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量纲分析简介

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第36卷第12期 大学物理 Vo1.36 No.12 2017年12月 COLLEGE PHYSICS DeC.2017 量纲分析简介 梁灿彬,曹周键 ,陈陟陶 (1.北京师范大学物理系,北京100875; 2.中科院应用数学所,北京100190; 3.埃尔朗根一纽伦堡大学,德国) 摘要:第一部分介绍我们对量纲理论的创新性看法,引入了“量类”、“单位制族”等若干非常重要的新概念,并以此为基础 对“量纲”一词给出了明确的定义.第二部分在上述创新性理论的基础上给出了口定理的严格证明,并举出两例展示了这一定 理的巨大威力. 关键词:量;数;单位制;量纲 中图分类号:O 311.2 文献标识码:A 文章编号:1000・0712(2017)12-0001—05 【DOI】10.16854/j.cnki.1000—0712.2017.12.001 作者说明:本文第一作者梁灿彬从1956年(大学二年级)起对量纲问题感兴趣,历经61年时断时续的 研究,终于对”量纲分析”这片尚待开垦的半处女地开垦出了一块,包括:提出了”量类”、”单位制族”、”现象 类”……等极其有用的新概念;解决了物理学界长期以来未能解决(甚至无人提出过)的若干重要问题(例 如,两个量相乘的定义,……).我们打算出版专著,暂名《量纲理论与应用》.应《大学物理》编辑部之约,特将 部分内容写成本文.我们在专著出版前还将做更深入的研究,如果本文的某些与将来的专著不一致,一 律以专著为准. 为A所在的量类,记作 .因此,A是A的元素.例 1 用单位把量转化为数 如,所有长度量的集合称为长度量类(记作2,),跑道 物理学关心各种物理量(physical quantity)及其 长度z只是量类,的一个元素.类似地还有质量量类 联系.可以互相比较(测量)的量称为同类量,比较的 结果是一个实数,简称数(number).例如,百米跑道 、时间量类;,、速度量类 等等. 的长度与米尺的长度是同类量(都是长度量),用后 在量类 中用一个任选的元素(记作 )测量其 者测量前者得数为100.[本文特别强调量和数的区 他元素,就可把每个元素变成一个实数,这个A称为 别,并特意以黑体字母(如A)和非黑体字母(如4) 分别代表量和数.]上述事实可用如下等式表示: 单位.设用A测A得数为A,就可写成同类量等式 跑道长度Z=100 m. A=A (1—2) 推广至一般,设A,和A 是同类量,用A 测量A 得 如果改用另一单位 测A,会得到另一个数 ,即 数为A,就可写出等式 A:=AA (1—1) 这种类型的等式称为同类量等式. A=A A . (1—2 ) 借用上式又可定义同类量之商: 设 与 的关系为 ..0 ,( 为实数)(卜3) -A我们当然想由此推导A 与A的关系.推导时发现要 A 2 A・ (同类量之商是一个数)(卜1 ) 用到某些公理性的东西,准确地说,同类量之间的互 对任意一个量A,所有与它同类的量的集合称 相比较(测量)应该遵从某些法则(否则就不是正确 测量),可以归纳为如下两点: 收稿日期:2017一O5一lO 作者简介:梁灿彬(1938一),男,广东中山人,北京师范大学物理学教授,主要从事电磁学、微分几何、广义相对论的教学和研究工作 2 大学 物 理 第36卷 设A是量类 的任一元素,O/、|B是任意实 数,则 1) aA= 等价于Ot=/3; (1-4) 2) 卢(aA)=(卢 )A. (1-5) 利用以上两点法则就可从 = 推出 与 的关 系:A=A =A ( )=(Atot) =( ) , (1—6) [其中第二步用到式(1-3),第三步用到式(1—5).] 与式(1—2)联立得 A :( ) , (1—7) 于是由式(1—4)便有 A=aA . (1-8) 把式(1—3)与式(1—8)结合便得结论:用不同单位 测同一量时,单位越大得数越小.