非惯性系角动量守恒定律公式

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非惯性系中动力学问题的讨论
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判断题一个系统的角动量守恒,其动量不一定守恒(∠)
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浅谈角动量守恒定律
发布时间:责任编辑:美斌
  角动量守恒定律是大学物理中的重要的基本定律,下面小编为大家带来关于浅谈角动量守恒定律的论文,欢迎你大家借鉴!
  摘 要:角动量守恒定律与动量守恒定律及对一轴线和对轴线上任一点的角动量守恒两个容易混淆的问题,从守恒条件和守恒量两个方面进行了比较与澄清。
  关键词:动量守恒;角动量守恒;守恒条件;守恒量
  角动量(又称动量矩)守恒定律是力学三大守恒定律之一。
  一、角动量守恒定律原理
  (一)物理学的普遍定律之一
  反映质点和质点系围绕一点或一轴运动的普遍规律。反映不受外力作用或所受诸外力对某定点(或定轴)的合力矩始终等于零的质点和质点系围绕该点(或轴)运动的普遍规律。物理学的普遍定律之一。如,一个在有心力场中运动的质点,始终受到一个通过力心的有心力作用,因有心力对力心的力矩为零,所以根据角动量定理,该质点对力心的角动量守恒。因此,质点轨迹是平面曲线,且质点对力心的矢径在相等的时间内扫过相等的面积。如果把太阳看成力心,行星看成质点,则上述结论就是开普勒行星运动三定律[1]之一。
  一个不受角动量原理图
  外力或外界场作用的质点系,其质点之间相互作用的内力服从牛顿第三定律,因而质点系的内力对任一点的主矩为零,从而导出质点系的角动量守恒。如,质点系受到的外力系对某一固定轴之矩的代数和为零,则质点系对该轴的角动量守恒。角动量守恒也是微观物理学中的重要基本规律。在基本粒子衰变、碰撞和转变过程中都遵守反映自然界普遍规律的守恒定律,也包括角动量守恒定律。W・泡利于1931 年根据守恒定律推测自由中子衰变时有反中微子产生,1956年后为实验所证实。
  角动量定理的微商,等于作用于该质点上的力对该点的力矩。对于质点系,由于其内各质点间相互作用的内力服从牛顿第三定律,因而质点系的内力对任一点的主矩为零。利用内力的这一特性,即可导出质点系的角动量定理:质点系对任一固定点O的角动量对时间的微商等于作用于该质点系的诸外力对O点的力矩的矢量和。由此可见,描述质点系整体转动特性的角动量只与作用于质点系的外力有关,内力不能改变质点系的整体转动情况。
  动量守恒定律和能量守恒定律以及角动量守恒定律一起成为现代物理学中的三大基本守恒定律。最初它们是牛顿定律的推论,但后来发现它们的适用范围远远广于牛顿定律,是比牛顿定律更基础的物理规律,是时空性质的反映。其中,动量守恒定律由空间平移不变性推出,能量守恒定律由时间平移不变性推出,而角动量守恒定律则由空间的旋转对称性推出;相互间有作用力的物体系称为系统,系统内的物体可以是两个、三个或者更多,解决实际问题时要根据需要和求解问题的方便程度,合理地选择系统。
  二、角动量守恒定律与动量守恒定律的关系
  在大学物理教学中发现由于种种原因,学生常不能真正了解动量守恒定律的实验基础,有很多学生认为动量守恒定律只是牛顿定律的推论,只对力学领域以内宏观、常速物体适用。而在高等学校的普通物理教材中,对上述问题表述得比较清楚。教师在讲课时应结合物理学的发展强调人们对动量概念及有关规律在物理学中的重要地位的逐步认识。如在对碰撞、打击现象的研究中出现了最初的、用动量描述运动的思想,并进一步介绍动量守恒定律的一些实验基础时应着重指出:从历史上看,动量守恒定律是独立发展的,其出现比牛顿定律还早,决不能把它当作是牛顿定律的副产物;并指出:由于近代物理的发展,将动量守恒定律应用于力学以外的领域,不仅导致一系列重大发现,而且使定律自身的概念得以发展和完善。教学中通过实际的例子使学生真正理解动量守恒定律已成为物理学中最重要的基本规律之一。
