二、参照系

运动学

运动的概述

运动学是力学的分支。它专门描述物体的运动，就是物体在空间中位置随时间的变化，而不涉及力和质量等那些造成运动的因素。明显不同的是，动力学研究力和因为力作用在物体上而产生的运动。

任何一个物体，像是车子、火箭、星球等等，不论它的尺寸大小，如果能够忽略它的旋转运动，如果它内部每一部分都是朝相同的方向、以相同的速度移动，那么，可以简易地将此物体视为粒子，将此物体的质心的地点当作粒子的位置。如果不能忽略旋转运动，则必须将物体理想化成为刚体（在任何力的作用下，体积和形状都不发生改变的物体叫做刚体），来解析其运动。

运动在经典力学、能量学中的不同定义：

（1）旧经典力学的表象定义为：运动是运动物体空间位置的变化。

（2）能量学的表象定义为：运动是主体物质与前进方向上的相邻物质间相互交换位置的行为和现象。这种与前进方向的相邻物质之间的位置交换会受到前面方向上的物质的阻力作用。

当前面物质相互间的结合力（或者被交换的对象与运动的主体之间的质量或者质量密度相比）很小时以至于可以忽略不计时，那么这种物质间交换位置所带来的阻力就可以忽略不计，否则，这种与前进方向物质间的交换位置所带来的阻力则是不可忽略的。当物体完全处于绝对真空状态时，那么物体在绝对真空状态下的运动就成为无阻力运动，因为这时在它的前进方向上已不存在阻碍它的任何物质，这就是经典力学中所言的运动的定义的实质，是在绝对真空条件下的纯粹的位置变化现象。

而当没有物质之间的交换位置的阻力的作用时，运动主体也就不会受到前进方向的物质的阻挡，此时的运动主体才是真正的无阻力运动。所以，经典力学对运动的定义只适合于绝对真空状态下的运动情况，不适合于在非真空状态下的情况。所以，在客观实际中，世界中的运动又必然存在和分为有阻力运动与无阻力运动。因此，经典力学对运动的定义不具备一般意义。

（3）能量学的本质定义为：运动的本质是运动主体的能量的活动现象。具体地说就是运动主体所具有的能量元的数量的得失变化。这个定义包含了有阻力运动与无阻力运动。

能量活动是指运动主体的能量的得失，也就是能量元的转移或者转化活动。

同时，我们还不难看出，物体运动的过程就是能量的活动过程。比如，一辆汽车从甲地运动到乙地的过程中，汽车的发动机从启动运转到停止，发动机能量的活动伴随着运动过程的开始到运动过程的结束而结束。这就说明主体的运动过程实际也就是能量的活动过程，两者是同步同时进行的，没有先后之别，不论什么原因能量活动总是在进行，直到运动过程的结束。

一、惯性与惯性定律的阐释

惯性在物理中是一个重要的概念，反映的是物体的性质，即一切物体都有保持静止状态或匀速直线运动状态的性质。这里“一切物体”指所有物体，即包括静止的物体，也包括运动的物体。“都有”是说没有例外，这就点明了共性。“或”是指如果物体最初是静止的，它就有保持静止状态的性质；如果最初是运动的，它就有保持匀速直线运动的性质。所以惯性的定义就是：物体保持运动状态不变的性质叫做惯性。

惯性是物体本身的一种属性，一切物体在任何时候、任何状态、任何情况下都具有惯性，不可避免，不可克服，惯性与外界条件无关，与受力与否、受力大小、处于何种状态、状态如何改变等均无关。好比一口缸，装满水时可容纳水1立方米，说明这缸有这样的大容纳本领，还是这口缸，不装水时，同样还具有容纳1立方米水的本领，并不因为不装水就没有容纳水的本领。惯性大小只与质量有关，质量大，惯性大；质量小，惯性小。质量是惯性大小的量度。

把一切物体都具有惯性的种种认识，总结概括上升为理论认识，人们得到这样的规律：一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持静止状态或匀速直线运动状态，即惯性定律，也称牛顿第一定律。它是物理规律，反映的是物体在“不受外力”作用时的运动规律。“一切物体”指所有物体。“总”是说没有例外和从始至终，这就点明了规律性。“没有受到外力”是指明惯性定律成立的条件。惯性定律指出了一切物体都有惯性，提示了物体在一定条件下物体的运动状态，反映了物体的运动规律。