这一结论也可用单 位之商表为 (1—9) 最狭义地讲,数学是研究数的关系的学问,借 助于单位把量转变为数,就可以把量的关系的研 究转化为数的关系的研究,从而把物理问题转化 为数学问题.例如,如果量类 的两个元素A 和 A 2满足 A1=Al A, A 2= 2 A, (1—10) 则当 >A。时就说量A:大于量A。,并记作A:>A。. 可见,借助于单位就可以用数的不等式来对同类量 的不等式下定义,用以描述两个同类量孰大孰小. 2数的等式和量的等式 物理规律是物理量之间关系的反映.既然选定 单位后每个量可用一个数代表,物理规律也就可用 数的等式表示.反映物理规律的数的等式称为物理 规律的数值表达式(numerical valued equation),简 称数的等式(等号两边都是数). 为了便于阐明问题,下面采用甲乙对话的方式 讲述,其中乙代表本文第一作者. 甲 但是,是不是也应有量的等式? 乙 同类量等式[例如式(1—1)]就是量的等式. 甲物理书上所有公式(例如_厂:ma)也都是量 的等式吧? 乙你涉及微妙问题了.我问你,f-_ma中的字 母厂代表什么? 甲 当然代表力了,还用问吗? 乙 设问题涉及的力是6 N,则对/有两种可能 理解:①_厂代表6 N这个量;②f代表以N为单位测 量6 N这个量所得的数(即6).你选择①还是②? 甲 我从未想过这个问题,我觉得……应该选 ①吧?因为/=ma是量的等式啊. 乙依此类推,公式中的字母m和a应分别代 表质量(就说2 kg吧)和加速度(3 m/s )了? 甲 是的. 乙 那么ma(两个字母并排)又代表什么? 甲 那还用问?当然是m与a相乘了. 乙m和a都是量,两个量的相乘你学过吗? 所有人从小就学的乘法都是两个数的相乘.“九因 歌”(九九乘法表)中的“三七二十一”说的就是7 的3倍等于21,完全是数的乘法!在我们能查到 的数量不小的中外文献中根本找不到对量的乘法 以及量的等式的任何定义.因此,如果坚持把.厂=ma 理解为量的等式,你根本就说不清右边ma的意 义.只有把它理解为数的等式(无非是6=2×3)才 是清楚的. 甲但是我觉得许多人都认为.厂=ma是量的等 式.您的说法是别出心裁还是有文献依据? 乙 我认为,凡是把量纲分析真正研究透彻的 人都持这一看法(至少有3本权威著作为证,下面 一一道来).我本人一贯偏爱和习惯于把物理规律 的数学表达式看作数的等式,这是60余年前受当 时的苏联作者塞纳的书[塞纳(1959)]的影响逐 渐形成的.该书第3页明确写道:“通常在公式中的 一些符号并非是量的本身,而是一些数值,这些数 值是表示这些量用任一单位量度时的数值.”后来 (几年前)还查到两本英文书,绝对明确地声称书 中公式都是数的等式,而且特别强调量的等式(量 的乘除)没有意义.(这种强调太有必要了!可惜 仍未引起绝大多数物理工作者的注意.遗憾!!!) 下面从这两本书中各引一段(引文中的重点号是 我们加的),以飨读者.Barenblatt(1996)在第30页 写道:“在CGS单位制中,速度的单位是1 S走 1 cm这样一种匀速运动的速度,记作cm/s.……单 位的这种写法在某种程度上只是一种习惯写法: 你不能把比值cm/s想象为长度标准(cm)与时间 标准(s)的商.这种商完全没有意义:你可以用一 个数去除另一个数,但不能用一段时间间隔去除 一段长度间隔!”Bridgman ̄(1931)在第23页写 道:“速度是用某段时间去除某段长度来测量的 『但不要忘记这实际上是用一个数(测量某段时间 ①Bridgman是1946年诺贝尔物理奖得主,正文所引的书 [Bridgman(1931)]是他的早期著作,书名为《量纲分析》,第一 版出版于1922年. 第l2期 梁灿彬,等:量纲分析简介 3 所得的数)去除另一个数(测量某段长度所得的 书中所有公式都只能理解为量的等式.我们的《电磁 数)].” 学》第一版(1980)中的所有物理规律表达式都是数 综上所述,我们强调一个结论:所有物理公式都 的等式,但写第二版时就只能都看作量的等式(包括 应理解为数的等式[极少数(例如同类量等式)除 其中某些只有看作数的等式方能正确的公式).