基础物理学|基本物理量

​ 在国际单位制中,七大基本物理量指的是:质量、长度、时间、电流、热力学温度、物质的量、发光强度。其中,质量,长度,时间为力学量;电流为电学量;物质的量,热力学温度为热学量;光的强度为光学量。

(现阶段首先理解质量、长度、时间)

元素

​ 在开始了解基本物理量之前先来了解构成我们这个世界的基本物质元素)。不知道你有没有思考过一个问题, 手机由CPU、电池、主板等组成,CPU有晶体管组成那组成晶体管的是什么?构成晶体管的就是微观层面的元素了(其实是由硅元素构成的)。手机可以细分下去,那我们可以用这种思想去讨论所有物质。

​ 科学家得出以下结论物质可以这样简单分类:

  • 物质

    • 混合物(如空气,溶液,矿石等)
    • 纯净物

      • 化合物(水、氧化铁等)
      • 单质(氧气、氮气等)

这其中混合物又由两种或两种以上的纯净物构成,纯净物中的化合物是由两种或两种以上的元素构成,单质是由一种元素构成。所以物质是由各种元素构成的

​ 现在世界上已经发现的元素有118种,可以用元素周期表来呈现如图

原子

原子是元素的在物理上的具体表现形式,每种原子属于一个特定的元素。例如碳原子是构成碳元素的基本单位。原子与元素的关系有些像书与书名的关系,把原子比作书那么元素就是书名。上面说过物质是由各种元素构成的,而每种元素对应了一种原子,所以物质也是由各种原子组成。你只需要知道原子是一种实体,元素是各种原子的名称就行了(如碳原子是碳元素的基本组成单位)。

电荷、质子、中子、电子

​ 我们上面说了物质是由各种原子组成,那么你可能会想原子是否能再细分下去呢?是的,原子还能继续细分,原子是由质子,中子,电子组成的。有关质子、中子、电子相关的内容以后会做更深入的讲解,这里就不展开了(后面还会给出质子、中子、电子更详细的介绍)。电荷(符号Q)是物理学中的一个基本概念,用于描述物质的一种固有属性,分正电荷与负电荷。质子带1个正电荷,电子带一个负电荷,中子不带电。

力学量(时间、长度、质量)

  • 时间(t)

    时间相信大家都不陌生,在手机上手表上都能看到时间,但是时间究竟是什么:时间是用来描述事件发生的顺序和持续的长短的物理量。

    那么我们该如何度量时间呢,我们可以根据定义来度量,定义说时间是描述事件发生的顺序和持续长短的物理量,关键词是事物,顺序,持续长短这三个。所以我们要找到一件事物或者事件,这种事物或事件有先后顺序并且有一个持续的阶段,事实上世界上有许多事物或者事件满足这种条件例如:赤道上的太阳日出持续到日落这一阶段就是一段时间,人们依据这一特征制作出了很多计时工具,如沙漏,机械钟表,电子钟表,铯原子种等,其中铯原子钟是最准确的,那么时间阶段已经确定,那么如何定量描述时间呢?可以对阶段进行划分,如赤道上的太阳日出持续到日落这一阶段可以被划分为12的子阶段,这12个阶段被称为12小时("小时"被称为单位,符号为h)1小时又可以被分为60个子阶段,这60个阶段被称为60分钟("分钟"也被称为单位,符号为min)1分钟又可以被分为60个子阶段,这60个阶段被称为60秒(秒的符号为s)事实上可以像这样一直划分下去,在不同的单位适用于不同的领域。

    后来人们意识到这样定义1秒不够准确于是物理学家是这么定义1秒的:

    • 1秒被定义为铯133原子在基态下的两个超精细能级能階间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。这个定义提到的铯原子必须在绝对零度时是静止的,而且在地面上的环境是零磁场。(其中铯133原子基态,为事物,基态到激发态为顺序,周期为这一事件的持续长短)
  • 长度(符号d,l,x)