  (一)力学中动量守恒定律与角动量守恒定律的建立
  动量概念最早是在研究碰撞、打击等现象过程中提出的。笛卡尔第一个明确提出了运动量守恒的概念,并对碰撞的多种情况进行了比较系统的研究。惠更斯发展了笛卡尔关于动量的概念,指明动量是有方向的,由此可见,动量守恒定律最初并非由理论上推导出来的。牛顿概括了前人的成果建立起力学的公理化体系之后,动量守恒定律在原有的坚实实验基础之上,纳入力学的理论体系。
  角动量的概念在力学上出现得较晚,但开普勒在16世纪末到17世纪初对天体运动进行了大量的分析和推算,总结出行星运动的开普勒三定律。行星运动的开普勒第二定律认为,对于任一行星,由太阳到行星的径矢在相等的时间内扫过相等的面积。这实际上是在有心力作用下质点对力心的角动量守恒的具体体现,这在2003年&全国中学生物理竞赛&复赛试题中得到应用。由此可见,角动量守恒的基本思想最初也不是全由理论推导而得来的。
  (二)力学中动量守恒定律与角动量守恒定律的适用范围
  下面在经典力学及惯性系范围内进行讨论。
  1.动量守恒定律
  如果质点系所受外力的矢量和为零,即&F外=0,由质点系动量定理的微分形式得到:&mv=恒矢量,即当外力的矢量和为零时,质点系的总动量不随时间变化。这就是动量守恒定律。所需质点系动量守恒的必要充分条件,就是这个质点系所受外力的矢量和为零。
  在应用动量守恒定律时,应注意以下几点:
  (1)在理解动量守恒定律时,一定要注意动量的矢量性。我们所说的质点系的总动量,是指系统中所有质点动量的矢量和;
  (2)在一些具体问题中,&F外=0很难满足,但若系统中质点间的相互作用内力比它们所受的外力大得多,也可以足够好地应用动量守恒定律。例如在打击或碰撞问题中,相互作用的两个物体均受重力,但由于相互碰撞的内力远大于外力,此时动量守恒定律可近似成立。在这类问题中,应确认外力与内力的数量级,当它们属同一数量级时,不能忽视外力的作用;
  (3)对某一系统,&F外&0,但在某一方向上外力的投影的代数和为零,在这一方向上质点系动量的分量保持恒定,即动量守恒。例如:当&FX=0时,&SmvX=恒量;
  (4)当系统是刚体时,所有外力的作用相当于一个合力及一个合力矩,只要合力等于零,即使合力矩不等于零,动量守恒定律仍成立。
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本视频首先介绍了矢量和标量的概念,以“一个砖块向右移动5米”为例详细说明了矢量和标量区别和联系。
给出位移和时间,计算物体运动平均速度和速率。
给出物体运动速度,计算需要多长时间走过一段距离。
本段视频讲述了一个关于位移等于时间乘以速度的应用题。
本段视频通过讲述一个例题,介绍了加速度的定义和应用。
介绍牛顿第一定律:,又称惯性定律的普遍表达式为:静止的物体,永远保持静止状态。而一个运动的物体,除非受到一净外力的作用,否则会保持原有的方向和速度运动。
第7集主要介绍了牛顿运动第二定理,并通过简单计算来对牛顿第二定理的公式F=ma进行说明。
本段视频通过几个例子,讲述了牛顿第三定律的内容。
本段视频讲述了一个关于加速度,速度,时间关系的应用题。
本段视频讲述了如何根据速度,加速度,时间等已知量求出距离的问题。
本视频首先介绍了常量速度运动一定时间下的位移两种计算方法:1、位移等于速度乘以时间;2、位移等于速度-时间曲线下的面积。其次介绍了常量加速度在一定时间下位移计算方法:1、位移等于1/2乘以加速度乘以时间的平方;2、位移也等于速度-时间曲线下的面积。
介绍物体加速度恒定的情况下,物体在一段时间内的平均速度。
本段视频通过对一个例题的分析和计算,推倒出了一个根据起始、结束速度和位移求加速度的公式。
本段视频通过讲述了汽车拐弯的问题,说明了矢量的两个要素:大小和方向。