第三, 外],式中每一字母代表用某一单位测该量所得 在某些情况下量的等式确实有其方便之处,特别是, 的数. 人们经常用“单位乘除法”对单位进行运算,例如 为了更有说服力,请再看一个例子.狭义相对论 有个著名的洛伦兹变换,其中的时间变换式在国际 wb= H・A=・(V.s. 1)・A= V's=I A心s= 制的形式为 c=3X109一SC1 ——…・ 一, 口, 、 1 S S S 1-=-S 10 ——.,,S  (2-32 3)) f =’,f、 一 0 }, , 其中 ;—√ 1一(v/c)‘二=  .(2—1) 即 上式的v/c 和(v/c) 使公式及其后续运算繁杂,相 1韦=1亨・安=1f伏・、 秒・÷I.文, 安=1伏・秒= 对论工作者通常会用“几何单位制”把上式简化为 1 t y(t--YN), 其中 __=三==.(2-2) 安.欧. 鬈音 喜=3 ̄109警, J1一 从来没有怀疑过这种做法是否会有问题.上式不但是量 你能讲清这样简化的理由吗? 的等式,还涉及量的“乘积”和“商”的概念,而且默认对 甲 很简单,就是因为几何单位制取c=1. 量做乘除时通常的运算律成立(用到结合律和交换 乙 但是,如果你坚持把式(2—1)看作量的等 律).因此,至少可以说,为了保证“单位乘除法”意义明 式,那么式中的每个字母(包括C)都代表量,C代表 确,就有必要对量的乘法和量的等式下定义,而且还要 真空光速这样一个量,即c=3 X 10 cm/s,它怎么能 证明这样定义的乘法满足通常的运算律.由于所查到的 等于1这么一个数?(一个量无论如何不能等于一 文献都没有给出这个定义,我们只好自己杜撰.经过反 个数!) 复努力,我们终于杜撰出一个比较满意的“量乘”定义, 甲 这……恐怕我也说不清楚. 此处难以介绍,详见《量纲理论与应用》一书. 乙那是因为你们都把式(2-1)中的字母看作 甲 您在1中讲过“数学是研究数的关系的学 量.只要把该式的字母看作数,具体说,把c理解为 问……”,这句话很有意思.能再讲具体一点吗? 用速度的国际单位制单位m/s测量真空光速c这 乙最简单的数学(算术)是四则运算,它只涉 个量所得的数(c=3x10 ),就不难理解了. 及数的关系,例如“九因歌”中的“四六二十四”说的 甲 但也不能把3×10 取作1啊!? 就是6的4倍等于24,完全是数的乘法.就连高等数 乙3x10 是用国际单位制速度单位测c所得 学的函数及其微积分运算也只涉及数的关系.函数 的数;只要另选一个适当单位去测c,所得的数就可 Y= )给出的是数Y随数 的改变而改变的规律, 为1.你能说出这个新单位是什么吗? 称 为自变数,Y为因变数,都是数,完全不涉及量. 甲 我知道了.只要选C(真空光速)这个量作 甲 但多数人都称 和Y为自变量和因变量啊. 为速度量类z,的新单位,用它测C(自己测自己),得 乙 这只是个翻译问题①.我们不喜欢这种译 数自然为1. 法,因为从实质上说它们都是数(变数).谢天谢地, 乙 很对!可见,在引进几何单位制时,把式 我国的数学前辈把function译作函数而没有译作函 量,我们已经很知足了. (2-1)看作量的等式就无法理解为什么可以把c取为1. 甲 现在我接受“所有物理公式都应理解为数 甲 难道数学家就一点不关心量吗? 的等式(极少数除外)”这个结论了.既然如此,是否根 乙 当然也关心,但那已涉及数学的应用(应 用题)了.物理学是数学最重要的应用领域之一.为 本就没必要谈什么量的等式了(同类量等式除外)? 乙 情况却又不如此简单.第一,估计还有不少 了定量地研究物理,就要借助于单位把物理量转化 国内外作者认为量的等式必不可少(特别是在涉及量 纲分析时).第二,中国在这方面有特殊的“国情”.国 ①变数或变量的英语对应词都是variable,自变数或自变量的对应 词是independent variable(或argument),因变数或因变量的对应 内出版界至少在近20年来有一个非常硬性的规定: 词是dependent variable或function(函数). 