    长度相信大家也不陌生,在测量物体的尺寸时都要用上,长度是这么定义的:描述物体在空间中所占的距离或尺寸。

    基本上所有的实体都有长度, 那么我们如何定量的描述长度呢?当然是找一个已知的不变量(标准尺寸)去记录不同的长度。例如用一个长度不变的木板与其他物体比较,如果度量出来这个物体的长度恰好是这个木板的长度的两倍则称这个物体的长度是2木板的长度。当然物理是一门严谨的学科不可能是用木板来度量所有的长度的因为木板有很多尺寸。在最开始人们意识到需要严格定义长度时,人们是用地球北极点到赤道的距离来作为标准尺寸的。而这个长度对于我们人类常用的长度来说过于长了,所以人们给出以下定义来缩放这一标准尺寸:地球北极到赤道距离的千万分之一为1米(在这里米也是单位,符号为m)。后来人们意识到这样定义1米不够准确于是物理学家是这么定义1米的:

    • 1米被定义为光在真空中于1/299,792,458秒内行进的距离。(其中光速为已知的不变量)
  • 质量(符号m)

    质量是一个物体的内敛属性,表示物体所含物质的多少

    我们知道物质是由原子组成的,而且原子也是有质量的,那么物质的质量就是由原子的质量与数量决定的,原子的质量是可变的,因为原子是由中子,质子,电子组成,中子、质子、电子也是有质量的。在生活中我们对这一概念肯定有接触,比如去菜市场买肉,你能区分哪块肉更贵(只考虑纯肉且肉的密度一样),因为大的肉所对应的质量更大。同是黄金,质量越大的黄金越贵等等。那么我们如何定量的描述质量呢,和上面一样,找一个标准质量以这个标准质量的倍数去度量其他质量。一开始人们将在冰融化时的温度下,体积等于边长为一厘米(1/100米)的立方体的水的绝对重量定义为一克(符号为g)为0.001千克(符号kg)。

    后来人们意识到这样定义1kg不够准确于是物理学家是这么定义1kg的:

    • 千克是质量的单位,定义为使得普朗克常数取值为 6.62607015×10e-34焦耳秒(J⋅s)时的质量单位。

电学量(电流)

  • 电流(符号I)

    关于电流的定义在电磁学上把单位时间里通过导体任一横截面的电荷量叫做电流单位(A读作安倍)。电流是标量,习惯上常将正电荷的运动方向规定为电流的方向。把电流类比成水流,那么电荷就类似于水,而计算电流类似计算水流的流量。(这里就不展开讲了,到电学时会有更详细的介绍)

热学量(物质的量、热力学温度)

  • 物质的量

    物质的量是一个物理量,它表示含有一定数目粒子的集合体,符号为n。物质的量的单位为摩尔,简称摩,符号为mol。国际上规定,1mol为精确包含 6.02214076×10e23 个原子或分子等基本单元的集合体。如2g氢气的物质的量是2mol(关于物质的量还有很多内容,将在物理化学篇中介绍)

  • 热力学温度

    热力学温度,又称开尔文温标、绝对温标,简称开氏温标,是国际单位制七个基本物理量之一,单位为开尔文,简称开,符号为K。

    热力学温度描述的是客观世界真实的温度,同时也是制定国际协议温标的基础,是一种标定、量化温度的方法。热力学温度又被称为绝对温度,是热力学和统计物理中的重要参数之一。一般所说的绝对零度指的便是0开,对应零下273.15摄氏度。

光学量(发光强度)

  • 发光强度

    发光强度,在光度学中简称光强或光度。用于表示光源给定方向上单位立体角内光通量的物理量,国际单位为坎德拉,符号:cd,以前又称烛光、支光。

    1979年第16届国际计量大会通过决议,废除上述定义,规定新定义为“坎德拉是发出540 x 10^12Hz 频率的光的单色辐射源在给定方向上的发光强度,该方向上的辐射强度为 1/683 W/sr。

最后修改:2024 年 12 月 05 日
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