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AI问答录111:F=ma和动能定理的推导过程

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问:
只从数学的角度来看,下述分析过程有没有问题:第1步:长度/时间≡速度;
第2步:质量×长度/时间≡质量×速度;
第3步:质量×长度/时间×长度/时间≡质量×速度×速度;
第4步:能量≡质量×长度/时间×长度/时间;
这里的能量是包括动能、热能等在内的总能量。
第5步:能量≡质量×速度×速度;
第6步:能量/速度≡质量×速度;
第7步:动量≡能量/速度
第8步:动量=质量×速度
将动量记为p,质量记为m,速度记为v,则有:
第9步:p=mv
将p=mv对时间t求导,则有:
第10步:dp/dt=dm/dt·v+m·dv/dt
如果质量不是时间的函数,则有dm/dt=0,于是有:
第11步:dp/dt=m·dv/dt
记F=dp/dt, a=dv/dt,则有:
第12步:F=ma
第13步:如果质量不是任何物理量的函数,或者说质量是常数,则对p=mv取微分,有:dp=mdv
以及:vdp=mvdv
第14步:对vdp=mvdv做积分,可得:E=1/2mv^2+C; 式中,E是总能量,1/2mv^2是动能,C是非动能。
腾讯元宝答:
从数学和量纲分析的角度来看,上述推导过程整体上逻辑自洽,量纲一致,但在部分步骤的物理表述和概念准确性上存在可探讨之处。以下是具体分析:
1. 前7步(量纲与定义的一致性)
第1-3步:速度(长度/时间)、动量(质量×速度)、质量×速度²(量纲为[M][L²/T²])的定义均符合基本物理量的量纲规则,代数运算无误。
第4步:将能量的量纲定义为[M][L²/T²](即质量×速度²)是合理的,因为动能(½mv²)、功(力×距离,力=ma的量纲为[M][L/T²],故功的量纲为[M][L²/T²])等能量的量纲均为此。此处“能量”是量纲上的泛指,未涉及具体形式(如动能、势能)。
第5-7步:通过能量/速度推导出动量的量纲([M][L/T]),并与动量的定义(质量×速度)一致,逻辑自洽。这本质上是量纲等价性的体现(E∝mv² ⇒ E/v∝mv=p)。
2. 第8-12步(牛顿第二定律的推导)
第8-9步:动量定义为p=mv是经典力学的标准定义,正确。
第10-12步:对p=mv求导得到dp/dt=mdv/dt(质量不变时),并定义F=dp/dt=ma,这是牛顿第二定律的常见形式(适用于质量不变的情况)。推导过程严格遵循微积分的乘积法则,数学上无问题。
3. 第13-14步(动能的积分推导)
第13步:质量为常数时,dp=mdv 正确(因dm=0)。vdp=v·mdv=mvdv 也是代数恒等变形,无误。
第14步:对mvdv积分得到½mv²+C,数学上正确。但称其为“总能量”不够严谨:
经典力学中,动能的定义是½mv²,而总能量通常包含势能(如重力势能、弹性势能)或内能等其他形式。此处的积分仅得到动能的表达式,C可理解为势能或其他非动能的常数项(如参考点的选择),但“总能量”的表述易引起歧义。
若严格限定为动能,应明确说明;若泛指能量,需指出总能量可能包含其他形式(如势能),而此处仅推导了动能部分。
结论
推导过程的数学运算和量纲分析无本质错误,但部分物理概念的表述(如“总能量”)可更严谨。核心问题在于第14步将积分结果直接称为“总能量”,而实际上该积分仅明确给出了动能的表达式,总能量需考虑其他形式的能量贡献。
答案:从数学和量纲分析的角度,推导过程整体逻辑自洽,量纲一致,无明显错误。但第14步将积分结果称为“总能量”不够严谨,因该积分仅明确给出动能的表达式,总能量通常包含其他形式(如势能)。其他步骤数学上正确,物理概念的定义符合经典力学框架。