4 大学物理 第36卷 为数,再用纯数学求得答案,解决问题.一般地说,无 论在哪个领域应用数学,都要借用单位把量变成数, 从而把该领域的问题转化为数学问题.久而久之,许 多物理学家竟然把自己熟悉的数的等式误以为是量 的等式. 上式和式(3—1)都可以称为欧姆定律,两者形式不 同的原因在于两者采用不同的单位搭配(前者的搭 配是“伏,安,欧”;后者是“伏,毫安,欧”). 上述例子表明,同一物理规律在不同单位搭配 下的数值表达式可能不同.但也不难相信,同一规律 的各个数值表达式之间的差别仅体现为一个附加因 甲 一般物理书都用黑体字母代表矢量(用以 区分矢量和标量),而本文的黑体字母却代表量(用 以区分量和数).对吗? 乙 很对. 子.只要在表达式等号右边补一个依赖于各量单位 搭配的比例系数k,就是说,只要把式(3—1)改写为 U=klR, (3—3) 甲 那么,在涉及矢量的情况下,本文会用什么 记号? 便能在任何单位搭配下都成立①.请注意上式的k依 赖于(而且仅依赖于)式中各量所选的单位.每一量 乙 本文用上方加箭头的字母代表矢量,例如 代表力这个矢量. 甲但是,矢量不也是量吗?为什么不用,(既 加箭头又用黑体)代表力? 乙你问到微妙之处了.通俗地讲,矢量是既有 大小(长度)又有方向的“量”,其大小可用数描述, 其方向可用方向角(也是数)描述,所以抽象的矢量 属于数而不属于量,只有赋予物理意义(例如力或 动量)并且配上单位之后才是量(这时才记作 ). “矢量”一词是英语中vector的汉译词,而vector一 词连一点儿“量”的味道都没有. 3 单位制 要明白制定单位制的原始动机,先看一个简单 例子.欧姆定律的数值表达式是 U=IR, (3—1) 其中u、,和 分别是以V(伏特)、A(安培)和Q (欧姆)为单位测量问题中的电压 、电流J和电 阻 所得的数.为了更清楚地表明这一点,不妨把 上式的U、,和R明确地写成 伏、,安和R欧,但请注 意它们仍然代表数,只不过把测得此数所用的单 位注在右下角而已.(切莫把 债与 伏相混淆, 伏是数,而 伏则是量!)于是式(3—1)可以更明 确地写成 f/伏=,安R欧. (3—1 ) 但是,如果改用毫安测量电流,并把所得的数记作 安,注意到1毫安=10 安,便有 ,J点=10 安, 代入式(3—1 )便得 伏=10一 ,毫安 欧. (3-2) 为了简洁,通常都去掉下标,于是就有 =10~IR. (3—2 ) 类的单位原则上都可任选,但如果过于任意(“一盘 散沙”),则大量的数的等式中的k值将复杂得难以 记住.为克服这一困难(也为了其他某些好处),可用 单位制来约束各个量类的单位的选法.一个单位制 由以下3个要素构成: (a)选定Z(>1)个量类., --、 作为基本量类 (个数和选法有相当任意性),其他量类一律称为导 出量类. (b)对每一基本量类t, (i=1、…、z)任意选定 一个单位I, ,称为基本单位. (c)对每一导出量类 ,利用一个适当的、涉及 c的物理规律来定义它的单位,称为导出单位.我们 先举两个例子,再归纳出一般公式. 例1 CGS单位制指定长度、质量和时间为基 本量类,指定厘米、克和秒为基本单位.为了定义速 度 (导出量类)的单位,考虑质点做匀速直线运动 这样一种物理现象.设质点在t s内走了z cnl,以 代 表用任一速度单位 测质点速度 所得的数,则 1:k一,t (3-4) 其中k>0是反映速度单位 的任意性.指定k=1便指定 了一个确切的速度单位.具体说,k:1使上式简化为 Z =一, (3—5) 上式起到给速度的CGS制单位 。。下定义的作用, 称为导出单位 。 的定义方程.为了看出这个 。。是 怎样的一种速度,可令t=1及f=1(相当于同类量 等式t=1 s,l=1 cm),代入式(3—5)得 =1,即 ① 当等式右边含有不I 一项时.各项所补的k可能不同. 第12期 梁灿彬,等:量纲分析简介 5 /3= 。。,说明 。 就是每秒走1厘米这样一种速度, 通常也写成等式 。