15集从地球上的物体都会落向地面这个普遍规律说起,介绍了牛顿从落下的苹果一事推理出万有引力的过程,然后给出了万有引力的公式,并对其中的万有引力常数进行了说明。在将地球质量、地球表面到地心的距离带入公式后,得到了重力加速度g。最后根据F=ma说明了,虽然地球与地球表面的物体之间的吸引力是一样的,但物体对地球的吸引力不会让地球有可以观测到的加速度。
本视频主要澄清了两个概念:质量和重力。质量有很多定义,不随着物体的位置变化。重力是星球与物体之间的万有引力而产生的,以地球和月球上的重力不同为例,详细说明了二者的关系,最后以磅、英尺、秒为单位引入了单位:slug的重力表示方法。
本段视频讲述了这样一个事实:在地球附近的轨道上的物体不是不受地球吸引力,而是由于绕着地球快速旋转才产生了失重感觉。
介绍在月球上没有空气阻力作用时,砖块和羽毛下落的运动方式。
本视频首先讲解了抛到空中的物体由于与地心距离变化很小,所以加速度不变。然后在这个基础上,利用简单的位移公式,即位移等于平均速度乘以时间间隔,推导出空中物体的位移和时间间隔的关系。
介绍抛体运动中,物体的位移,加速度,速度随时间变化的方式。
给出抛体运动滞空时间,求解抛体运动高度。
本视频讲解了已知抛到空中的物体在空中停留的时间,在加速度恒定且忽略空气阻力的情况下,推导出求距地面最大位移公式的过程,结果非常直观,并经过验证确保有效性。
本段视频讲解了自由落体运动中末速度的求解问题:已知物体下落高度很小,忽略空气阻力,已知恒加速度和下落高度,那么末速度求解公式为2*恒加速度*下落高度=末速度的平方(注意速度矢量方向)。
作图表示二维向量,向量加法的概念。
对物体以一定的初速度向空中抛出,仅在重力作用下物体所做的运动叫做抛体运动。这一节讲解往斜上方抛出的物体将如何运动,求出了物体的飞行时间和飞行距离。
对物体以一定的初速度向空中抛出,仅在重力作用下物体所做的运动叫做抛体运动。这一节给出了飞行时间Δt的另一种方法,推导出竖直方向的位移公式s=v₀Δt+aΔt²/2,并以此求出飞行时间。
对物体以一定的初速度向空中抛出,仅在重力作用下物体所做的运动叫做抛体运动。这一节在前面的基础上,进一步复杂化了问题,假设发射和着陆高度不同不同,即竖直方向位移不为0。这一节对这种问题进行了详细解答。
对物体以一定的初速度向空中抛出,仅在重力作用下物体所做的运动叫做抛体运动。这一节继续讲抛体运动,之前一直用到的是矢量分解,这一节讲解了如何用矢量合并,求出抛体的总位移。
对物体以一定的初速度向空中抛出,仅在重力作用下物体所做的运动叫做抛体运动。这一节继续讲抛体运动,这一节接着之前的例子,继续用矢量合并,求出抛体的总速度。
本段视频纠正了上个视频中最后的数字错误。
对物体以一定的初速度向空中抛出,仅在重力作用下物体所做的运动叫做抛体运动。这一节将问题进一步复杂化,假设抛体运动发生在斜面上,飞行时间不再只和速度竖直分量相关,还是水平分量相关。这一节具体讲解了该问题的求法。
本段视频主要讲述了怎么用单位矢量表示一个矢量,或者矢量怎么分解成单位矢量的组合。
本段视频讲述了一个关于斜抛运动的应用题。
本段视频继续上个视频中的问题,讲述了一个关于斜抛运动的应用题。
本段视频讲述了斜抛运动中,飞行距离与初速度和出射角度的关系问题。
本段视频继续上个视频,讲述了斜抛运动中,飞行距离与初速度和出射角度的关系问题。
本段视频继续前两个视频,讲述了斜抛运动中,飞行距离与初速度和出射角度的关系问题。
本段视频继续前三个视频,讲述了斜抛运动中,飞行距离与初速度和出射角度的关系问题。并求出了最佳出射角度是45度。
本段视频主要讲述了牛顿第一定律和牛顿第一定律的微观原理。
这一节讲解了电梯中的超重和失重现象。分静止、加速、匀速、减速四种情况探讨了电梯中法向力(支持力)的大小,并详细给出了求解过程。
假设斜面倾角为θ,斜面上物体的重力mg可以分解为垂直于斜面和水平于斜面的两个分量。其中垂直于斜面的分量大小为mgcosθ,水平于斜面的分量大小为mgsinθ。这一节详细给出了推导过程。
