【科學動圖】數理化不再難學,這些動圖讓你秒懂抽象概念

2021-03-02 環球物理

覺得數學和物理很抽象很難懂嗎?今天我們來分享一組數學和物理相關的動圖,讓你秒懂抽象概念。

數學動圖

△ 從橢圓的一個焦點射出的光線總會通過另一個焦點。

△ 真人版。

△ 一圖看懂正弦、餘弦和正切什麼意思。

△ 圓的面積。

△ 如何理解圓的面積和派的關係。

△ 勾股定理演示。直角三角形的兩條直角邊的平方和(兩個小正方形的面積),加起來正好等於斜邊的平方(大的面積)。

△ 另一種勾股定理的理解。

△ 用阿基米德的窮舉法計算派的大小。

△ 如何利用2點畫橢圓。2個點就是橢圓的焦點。

△ 派和圓周長的關係。

△ 找到120以內的質數。

△ 為什麼多邊形外角和為360度。

△ 弧度(角的一種度量單位)的意義。



△拋物線

△ 矩陣調換(matrix transposition):一個矩陣是藉由把一個已知矩陣的所有的列轉換成行而形成,反之亦然。

△ 謝賓斯基(sierpinski)三角形:它是一種分形(fractal),一種以數學方式產生的圖案,可以在任何放大或縮小之下重現。

△ 餘弦定理,它涵蓋了勾股定理。

△ 葵花中的斐波那契數列(1、1、2、3、5、8、13、21、...,從第三項開始每項是前兩項的和)。葵花中,朝一個方向的螺旋線有34條,另一個方向上的則有55條,正好是斐波那契數列中的2項。更大的葵花的螺旋線更多,但也符合斐波那契數列。

△ 雙曲面算是一個比較常見的物體形態,但是你知道由直線組成的雙曲面是什麼樣嗎?這兩張動圖就會告訴你。直線傾斜運作,環繞一圈就能夠組成雙曲面體。從數學角度來講,雙曲線繞其對稱軸旋轉而生成的曲面即為雙曲面。

△ 這也是直線的雙曲面

△ 如何將一張白紙摺疊成最小的尺寸?這時候你需要利用三浦摺疊方式。這是由日本東京大學構造工學名譽教授三浦公亮所發明的摺疊技術。該技術是以拉開對角兩端來把物品展開,而在收縮時則反向推入。那怎麼操作,將白紙畫成橫七豎五的樣式,之後按住兩個對角線摺疊。

△ 鑽出方孔:鑽孔在生活中非常常見,它也是裝修中很基本的一種方式。但是你知道如何能能夠鑽出方孔嗎?其中很簡單,這張動圖就完全告訴你了:選取固定的寬度,將鑽頭外輪廓做成萊洛三角形(中心點會形成一個圓,但它的幾何中心是不穩定的)的樣子,利用其只要還在兩條平行線,就始終與這兩條平行線相切的原理。

△ 無窮的巧克力,看著是不是很神奇

上面的巧克力的原理

障眼法而已:實際上,被切割出來的巧克力塊在表面上看似乎可以互相"天衣無縫"地拼合起來,但是,只是因為斜割的坡度相同而已,最終拼湊成的矩形比起最初的矩形要矮一小截,而這幾個缺失的"一小截"的面積恰好就是多出來的一個整塊的面積,巧克力不可能憑空增加,這一切只是視覺上的一種錯位而已。

△ 勒洛三角形(reuleaux triangle):以等邊三角形每個頂點為圓心,以邊長為半徑,在另兩個頂點間作一段弧,三段弧圍成的曲邊三角形就是勒洛三角形。

它是一個寬度相同的凸形平面形狀,不管曲線的方向如何。上面物體都能保持水平運動。

△ 巴斯卡三角形(Pascal's triangle):它能被用來發現組合。

物理動圖

△ 一圖看懂科裡奧利力(coriolis force)。科裡奧利力也叫地轉偏向力,地轉偏向力使北半球的風向右偏轉,偏南風逐步轉為西至西南風,偏北風則漸轉東至東北風;南半球則相反,風會向左偏轉,偏北風漸轉為西至西北風,而偏南風則逐步轉為東至東南風。

△ 物體的拋物線運動。運動距離和初始速度以及角度有關。

△ 槓桿和力矩。

△ 接近光速時的時空扭曲。

△ 靜摩擦力和動摩擦力。

△ 質量造成時空的扭曲。

△ 如何證明圓周運動的物體每一時刻的速度方向都和圓相切。

△  擺線長度相等,質量不同的單擺的運動周期一樣。

△ 2點之間不一定直線最快。在下滑時,最快的路徑是最速曲線(brachistochrone curve),也就是中間那條軌道。

△ 角動量守恆定律。

△ 製造達人發明的永動機,你猜猜它會不會停下來

△ 鐵流體變成鐵樹

△ 磁鐵泥?不懂了……

△ 磁力的威力

△ 方形的應該是磁石吧?