s=cm/s (3—6) 种只涉及量类 和基本量类7 、…、 的物理规律 C= ., 一 , (3—11) 请注意右边的cm/s只是一个记号,代表“每秒走1 厘米”这样一种速度.初学者应该通过这个例子学会 从导出单位的定义方程看出该单位大小的这种技 其中., 、…、 是以基本单位测问题中的基本量 ., 、…、 所得的数,c是以 的任~单位仑测问题 中的量c所得的数, 一, 是有理数,k>0是反 巧,切莫以为“这只不过是在讲1×1=1的小学算 术,有什么可学的?” 映选择e的任意性的系数.指定k值便等价于指定了 例2为定义加速度口(导出量类)的CGS制单 位,先考虑从静止开始做匀加速运动的质点.设tS时 的末速为 cm/s,以。代表用任一加速度单位盎测 该质点加速度所得的数,则 口:k一73, £ (3-7) 其中k反映a的任意性.指定k=1便指定了CGS制 的加速度单位五 。 .k=1使上式简化为 n= , (3—8) 当t:1及 =1时n=1,可见鑫 。 是速度每秒增加 1cm/s这样一种加速度,通常写成 盆ces=cm/s . (3—9) 式(3—8)的作用是给CGS制的加速度单位鑫 。 下定 义,所以是这个单位的定义方程. 出于某些需要,还想让定义方程的右边只涉及 基本量类,所以还想借 与基本量类的关系再改写 上式.为此,考虑这样一个(复合的)物理过程(亦称 物理现象):质点从静止开始做匀加速运动,加速 度、时间和末速显然有式(3—8)的关系;然后它以末 速为速度做匀速运动,在 S内走了z cm,便有z= , , 代入式(3-8)便得 o=÷. (3—10) t 上式也能起到给加速度的CGS制单位盆 。 下定义的 作用,所以也称为a 的定义方程.为区分起见,我们 把式(3-8)和(3—10)分别称为会 。 的原始定义方程 和终极定义方程[终极定义方程的右边必须只含基 本量(的数)].式(3-5)则既是( 。 的)原始定义方 程也是终极定义方程. 上面对速度和加速度单位下定义时都指定 k=1,其实指定k为任一正实数都是允许的. 在上述两例的基础上就可介绍任一导出量类c 的导出单位e的定义方程,又分两种情况. (c1)e与基本量类有直接关系.这是指存在某 导出单位e. (c2)e与基本量类只有间接关系.这是指存在 物理规律,它除涉及导出量类 和基本量类 ̄1、…、 .j『 外还涉及导出量类A -.、A (其导出单位已有定 义),且以基本单位测基本量、以导出单位测A 一, A 、以c的任一单位测C所得的数.,。、…、 ;A 、 …、A ;C满足C= 原af …A p ., …l, , (3—12) 其中P 、…、P 及 、…、 为有理数,系数k加下标 “原”旨在强调这是原始定义方程的系数.指定上式 的 值便定义了量类 的导出单位仑. 把式(3—12)的 、…、 分别用I, 、…、 表 出,便也归结为式(3-11)的形式,即 C=k终‘, …., , (3—11 ) 其中k终是若干个k原的乘积[每个A (i可从1到 n)都有自己的k原]. 注1导出单位的定义方程必须是数的等式, 但是有太多的人误以为是量的等式. 定义1式(3—12)和(3—11 )都称为导出单位 e的定义方程.为区别起见,前者称为原始定义方程, 后者称为终极定义方程. 综上所述,一个单位制由以下三个要素构成: (a)基本量类; (b)基本单位; (c)导出单位的定义方程. 参考文献: [1]塞纳(俄文).物理学单位[M].嵇储凤,卞文钧,译.上 海:上海科学技术出版社,1959. [2] Bridgman P W.Dimensional Analysis,Revised edition [M].Yale University Press,1931(第一版出版于1922 年). [3] Barenblatt G I.Scaling,self—similarity,and intermediate asymptotics[M].Cambridge University Press,1996. (未完,待续) 

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