这一节是上一节的具体例子。考虑冰斜面上的冰块,此时摩擦可以忽略不计。除了按照上一节中对重力进行分解以外,还需要考虑垂直于斜面向上的法向力(支持力)。整个冰块会沿斜面向下加速。
这一节在上一节的基础上,将冰块、冰面换成了有摩擦力的木块和木制斜面。并讲到了摩擦力如何让木块处于平衡状态。这一节还讲了静摩擦系数的计算方法。
上一节中在计算静摩擦力系数时,不小心输入错了数值。这一节是对上一节计算的修正。
这一节讲解动摩擦系数。动摩擦力是物体运动时,由于接触面的粗糙所导致的阻碍运动的力。动摩擦力的大小同接触物体之间压力的大小成正比,这个比值也就是动摩擦系数。这一节通过例题求解了动摩擦系数。
静摩擦系数是相对静止时最大静摩擦力/压力,动摩擦系数是运动时摩擦力/压力。静摩擦系数一般比动摩擦力大,这是因为静止时物体之间具有一定结合力,让克服摩擦力变得更困难。这一节详细讲解了这一问题。
这一节通过一个例子详细讲解了动摩擦力和静摩擦力的区别。对一个静止放在平面上,表面粗糙不平的物体,施加一个大于其最大静摩擦力的力,物体在克服静摩擦力向前运动之后,之后只需要克服动摩擦力。这一节详细讲解了这一过程。
本段视频讲述了绳子中张力的性质,并且对一个例题进行了受力分析和分解。
本段视频讲述了一个更复杂一点的求绳子中张力大小的问题。
本段视频讲述了两个关于斜面、摩擦力和加速度的综合问题。
本段视频讲述了一个很复杂的关于滑轮和含有摩擦力的求加速度问题。(未完成)
本段视频讲述了一个很复杂的关于滑轮和含有摩擦力的求加速度问题。
本段视频讲述了动量和概念和动量守恒定理。
本段视频讲述了一个关于动量守恒的例题。
本段视频讲述了一个二维方向上的动量守恒应用题(未完成)。
本段视频继续上一段视频,讲述了一个二维方向上的动量守恒应用题。
本段视频主要介绍了功和能量的定义,并且推导出了动能的公式。
本段视频讲述了功和能量相互转化的问题。
本段视频讲述了能量守恒定律的内容和应用,并且讲述了一个关于能量守恒定律的应用题。
本段视频讲述了一道含有摩擦力的关于动量守恒定理的应用题。
本段视频通过对一个杠杆问题的讲解,介绍了机械增益的概念。
本段视频讲述了两个关于杠杆的例题,说明了杠杆的工作原理。
本段视频讲述了两种机械--滑轮和斜面的机械增益问题。
本段视频讲述了物体质心的含义和应用。
本段视频讲述了扭矩的概念和一个关于扭矩的例题。
本段视频主要讲述了力矩的概念,并且用一个例题说明了要让杠杆不转动,顺时针的力矩需要等于逆时针的力矩。
本段视频讲述了两个关于力矩的例题。
本段是视频主要讲述了单位矢量的概念和使用方法。
本段视频讲述了两个向量相加,画图方法和用单位向量的方法都是可以的,但是单位向量的方法更简单。
本段视频讲述了用单位矢量方法解决以前做过的抛物运动的问题。(未完成)
本段视频讲述了用单位矢量方法解决以前做过的抛物运动的问题。
本段视频讲述了利用括号表示向量的方法,并且讲解了一道这样的例题。
本段视频讲述了一个关于自由落体的习题。
本段视频中推导出了加速运动的普遍共识,并用这个公式讲述了一个关于自由落体的例题。
本段视频讲述了用已经学过的运动学公式,推导出了一个新的使用更方便的公式。
本段视频讲述了怎么应用已经学过的运动学公式解简单的加速运动问题。
本段视频讲述了怎么运用已知方程解竖直上抛运动的问题。
匀速圆周运动中,不变的是速率,而不是速度。因此存在加速度。由于加速度不能改变速率的大小,所以在速度方向上必然没有分量,因此垂直于圆心。这一节对向心力和向心加速度进行了直观解释。
向心加速度的大小a=v²/r,其中v是速率,r是轨道半径。这一节用图形的方式,证明了这一公式的正确性。
角速度ω,表示圆周运动中,每秒角度转动的快慢程度。它同速率v之间存在关系,也就是ω=v/r。这一节推导出了这个公式。
本段视频讲述了向心加速度公式的证明方法。
本段视频主要播放了网络上的一段关于汽车翻转过圆环的视频。