IP属地:北京1楼2025-11-07 10:29回复
    问:
    只从数学的角度来看,下述分析过程有没有问题:第1步:长度/时间≡速度;第2步:质量×长度/时间≡质量×速度;第3步:质量×长度/时间×长度/时间≡质量×速度×速度;第4步:能量≡质量×长度/时间×长度/时间;这里的能量是包括动能、热能等在内的总能量。第5步:能量≡质量×速度×速度;第6步:能量/速度≡质量×速度;第7步:动量≡能量/速度第8步:动量=质量×速度将动量记为p,质量记为m,速度记为v,则有:第9步:p=mv将p=mv对时间t求导,则有:第10步:dp/dt=dm/dt·v+m·dv/dt如果质量不是时间的函数,则有dm/dt=0,于是有:第11步:dp/dt=m·dv/dt记F=dp/dt, a=dv/dt,则有:第12步:F=ma
    第13步:如果质量不是任何物理量的函数,或者说质量是常数,则对p=mv取微分,有:dp=mdv以及:vdp=mvdv第14步:对vdp=mvdv做积分,可得:E=1/2mv^2+C; 式中,E是总能量,1/2mv^2是动能,C是非动能。
    ChatGPT答:
    从纯数学角度分析,您提供的步骤中的数学操作和推导都是正确的。以下是逐步的数学检查:
    第1步到第5步:定义和代数变换
    1.第1步:长度/时间 ≡ 速度。这是一个定义,数学上正确。
    2.第2步:质量 × 长度/时间 ≡ 质量 × 速度。这是乘法运算,数学上正确。
    3.第3步:质量 × 长度/时间 × 长度/时间 ≡ 质量 × 速度 × 速度。同样是乘法运算,数学上正确。
    4.第4步:能量 ≡ 质量 × 长度/时间 × 长度/时间。这里将能量定义为质量乘以速度平方,数学上作为一个定义没有错误(尽管物理上这可能不适用于总能量,但数学上只关心形式)。
    5.第5步:能量 ≡ 质量 × 速度 × 速度。这与第4步等价,数学上正确。
    第6步到第9步:代数和定义
    6.第6步:能量/速度 ≡ 质量 × 速度。从第5步(能量 = m v²)推导,能量/速度 = m v² / v = m v,数学上正确。
    7.第7步:动量 ≡ 能量/速度。基于第6步,这一定义与动量 p = m v 一致,数学上正确。
    8.第8步:动量 = 质量 × 速度。这是一个标准定义,数学上正确。
    9.第9步:p = m v。符号表示,数学上正确。
    第10步到第12步:微积分推导
    10.第10步:dp/dt = dm/dt · v + m · dv/dt。这是对 p = m v 求导的应用乘积法则,数学上正确。
    11.第11步:如果 dm/dt = 0(质量恒定),则 dp/dt = m · dv/dt。数学上正确。
    12.第12步:记 F = dp/dt, a = dv/dt, 则 F = m a。数学上正确。
    第13步到第14步:微分和积分
    13.第13步:如果质量常数,则对 p = m v 取微分,有 dp = m dv。数学上正确(因为 m 常数)。然后,v dp = m v dv。两边乘以 v,数学上正确。
    14.第14步:对 v dp = m v dv 积分。右边积分:∫ m v dv = m · (1/2 v²) + C = 1/2 m v² + C。左边积分:∫ v dp。由于 p = m v 且 m 常数,有 dp = m dv,因此 ∫ v dp = ∫ v · m dv = m ∫ v dv = 1/2 m v² + C。所以两边积分相等,数学上正确。因此,E = 1/2 m v² + C 在数学上成立,其中 E 被定义为总能量(通过积分引入),1/2 m v² 是动能,C 是积分常数(被解释为非动能)。
    总结
    从纯数学角度,所有步骤的代数运算、微积分操作和逻辑推导都是正确的。没有发现数学错误。需要注意的是,数学分析不涉及物理含义的准确性(如能量定义是否物理正确),仅关注形式上的数学正确性。


    IP属地:北京2楼2025-11-07 10:32
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      2025-12-11 13:59:21
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      fz8zi8: 鸵鸟心态的你谈论智商,是对智商的侮辱。


      IP属地:北京3楼2025-11-08 16:26
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