文/北京新東方優能一對一部 王東
物理學真正的開始，是牛頓出版了著名的《自然哲學的數學原理》一書，確立了牛頓力學的框架體系，他的力學體系源自伽利略對慣性的研究，他的引力理論來自於克卜勒三定律，而克卜勒三定律是通過大量的天文觀測數據歸納總結出來的。
牛頓力學的運動學是用空間中的一個點表示一個質點的位置，那麼質點的運動，實際上就描述成了這個點在不同時間跑到了不同的位置。那麼為了描述空間中的一個點，我們需要找參照物建立坐標系，而點的坐標隨時間變化，就可以用函數來描述。我們知道函數在一點的導數是函數的變化率，那麼我們就可以求導，來定義速度、加速度、加加速度、加加加速度……當然，我們其實只定義到加速度就可以了。當然，坐標系也可以隨便選，而不同坐標系描述的物理事實應該是同樣的，所以我們需要某種坐標變換將不同的坐標系聯繫起來。這些就是運動學部分了。
而動力學的基礎是考慮伽利略相對性原理。這是一條純粹基於經驗的假設，雖然我們難以找到一個絕對的勻速運動的車廂，但我們可以注意到，如果一個車廂不受幹擾地相對地面以勻速直線運動，我們在車廂裡無法得知自己是不是在運動。也就是說靜止的參考系和勻速直線運動的參考系是沒什麼本質區別的，其中的物體滿足同樣的動力學，即慣性系。如果一個物體不受任何影響會靜止，那麼在另一個等價的參考系它也有可能在做勻速直線運動。這就是牛頓第一定律了。因為牛頓力學中認為不同坐標系所用的時間都應該是一樣的，所以不同的慣性系就通過伽利略變換相聯繫。於是我們如果知道一個自由運動的物體的位置和速度，那麼這個物體此後的運動狀態就被確定了。
如果知道相互作用F，那麼原則上就知道質點怎麼運動了。但其實牛頓力學也不知道具體相互作用怎麼描述。牛頓本人只從克卜勒三定律總結出了引力的描述方式，此後洛倫茲力給出了點電荷受電磁場作用的方式：。誠然，絕大多數宏觀能見到的相互作用就只有電磁場和引力兩種，所以原則上，質點的運動問題勉強算是解決了。
那麼一般的物體我們可以看做是一堆質點，這麼多質點的坐標和速度我們顯然沒法知道，而且物體內部的相互作用一般來說也沒法知道，不過經過簡單的推理我們還是能找出一些質點系運動的規律：如果只考慮質心的話，質點系整體的平動和質點的運動很像。
但這樣還是不夠，完全不知道物體內相互作用，還是信息量太少。於是我們又有了一個簡單的模型：剛體，一個完全不變形的物體，相互作用無比大使得它任意兩個點的距離都維持不變，於是我們只用考慮它的平動和轉動，而剛體轉動問題經過簡單的推理，又發現一個和F=ma=dp/dt很像的方程：，只是質量換成轉動慣量，動量換成角動量，力換成力矩。當然，剛體只是個理想模型，實際上是不存在的。 如果考慮質點系動力學本身，我們還可以找到一些守恆量，即在質點系運動中不變的量，即能量、動量和角動量，可以方便我們分析問題。
物理學的學習更多的是建立物理學的學習思維，當我們一窺全貌後，掌握了物理認知的邏輯，才能明白學為何用。