这一节仍然是关于圆周运动,求过山车在圆轨迹顶点时,需要多大速率才能保证不会坠落并沿轨道运动。这一节求出了这个必须的最小速率。
这一节仍然是关于圆周运动,求过山车在圆轨道运行时的平均速率。平均速率的计算也就是路程(一圈的长度)除以一圈所用的时间。
本段视频讲述了如何用万有引力公式推导出地球表面的重力加速度,并且求出了空间站或宇宙飞船轨道上的重力加速度。
这一节通过匀速圆周运动的公式,在上一节的基础上,求出了空间站轨道的速率。达到每秒7千多米。考虑一下,如此庞然大物如何能达到这种速度,要知道喷气机远没有这个速度。
[第87课]87.角动量守恒定律
本段视频讲述了角动量守恒的问题,解释了滑冰运动中旋转现象的原因。
该视频介绍了万有引力公式的应用,利用万有引力公式求重力加速度。
求一个人在地球上的重力与在另一个行星上的重力之比。
弹簧沿地面放置,一端固定,另一端施加10牛的力,位移10米,计算弹簧的恢复力和弹性系数k,介绍了胡克法则和关于弹簧的另一些类似的问题。
弹簧弹性常数为k,把它压缩x米,作图展示力与位移的线性关系,求总功和势能。
用压缩的弹簧(弹簧常数为10)推动一块4千克冰走完一个半径为1米的环,假设没有摩擦,为了能有足够的能量安全走完这个环,开始时需要把弹簧压缩多少。
弹簧平衡位置x=0,拉伸弹簧一段距离到A处,t=0开始放开弹簧,画出位移对应时间的函数图,并推导函数x(t)的表达式。
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本段视频用一个例子讲解了如何求弹簧简谐振动时的周期和频率,这两个量互为倒数,和振幅无关。
流体是一种形状同容器形状保持一致的物质,分为气体和液体两种。其中气体是可压缩的,而液体是不可压缩的。这一节通过一个例题开始讲解液体的性质。
97集开始先回顾了上一集的内容,即能量守恒,然后对能量守恒定律的公式进行改写,引出了压强的概念,并得到帕斯卡原理,然后画图举例对帕斯卡原理进行了说明,并通过简单计算介绍了液压机器的作用。
98集通过引入密度ρ的概念推导出了计算液体内部任意深度压强的公式,即压强P=ρhg;并通过例子对该公式进行了说明。
一个碗中装有水银,将一个试管倒插在水银中,试管里是真空的,水银会上升到试管中形成水银柱,求水银上升的高度。
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101集通过运用上一集所介绍的阿基米德原理对两个例子进行了求解,通过第一个例子得到,可以通过计算物体在水中减少的重量得到物体体积,第二个例子计算得到了浮在水面的物体浸入水中的体积百分比等于物体密度比上水的密度。
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根据伯努利方程解题,求液体的流出速度。
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本段视频讲述了磁场中通电导线的受力情况。
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本段视频讲述了一个关于通电平行导线之间力的作用问题。
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本段视频主要讲述了波场中各点的频率与观察者和波源相对速度之间的关系,也就是多普勒效应。
本段视频推导出了多普勒效应中,如果波源向着观察者运动,观察者看到的周期和频率的公式。
本段视频推导出了多普勒效应中,如果波源远离观察者运动,观察者看到的周期和频率的公式。
本段视频讲述了当波源速度和波速相等时候,多普勒效应的实际情况。
本段视频讲述了一个新的单位:马赫,并且说明了它的定义和使用方法。
