高中物理导航

贡献者： JierPeter

1. 引言

　　 一切物理理论，都可以分为 “运动学” 和 “动力学” 两个部分。

　　 运动学就是“描述物体所处状态” 的方式，如经典力学认为一个物体所处的状态就是欧几里得空间中的一个点，而在量子力学则认为物体所处的状态是一个向量空间中的向量，等等。有了描述物体所处状态的方式，也就能区分不同的状态，从而描述物体状态的变化规律。在经典力学中，物体的状态被称为位置，随着时间流逝，一个物体的位置变化就被称作机械运动。

　　 动力学则是物体状态改变的规律，如经典力学中的牛顿三定律，量子力学中的薛定谔方程，等等。牛顿三定律引入了一个假想的概念，力。一个受合外力为 $0$ 的粒子，应该做匀速直线运动¹。这就排除了孤立粒子一会儿加速、一会儿减速的可能性。

　　 没有任何物理理论是真理，它们都是人类用数学模型模拟自然规律的方式。运动学是理论的基础，而动力学则是理论的核心：有了运动学才能描述物体状态的改变，而动力学规定了这些状态改变的规律。

　　 一个优秀的理论，应该尽可能贴合实验现象，如经典力学能准确预言火星的轨道，指导火星探测器顺利登陆；它还能根据天王星的轨道扰动，预言应该存在一个尚未观测到的大行星，之后根据理论预言的轨道真的找到了海王星。这些对现实宇宙的成功预言，说明它就是一个优秀的理论。

　　 经典力学也有瑕疵，如它预言的水星轨道与实际观测大相径庭，直到出现广义相对论，才让理论计算非常精确地贴合了水星轨道。不能因为经典力学在水星轨道上犯了错就认为它是错的，因为经典力学成功预言了几乎所有日常能想象到的现象；应该说这是经典力学的局限性。也不能说广义相对论推翻了经典力学，因为广义相对论在经典力学成功的地方也同样成功²，只是广义相对论成功的地方更多一些，这种情况下我们应该说，广义相对论替代了经典力学。假如经典力学成功的地方广义相对论不成功，反之经典力学不成功的地方广义相对论成功了，那么这两个理论都没有替代对方，而是互补³。

　　 为什么中学教育不从更成功的广义相对论开始，而是要教授经典力学呢？因为经典力学的思维方式是后续理论的基础，无论是广义相对论还是量子力学，都是从经典力学中受到启发而发展出来的；同时，广义相对论要求学习者熟悉微分几何，对高中生来说要求太高了。教育有自己的规律，并不是一味地教授 “更正确” 的理论。

2. 高中物理导航

　　 高中物理中所有部分都以经典力学为基础，即所有运动学都是经典力学的 “欧几里得空间” 模型。虽然课本上提到了相对论⁴，但只是作为拓展的孤立知识，与其它部分没有逻辑联系。

经典力学

　　 经典力学，又称牛顿力学，其对运动的描述可参见机械运动基础（高中），动力学的基本规律可参见相互作用（高中）和牛顿运动定律（高中）。

　　 了解了运动学和动力学的基本概念后，我们开始研究一类具体的运动过程，即曲线运动（高中），其中最常用到的曲线运动是圆周运动（高中）。圆周运动中最常见的具体例子是天体的运动，但实际上绝大多数天体运动的轨迹都很难说是圆周，应该用椭圆，具体的讨论可参见万有引力定律（高中）。

　　 牛顿三定律固然可以用来计算理论中一切物体的运动，但当相互作用力的表达变得复杂，抑或是参与相互作用的物体数量太多，具体的计算就几乎不可行了。好在，有一些在整个相互作用中不变的物理量，像思维锚点一样帮助我们简化对问题的分析，如功和机械能（高中）和动量（高中）。

电磁学

　　 电磁学，又称电动力学，描述一类具体的相互作用对物体运动的影响：电磁相互作用。我们首先要研究电磁相互作用的规律，即静电场（高中）的分布以及它是如何给物体施力的。

1. ^ 注意，静止也算匀速直线运动。
2. ^ 理论预言不可能完美，比如牛顿力学计算的火星轨道，和观测差个几厘米没有任何影响。不同的理论对同一个现象的预言也不可能完全一致，如广义相对论计算的火星轨道就和牛顿力学有差异，但这个差异可能比几厘米还小，因此可以认为它们都成功预言了火星轨道。
3. ^ 量子力学诞生之前，对黑体辐射的描述有两种理论，一个叫维恩定律，一个叫瑞利-金斯定律，前者在短波段和实验吻合，对长波段和实验相去甚远；后者则恰好相反。这两个定律就是互补的。后来出现的普朗克辐射定律则吻合了所有波段的实验结果，因此普朗克定律替代了前两个定律。
4. ^ 狭义相对论的运动学是 “洛伦兹空间” 模型，广义相对论的运动学则是 “洛伦兹流形” 模型。