物理启蒙知识 喵小咪物理日记-物理学习的基础概念

喵小咪在物理日记第一篇《参照物》中跟大家探讨了，我们在讨论物体的位置运动的时候，必须要先选择参照物。因为，选择不同的参照物，物体的运动描述就是不一样的。要对物体的运动进行更精确（定量）的描述，仅有参照物还是不够的，我们还必须要在参照物的基础之上建立合适的参照系。

还是用前文“刻舟求剑”的案例，如果我们问船夫，你现在在哪里呢？如果船夫说我现在在船上，那么我们就无法知道他具体在什么位置。如果船夫说，我们从什么什么渡口出发，沿着河岸，向下游10里，我们就可以知道他现在所在的确切位置了。

图1 刻舟求剑

其实这种描述，就是在说，他把他出发的那个渡口作为原点，然后沿着河岸假设有了一把尺子，把渡口的原点坐标设置为O，并且以这个原点为界限，向下游为正，则上游为负。如图所示，我们将这个线称为X轴，再在这个虚拟的尺子上画出一个箭头表示X轴的方向（由负到正），当然了，我们也可以用单位矢量的字母i来表示这个方位，它的大小是1，只是表示沿着X轴的方位。（图2）

图2 一维坐标系（X轴）

这样我们就建立了一个坐标系。我们在这个坐标系的基础上，船夫就能明确滴告诉我们当前船所在的精确位置了。当然了，一条河不可能是笔直的，这其实也好办，我们只要在原点O处在设置出一个垂直于X轴的坐标，Y轴，它的方向矢量同样用单位矢量j来表示，这样我们就在地面这个平面上建立了一个二维坐标系。

船夫只要告诉我们它在这个二维坐标系中的坐标（x,y），我们在地面上的小伙伴，就能精确滴知道，当前船所在的具体位置了。（图3）

图3 二维坐标系（X，Y轴）

我们不说船了，我们现在说一个上山打柴的樵夫，他如何告诉我们某个时刻的具体位置呢？我们可以用前面的方法，再引入一个Z轴，这个Z轴经过原点O，垂直于X，Y轴。这是我们引入的第三把尺子，它的单位矢量，我们用j来表示。

这样，我们就拥有了一个三维坐标系，它们分别由经过共同的原点O，并且互相垂直的X,Y,Z三个轴形成。在任何一个时刻，樵夫只要告诉我们他在这个坐标系中的坐标（x,y,z），就能明确表明他所在的位置了。（图4）

图4 三维坐标系（X，Y，Z轴）

这是因为，只有建立坐标系，我们才能在物体的位置和数字之间建立联系，通过坐标系，才能对运动进行定量的描述。

【拓展阅读】

1、如果这个时候，我们还可以用一个走时非常准确的钟表来记录下他在每一个坐标位置上的时间t，这样他的运动规律就可以用（x,y,z,t）进行精确描述了。

2、人与人之间要进行沟通和理解，就必须有共同的语言和共识的概念，没有这些，就会造成对牛弹琴的局面，概念还是进行逻辑思维的结点，没有概念不可能有逻辑思维。物理学是非常重视概念的，它通常以物理量的形式来表达各种概念。

3、虽然《喵小咪物理日记》只是一本写给物理学小白的入门丛书，本文介绍的也只是最基础的内容，但大家一定要好好的去理解每一个细节。比如我们前面用于建立坐标系的三维，这个其实是一个很主观的设置，我们强加给空间、时间是绝对的是平直的、均匀的、无限伸展的，这并没有通过实际观测和实验的验证。以后我们在介绍到狭义相对论和广义相对论的时候，要对这个问题做更深入的分析。

4、我们学习物理，不光是要学习物理的这些基本概念和数学处理方法，更要学习物理学带给我们的思维方法。这就是，科学是以可以观测和测量的客观实际作为研究对象，以归纳、总结等逻辑推理作为思维方式，以数学作为描述客观物质运动的一门学问。所有的理论一定是从实际出发做出的描述，任何没有事实依据的描述都只能称为假说不能称之为理论。更不可以从不可抗力或者是超自然的力量出发，做出假设。

科学首先必须是从实际出发，从实际出发，不等于从我们的经验出发。因为人的认识能力很有限，所以我们的经验不一定是真实的，所以科学家需要发明各种手段对我们的经验进行验证。