惯性是物理概念，惯性定律是物理规律，二者有严格的区别，凡是一个定律都揭示事物在一定条件下的结果，因此定律内容的构成总包含有两部分，即条件及结论。惯性定律的条件是“没有受到外力”，“结论是物体保持静止状态或匀速直线运动状态。”惯性定律揭示了物体在不受外力作用时如何运动的问题，为突出物体仅在惯性支配下运动，故称惯性定律。“保持原来静止状态或匀速直线运动状态”的性质，与“保持原来静止状态或匀速直线运动状态”的原因是两回事，不可混为一谈。惯性是物体固有属性，不随外界条件的改变而改变，一切物体在任何情况下都有惯性，当物体不受外力时，表现为物体保持静止状态或匀速直线运动状态；当受到外力时，表现为物体运动状态的改变有难易之别。

其次，不能将力和惯性混为一谈，不能将惯性认为是力。惯性是物体保持原有速度（状态）不变的性质，力是改变速度（即产生速度变化）的原因，前者要“保持不变”，后者要“迫使改变”，前者是“物体固有”，后者是“施力者外加的”。物体有保持原来状态的性质，但没有保持状态改变的性质，因为前者“不受力作用”，后者必须有力的作用才可使状态改变，物体可以不受力或所受外力和为零，但物体的惯性却永远不会为零，力改变运动状态，而不是使物体产生运动和保持运动的原因。

理解惯性时，一些同学对实际中的惯性现象难于解释，常发生一些理解上的错误。例如，一些同学根据“汽车速度越快，刹车后停下来所用时间越长”的现象，误认为物体速度大则惯性大，这是把速度和惯性错误联系起来了。其实，惯性大小是由物体质量来量度的，质量不变，惯性大小就不变。质量一定，且制动阻力一定时，速度减小的快慢是一定的，即加速度一定，这反应物体保持状态本领一定。只是因为速度大，减小为零所用时间长，制动所用时间就越长。同时从静止开始起动的小汽车和载重车，在相同外力作用下，小汽车启动得快，载重车启动得慢，这说明载重车保持原来状态的本领大，所以启动得慢；同样的道理，在刹车时，载重车由于保持原来状态的本领大，就比小汽车要行驶更长的距离才停下来，由此说明质量大的物体，其惯性大。

有些同学根据“站在车里的人在急刹车时比缓慢刹车时向前冲得利害”的事实，错误地得出结论“速度改变快惯性大”。其实不论快刹车，还是慢刹车，人的惯性大小都是一样的。只是由于急刹车时，车子停得快，人体的惯性运动相对车子的减速运动显得快，慢刹车时，由于车子速度改变慢，人体的惯性运动相对于车子减速运动显得没有那么突出。

在我们的生活中，我们经常利用惯性来解决各种问题，例如机动车在靠站前的一段距离就关闭发动机，利用车的惯性行驶完余下这段路程，从而实现节约能源的目的。飞机空投时，必须提前投掷才能投中目标。因为当它离开飞机后，虽然在竖直方向上受到重力作用要下落，但在水平方向上却未受到外力作用，由于惯性，物体仍然保持原有的水平向前的运动速度。

除此以外，我们还要防止惯性带来的不利情况的发生，譬如，为保持行驶车辆的安全，对行驶车辆限制车速；车与车间前后要保持一定的距离；小汽车前排司机和乘客必须系安全带，等等，这些做法的目的都是为了减少因惯性而带来的伤害，惯性在我们的生活中有利也有弊，关键在于我们如何更好地利用惯性来为我们服务。

二、参照系

我们在说一个事物是处于什么样的状态时，必然要拿一个可以作为参考的物体进行判断，因此，参照系在我们的生活中也是具有十分重要的作用的。参照系在物理中具有十分重要的意义。

参照系是为了确定物体的位置和描述物体的运动而被选作参考的物体或物体系。初中阶段称之为“参照物”，高中阶段称之为“参考系”。

参照系的选择(https://www.daowen.com)