△ 煙霧裡的易燃物質:如果煙霧裡存有易燃物質會是什麼樣?從這張動圖可以發現,只要將火源貼近煙霧,就可以點燃其最近的火源體。這是因為存在與空氣混合的爆炸下限小於 10%,或是爆炸上限和下限之差值大於 20% 氣體,簡單來講,就是因為煙霧中存有硫化物,氰化物等易燃物體,只要火源靠近就容易著火。

△ 磁鐵從銅鑄管中通過。強磁鐵+銅管=「反重力」,看著有種懸浮的感覺。

△ 量子懸浮:什麼叫做量子懸浮?從原理上來講是這樣的,在磁懸浮實驗中,通過改變超導體的物理尺寸而出現的一種奇妙現象,它沒有任何的平衡點。這張動圖除了顯示這些內容之外,還告訴你它的速度有多快。

△ 張力運作:張力是一個物理學名詞,當物體受到拉力作用時,存在於其內部而垂直於兩鄰部分接觸面上的相互牽引力。那到底是怎麼運作的呢?從放慢的動圖可以發現,當拋下一個物體的時候,會持續因地心引力的存在而向地面靠近,最後與地面接觸,完全掉落在地面。

△ 有限空間內的易燃氣體:如果一個瓶子裡的空氣中存有易燃體怎麼辦?就如同魔術一樣,在瓶子裡靠近火源,就會點燃火苗,而從上垂落之下,最後燃燒殆盡。原理和因為瓶子內存有一定的空氣,當易燃氣體和空氣混合,火源接近就會燃燒,但瓶內的空氣有限,所以燃燒時間有限。

△ 冰島的瀑布產生的彩虹。傾瀉而下的瀑布濺出的水珠瀰漫在天空,在陽光照射下形成道道彩虹,仿佛整個瀑布是用金子鍛造成的,景象瑰麗無比。



△ 六氟化硫比空氣重:並非所有氣體的密度都相同。六氟化硫是一種無色、無毒、沒有任何氣味、無可燃性的惰性氣體,密度是空氣的5倍,所以在圖中,你就看到了這樣有趣的現象。

△ 子彈開瓶蓋的瞬間

△ 氣球爆破的瞬間


△ 靜電點火

△ 都是靜電的吸引作用


△ 硬幣的作用?


△ 美麗的澱粉圖畫

△ 太空艙裡的水滴

△ 神龍擺尾

△ 利用太陽光的聚焦來煮飯

△ 雪花的形成過程

△ 氣泡的結冰過程

△ 在牛奶中滴入色素,再滴入肥皂水,瞬間綻放開的色彩好美。

△ 乾冰投入水中,很有意思,電影裡的煙霧基本都是乾冰做出來的效果。

△ 在過冰水放入冰塊,瞬間水結成冰。過冰水就是剛好到0度又不結冰,輕輕給它一點變化就會結冰。家裡冰箱放一瓶礦泉水可以復現。

△ 沙子表面覆蓋隔絕水的化學物質,再放入水中,像泥一樣。

△ 靜電反應引起的水分子吸引現象,這個很常見吧。

△ 水中的螢光劑,美輪美奐。

△ 非牛頓流體放在音響上面出現的震動。將澱粉與水調和可以製成非牛頓流體。

△ 磁流體和磁鐵,很有意思。

△ 醋酸鈉瞬間結冰,這個經常做成裝飾小擺件。

△ 這種隱形球在水中的折射和水的折射一樣,幾乎看不到。

△ 電磁現象


△ 氣壓變化



△ 超導體還能倒過來跑?

△ 雷射引爆氣球內鞭炮的瞬間

△ 燈泡中的宇宙:這是一個閃光燈泡,內裝鋅絲和氧氣,通電即點燃,只能使用一次。


△ 顯像管被玩壞了……


△ 一個樂器就能反映出聲波的傳遞方式


△ 冰與火的激情


△ 高壓電電弧看起來就像魔法

△ 感應熔煉

△ 如果安全氣囊晚了1/700秒,會怎麼樣?


△ 把熔化的鐵水倒在冰上,會怎樣?


△ 震蕩波改變顆粒的排列:二維共振克拉尼圖案


△ 渦環的碰撞(實驗室環境下兩股染色液體相撞後的軌跡)


△ 在聲波中懸浮的小球

△ 夢寐以求的撞球

化學動圖

△ 碘鍾反應:碘鍾反應是一種非常有意思的化學振蕩反應,主要能用來化學動力學的原理。在1886年被瑞士化學家Hans Heinrich Landolt發現。在這個有趣的反應中,將兩種無色的液體混合在一起,只需要一到兩秒它們就會變成靛藍色。是不是就像是神奇的魔術一樣。

△ 鐵棒置換硫酸銅:硫酸銅溶液(五水合硫酸銅)(CuSO4·5H2O)是一種顏色為天藍色的溶液,PH值呈弱酸性,硫酸銅是製備其他銅化合物的重要原料。將鐵棒放置在溶液中,鐵棒表面就會有紫紅色物質析出,溶液由藍色變為淺綠色,看圖片還挺壯觀的呢!

△ 傳說中的法老之蛇

△ 三碘化氮,輕輕一碰就爆炸

△ 鍶+硫磺,真是太亮太亮了,晃瞎你的眼!

△ 鋁+溴,天啊,真是電閃雷鳴!

△ 聚丙烯酸鈉+熱水。聚丙烯酸酯鈉是一種吸水樹脂,能把水變成一種白色蓬鬆的物質,看上去像雪一樣。

△ 點燃鋰這是金屬鋰燃燒的景象,燃燒過程中固態的金屬鋰不斷熔化,並生成氧化鋰。鋰的焰色反應為紅色,但當劇烈燃燒時火焰呈現一種「亮銀色」的狀態。和其他鹼金屬一樣,鋰火不能用水來撲滅,需要專門的乾粉滅火劑。

△ 當濃硫酸加入對硝基苯,濃硫酸一旦滴入對硝基苯胺就會迅速使其脫水,加熱產生反應造成一開始的噼噼啪啪的情況,然後再過一會會有其相互反應的化合物出現,這根黑柱的材質非常類似於塑料泡沫,它是很好的阻燃材料。

△ 用火點燃裝滿氫氣的氣球,劇烈爆炸。

△ 乾冰+肥皂水,吞雲吐霧真奇妙。

△ 作死二人組

△ 這是什麼氣體?

△ 點燃硼酸三甲酯的魔幻效果

來源:把科學帶回家(ID:steamforkids),給孩子最好的科學教育。

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