws of motion)是牛頓運動定律的延伸,可以應用於多粒子系統運動或剛體運動,描述多粒子系統運動或剛體的平移運動、旋轉運動分別與其感受的力、力矩之間的關係 。在艾薩克·牛頓發表牛頓運動定律之後超過半個世紀,於1750年 ,萊昂哈德·歐拉才成功地表述了這定律。[1][2]
剛體也是一種多粒子系統,但理想剛體是一種有限尺寸,可以忽略形變的固體。不論是否感受到作用力,在剛體內部,點與點之間的距離都不會改變。
歐拉運動定律也可以加以延伸,應用於可變形體(deformable body)內任意部分的平移運動與旋轉運動。
剛體
歐拉第一運動定律
歐拉第一定律表明,從某慣性參考系觀測,施加於剛體的淨外力 ,等於剛體質量與質心加速度的乘積。[3]歐拉第一定律以方程式表達為
- 其中, 是剛體感受到的淨外力, 、 分別是剛體的質量、質心加速度。
剛體的平移運動等同於位於其質心、具有其質量的粒子,感受到同樣的淨外力,而呈現的運動。
……
歐拉第二運動定律
歐拉第二定律表明,設定某慣性參考系的固定點O(例如,原點)為參考點,施加於剛體的淨外力矩,等於角動量的時間變化率。歐拉第二定律以方程式表達為
;
其中, 是對於點O淨外力矩, 是對於點O的角動量。
……… 摘自《STEM 隨筆︰古典力學︰動力學》
※ 註︰
角動量
在物理學中,角動量是與物體的位置向量和動量相關的物理量。對於某慣性參考系的原點 ,物體的角動量是物體的位置向量和動量的叉積,通常寫做 。角動量是向量。
其中, 表示物體的位置向量, 表示角動量。 表示動量。角動量 又可寫為:
其中, 表示杆狀系統的轉動慣量, 是角速度向量。
假設作用於物體的外力矩和為零,則物體的角動量是守恆的。需要注意的是,由於成立的條件不同,角動量是否守恆與動量是否守恆沒有直接的聯繫。
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 的時變率:
當物體的轉動狀態發生改變時,表示物體受到力矩作用,而力矩就等於角動量的時變率:
當曉 是瞬時功率耶☆