如果物体相对于参照系的位置不变，则表明物体相对于该参照系是静止的；如果物体相对于参照系的位置在变化，则表明物体相对于该参照系在运动。同一物体相对于不同的参照系，运动状态可以不同。在运动学中，参照系的选择可以是任意的。研究和描述物体运动，只有在选定参照系后才能进行。如何选择参照系，必须从具体情况来考虑。例如，一个星际火箭在刚发射时，主要研究它相对于地面的运动，所以把地球选作参照物。但是，当火箭进入绕太阳运行的轨道时，为研究方便，便将太阳选作参照系。为研究物体在地面上的运动，选地球作参照系最方便，例如，两架在天空中以相同不变的速度平行飞行的飞机，若其中一架飞机以另一架飞机为参照物，则它们都是静的；若是以地面为参照物，则两者都是运动着的。因此，选择参照系是研究问题的关键之一。

从运动学角度看，参考系可以任意选取。对一个具体的运动学问题，我们一般从方便出发选取参考系以简化物体运动的研究。古代研究天体的运动时，很自然以地球为参考系。托勒密的“地心说”用本轮、均轮解释行星的运动。哥白尼用“日心说”解释行星的运动时，也要用本轮和均轮。从运动学角度看，“日心说”和“地心说”都可以同样好地描述行星的运动。但从研究行星运动的动力学原因的角度看，“日心说”开通了走向真理的道路。开普勒在“地心说”的基础上，把行星的圆周运动改变为椭圆运动从而扔掉了本轮、均轮的说法，并在观测的基础上建立了行星运动三定律，作出了重要的贡献。牛顿进一步揭露了开普勒三定律的奥秘，建立了万有引力定律、概括出“万有引力”概念。我们应该注意，从运动学看所有的参考系都是平权的，选用参考系时只考虑分析解决问题是否简便。从动力学看参考系区分为惯性参考系和非惯性参考系两类，牛顿定律等动力学规律只对惯性参考系成立，对不同的非惯性参考系要应用牛顿定律需引入相应的惯性力修正。

质点的机械运动表现为质点的位置随时间变化。质点的位置是相对于一定的参考系说的，参考系是指选来作为研究物体运动依据的一个三维的、不变形的物体（刚体）或一组物体为参考体，在参考体上选取不共面的三条相交线作为标架，再加上与参考体固连的时钟。即参考系包括参考体、标架和时钟，习惯上我们把参考体简称为参考系。为了定量地描述物体的运动，我们在参考系上还要建立坐标系，直角坐标和极坐标是最常用的两种坐标形式。

牛顿把做匀速直线运动的参考系叫做惯性参考系。1905年，爱因斯坦在他的论文中提出，所有的惯性参考系都是等价的，也就是说，一切物理定律在惯性参考系中都同样适用，具有相同的形式。爱因斯坦的观点是正确的，因为人们不能在任何一个惯性参考系内部（也就是说，不参照这个参考系外部的物体）用任何物理定律去发现这个参考系与静止的参考系有什么差别。正是在这种认识的基础上，爱因斯坦建立了狭义相对论。

那么，如果我们处在一个非惯性参考系中，又如何呢？非惯性参考系的运动具有一定的加速度，可是，这种加速度可以被看做是一种重力（即万有引力）。例如，我们在电梯中，当电梯加速下降或者减速上升时，我们会感到身体有些轻飘飘的，重量似乎减小了。我们在电梯中不看外面的参照物，并不知道电梯在加速还是减速，只感到重力在变化。

三、扩散现象

扩散现象是我们耳熟能详的一种物理现象，生活中我们经常接触到扩散现象，比如我们每天放学回到家中，一进家门就闻到妈妈在家做饭的菜香味，这就是一种扩散现象，菜肴的香味扩散到空气中，又进入我们的鼻子中，于是我们就能闻到香味了。把一滴红墨水滴入一杯纯净的水中，过一会儿，就能发现整杯纯净水都变成了红色，这种现象也是由于扩散造成的。把一块黑煤块放在白色墙壁的墙角，过一段日子就会发现，放置煤块的白色墙角也变成了黑色，这也是发生了扩散现象导致的。