反射有两种,镜面反射和漫反射。光线照射平滑表面后严格按一定方向反射的现象。漫反射当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时,表面会把光线向着四面八方反射。这一节用例子解释了两者。
本段视频主要讲述了镜面反射和漫反射。
本段视频讲述了折射的概念,并推导出了折射定律。
折射是光线从一种介质射入到另一种介质中时,发生偏折的物理现象。定量描述由斯涅尔定律给出。这一节通过装水杯子中吸管发生偏折的例子,讲解了折射概念的直观理解。
当光波从一种介质传播到另一种具有不同折射率的介质时,会发生折射现像,其入射角与折射角之间的关系,可以用斯涅尔定律来描述,又称为“折射定律”。这一节讲解了斯涅尔定律的两个基本例题。
当光波从一种介质传播到另一种具有不同折射率的介质时,会发生折射现像,其入射角与折射角之间的关系,可以用斯涅尔定律来描述,又称为“折射定律”。这一节讲解了斯涅尔定律的一个进阶例题。
当光线经过两个不同折射率的介质时,部份的光线会于介质的界面被折射,其余的则被反射。但是,当入射角比临界角大时,光线会停止进入另一介质,会全部向内面反射,这称为全反射。这一节讲解了全反射的概念及例子,并讲了光纤的实际应用。
这一节讲解了镜面成像的直观解释,并作图进行了讲解。指出镜面成像得到的是虚像,虚像并非光线实际通过所形成的像,而是脑对光线直线传播的一种本能处理。同实像的区别在于,由实际的光线汇聚成的像是实像,由虚拟的光线汇聚成的像是虚像。
抛物面镜也就是镜面呈抛物面的反射镜。这一节主要考虑凹抛物面镜,即凹面镜。这一节讲述了凹面镜成像的特点。并指出实像同虚像的区别。实像能在屏上投影,而虚像不行,虚像只是脑对光线的一种处理。另外这一节还讲了抛物面镜的应用,包括太阳能加热器和车灯。
抛物面镜也就是镜面呈抛物面的反射镜。这一节主要考虑凹抛物面镜,即凹面镜。这一节讲述了凹面镜成像的特点。这一节考虑了不同位置处,物体经过抛物面成像的不同特点。包括两倍焦距外,两倍焦距处,一倍到两倍焦距之间,焦点处,焦点以内等情况一一进行了分析。
这一节继续讲抛物面镜,考虑的是凸抛物面镜,即凸面镜。同凹面镜不同的是,凸面镜所成的像是虚像。这一节分析了凸面镜的各种性质。凸面镜的主要应用是扩大视野范围,比如转角处经常会放这样的凸面镜。
凸透镜是中央较厚,边缘较薄的透镜,具有聚光作用。实践中放大镜、望远镜等都广泛使用这种透镜。凸透镜最主要的性质就是,平行光通过透镜折射,汇聚于一点,此为焦点。这一节详细介绍了凸透镜的工作原理。
这一节是对凸透镜成像的具体练习,并以此帮助学生熟悉光的折射和反射方式。这一节具体讲解了两倍焦距外,两倍焦距处,一倍到两倍焦距之间,焦点处,焦点以内等情况,详细进行了绘图讲解。
该视频介绍凹透镜的成像原理。
本段视频讲述了推导出凸透镜成像的规律公式。
本段视频主要讲述了凸透镜成像过程中,物体和图像高度之间比例。
g一般被称为重力加速度,但对于非自由下落的物体来说,对于静止处于地面上的物体来说,认为g是加速度有一些牵强。这一节讲了g的另一种解释,也就是重力场。所谓场,也就是空间内每一点所关联的一个量(可以是矢量或者标量)。这一节具体讲解了g的重力场理解,认为g也就是重力/质量。
学校:可汗学院
讲师:Salman Khan
授课语言:英文
类型:物理 可汗学院
课程简介:可汗学院的物理课程涵盖了高中到大一的基础物理课程,对物理学中的力学,电磁学,光学,声学等几大部分的内容逐一进行了详细的介绍。具体内容主要包括:加速度,牛顿三定律,力矩,弹簧,谐振,流体,热力学,静电,电流,电势,磁力,波,透镜等内容。老师在讲解过程中不但补充了诸如向量乘法等数学知识,还结合大量具体的例子,使课程生动有趣。本课程的学习需要代数和三角学的预备知识。视频由可汗学院免费提供,详见:(All Khan Academy materials are available for free at )
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