无量纲的物理公式

                     

贡献者: addis

预备知识 万有引力,物理量和单位转换

   与数学公式不同,物理公式中的变量(这里姑且称为物理量)通常既包含数值又包含单位,如 x=10cm。一个形象的比喻是把所谓 “物理量” 比作一个几何矢量,它本身不是一个单纯的数字,而是一个基底乘以一个数字。但有时候我们需要将含有单位的公式转换为不含单位的物理公式。例如数值计算时,或者为了书写简单(常见于量子力学,见原子单位制)。我们通过几个例子来说明转换过程。

例 1 牛顿第二定律

   国际单位制下的牛顿第二定律公式为

(1)F=ma .
我们先定义几个含单位的物理量常量例如 βF=1Nβm=1kgβa=1m/s2。把不含单位的的力,质量和加速度分别记为 F0,m0,a0,它们都是数字。则有
(2)F=F0βF ,m=m0βm ,a=a0βa .
代入式 1
(3)F0=βmβaβFm0a0 .
由于国际单位定义 1N=1kgm/s2,上式中 βmβa/βF=1,所以不含单位的牛顿第二定律为
(4)F0=m0a0 .
以上的做法看起来似乎并没有什么意义,这是因为我们把每个常量 β 都定义为一个相应的国际单位。事实上,只要保证 βmβa/βF=1,这三个常量是可以任取的。例如令 βm=4gβa=25cm/s2βF=103N,上式仍然成立。有了这个变换,有时候我们只需要做一次计算就能得到不同参数下的结果。

例 2 万有引力公式

   国际单位下的万有引力公式为

(5)F=GMmr2 ,
其中 G6.674×1011m3kg1s2。在例 1 的基础上定义 r=βxr0,则有
(6)F0=Gβm2βFβx2M0m0r02 .
我们若想让新的不含单位的万有引力公式也不含 G 以减少计算量,即
(7)F0=M0m0r02 .
只需令所有的 β 满足 Gβm2/(βFβx2)=1,例如 βx=1mβm=1.224×105kgβF=1N

   这种通过希望得到的公式来规定转换常数的方法是很常见的。

   注意无单位的物理公式和有单位的物理公式(无论用什么单位)存在本质的不同,例如在式 4 中,如果受力物体的质量恰好等于 βm,那么公式可以直接写为

(8)F0=a0 .
而这种写法对含单位的公式来说是错误的,因为单位不同的两个物理量不可以相等(或相加)。我们也可以直接把数字和无单位的物理量相加,如 1+x0

   在不至于混淆的情况下(例如通篇都使用无量纲公式),我们就可以把以上的角标 0 去掉。

1. 无单位公式转换为含单位公式

   对某个物理量 Q,有

(9)Q=βQQ0 .
要把无单位公式变为含单位公式,就把式中所有 Q0Q/βQ 替换即可。以式 7 为例,替换后得
(10)F=βFβx2βm2Mmr2=GMmr2 .


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