扩散现象是指物质分子从高浓度区域向低浓度区域运动，直到均匀分布的现象。扩散的速率与物质的浓度梯度成正比。

气体分子热运动的速率很大，分子间极为频繁地互相碰撞，每个分子的运动轨迹都是无规则的杂乱折线。温度越高，分子运动就越激烈。在摄氏0度时空气分子的平均速率约为400米/秒，但是，由于极为频繁的碰撞，分子速度的大小和方向时刻都在改变，气体分子沿一定方向迁移的速率就相当慢，所以气体分子在一定方向上迁移的速率比气体分子运动的速率要慢得多。

固体分子间的作用力很大，绝大多数分子只能在各自的平衡位置附近振动，这是固体分子热运动的基本形式。但是，在一定温度下，固体里也总有一些分子的速度较大，具有足够的能量脱离平衡位置。这些分子不仅能从一处移到另一处，而且有的还能进入相邻物体，这就是固体发生扩散的原因。固体的扩散在金属的表面处理和半导体材料生产上很有用处，例如，钢件的表面渗碳法（提高钢件的硬度）、渗铝法（提高钢件的耐热性），都利用了扩散现象；在半导体工艺中利用扩散法渗入微量的杂质，以达到控制半导体性能的目的。

液体分子的热运动情况跟固体相似，其主要形式也是振动。但除振动外，还会发生移动，这使得液体有一定体积而无一定形状，具有流动性，同时，其扩散速度也大于固体。

将装有两种不同气体的两个容器连通，经过一段时间，两种气体就在这两个容器中混合均匀，这种现象叫做扩散。用密度不同的同种气体实验，扩散也会发生，其结果是整个容器中气体密度处处相同。在液体间和固体间也会发生扩散现象。例如把两块不同的金属紧压在一起，经过较长时间后，每块金属的接触面内部都可发现另一种金属的成分。

扩散是由于微粒（原子、分子等）的热运动而产生的质量迁移现象，主要是由于密度差引起的。在扩散过程中，气体分子从密度较大的区域移向密度较小的区域，经过一段时间的掺和，密度分布趋向均匀。在扩散过程中，迁移的分子不是单一方向的，只是由密度大的区域向密度小的区城迁移的分子数，多于密度小的区域向密度大的区域迁移的分子数。

扩散有互扩散、自扩散、热扩散、热流逸及强制扩散等形式。

互扩散

例如把一容器用隔板分隔为左、右两部分，其中分别装有两种不会产生化学反应的气体A和B。两部分气体的温度、压强均相等，因而气体分子数密度也相等。若把隔板抽除，左边的A气体将向右边的B气体中扩散，同样右边的B气体将向左边的A气体中扩散。经过足够长的时间后，两种气体都将均匀分布在整个容器中，这就是互扩散。由于发生互扩散的两种气体分子的大小、形状可能不同，它们扩散速率也可能不同，所以互扩散仍是较复杂的过程。

自扩散

是一种使发生互扩散的两种气体分子之间的差异尽量变小，使它们相互扩散的速率趋于相等的互扩散过程。较为典型的自扩散例子是同位素之间的互扩散。因为同位素原子仅有原子核质量的差异，核外电子分布及原子的大小均可认为相同，因而扩散速率几乎是一样的。例如若在二氧化碳气体（其中碳元素为碳12）中含有少量的碳元素为碳14的二氧化碳，就可研究后者在前者中由于浓度不同所产生的扩散。具有放射性的碳14浓度可利用β衰变仪检测出。

热扩散

1879年索里特发现物质两端的温度差也可引起扩散流。其扩散通量密度（在单位时间内在单位截面积上扩散的粒子数）。扩散现象是气体分子的内迁移现象。从微观上分析是大量气体分子做无规则热运动时，分子之间发生相互碰撞的结果。由于不同空间区域的分子密度分布不均匀，分子发生碰撞的情况也不同。这种碰撞迫使密度大的区域的分子向密度小的区域转移，最后达到均匀的密度分布。

热流逸现象

在气体压强足够低时发生的热扩散现象。由于小孔两边气体温度不同，使达稳态后小孔两边气体压强也不等。这与通常开孔较大时，孔两边的气体压强最后趋于相等的情况截然不同。这种由于气体压强不同而导致气体温度也不同的现象称为热分子压差，或称为热流逸现象。

强制扩散

是在外界条件影响下产生的扩散。

生活中扩散现象随处可见，了解扩散原理可以帮助我们更好地运用扩散原理为我们服务。