物理學中5個關鍵概念及其基本的解釋

2020-12-14 老胡說科學

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想要學習物理學的基礎知識嗎?今天,我將和你們分享10個基本物理概念的一個非常簡單的解釋。

重力

重力(引力)是宇宙中自然存在的四種力之一。它是兩個有質量的物體之間的引力。任何兩個有質量的物體都會相互吸引。引力與物體的質量和物體之間距離的平方成正比,從而得到:

產生的重力等於重力常數(由大寫字母G表示)乘以物體1的質量,再乘以物體2的質量,再除以兩個物體之間距離的平方。這就得到了兩個力之間的引力,單位是牛頓。

這就是為什麼像地球這樣巨大的物體能夠容納它上面的一切,比如我們人類,水和大氣,因為我們的質量被地球的質量所吸引。你以後會學到施加一個力給一個物體是如何使它向那個力的方向加速的,這就解釋了為什麼當你在重力場中下落一個物體時,它會向大質量物體加速。質量越大,施加在其他質量上的力越大,它們就會越快地向它們加速。

然而,另一個有趣的想法是,因為我們有質量,所以我們必須稍微吸引一些物體。這是一個微不足道的力,但是每一個有質量的物體,無限遠的物體,都對你有一個輕微的吸引力,但是這個力小到無法形容,看看引力公式就知道了。

光子和波粒二象性

直到19世紀末,人們還認為光是一種波。這是因為它對那些不研究量子物理的人來說更有意義。

光子沒有質量,每秒有無數的光子從太陽中釋放出來,在各種物體上反彈,進入你的眼睛,讓你看到它們。令人困惑的是,它們既是粒子又是波。這很讓人困惑,但它們顯示了兩者的特性,這就是所謂的波粒二象性。它是一種波,因為它可以通過一個小的間隙或一個透鏡來分解;由於光電效應,它又是粒子。光電效應是指光照射在一層金屬上,光子與金屬原子碰撞,傳遞其能量,使電子從金屬中釋放出來,其速度與初始光子的運動速度(動能)成正比。這是太陽能電池板工作原理的基礎。

照相機就是運用這種物理原理的完美例子。這種透鏡利用光波特性對光進行聚焦,並利用光的粒子特性在光子撞擊探測器晶片時釋放電子。

每個光子的能量由一個非常簡單的方程給出:

E= hv,有時也寫作E=hf這意味著能量(以焦耳為單位)等於普朗克常數(6.63×10-34 j)乘以光/波的頻率。頻率是每秒通過的完整波周期的數量,以赫茲為單位。由於普朗克常數是常數,光子的能量只與它的頻率成正比。

夸克

夸克是粒子的組成部分。

為了讓它更清楚,希望你知道所有的原子都是由電子,質子和中子組成的。夸克是組成質子、中子和其他粒子的較小粒子。電子是基本粒子,這意味著它們(像夸克)是不可分割的,它們不是由更小的粒子組成的。

粒子物理學是一門龐大的學科。所以這只是最基本的。你需要了解的三種夸克被稱為「上」「下」和「奇異」。夸克是原子的基本單位,但不能單獨存在。不存在單獨的夸克。

質子的結構是uud(兩個上夸克和一個下夸克組成)。中子的結構是udd。還有很多其他的2到3夸克的粒子它們包含了上夸克,下夸克和奇異夸克的粒子,但是它們也包含夸克的反粒子,這需要很長的時間來解釋,所以如果你對此感興趣,請仔細閱讀粒子物理學。

牛頓運動定律

定律1:如果沒有外力作用,物體將保持靜止或保持勻速直線運動。這就是為什麼如果太空中的火箭關閉它的引擎,它將永遠繼續前進。

定律2:如果一個物體受到一個力的作用,它就會以與作用的力和它的質量成比例的速度加速。這就產生了著名的等式F=ma。這解釋了為什麼當你把一個網球直接扔向地面時,第一定律不適用,當它上升時,對地球的引力使它向下加速。

定律三:每個作用力都有一個大小相等、方向相反的反作用力。

這些定律首次出現於1687年,一直流傳至今,並被現代物理學家頻繁地使用,並被用來設計你周圍的每一個運動物體。牛頓對物理學的影響如此之大,力的單位以牛頓的名字命名。要正確地理解一牛頓有多大,想像一下,如果我把一個100克的蘋果從1米高的地方扔到你手裡,所受到的力是1牛頓。

熱力學定律

溫度只是粒子的運動的宏觀表達。如果一個粒子快速振動,表現為高溫,如果一個粒子緩慢移動,表現為低溫。當例子停止運動,就達到了絕對零度。當一個高能粒子與一個低能粒子碰撞時,它們可以交換能量,直到達到所謂的「熱平衡」。熱力學是物理學的重要組成部分,有一些規則需要遵守。

第零定律——這個定律是在第一定律被發現之後被發現的,因此它被稱為第零定律。它簡單地解釋了處於熱平衡狀態(溫度相同)的兩個物體的熱能不會發生淨變化。顯然粒子會碰撞,能量會被交換,但總的來說不會有能量/熱量的淨移動。

第一定律——你可能還記得在學校裡學過,能量總是守恆的,從未被創造或毀滅,只是從一種形式轉移到另一種形式。要加熱你的晚餐,你必須以電的形式為微波爐提供能量,或者為爐子提供煤氣。如果你舉起一支筆,你是在對它做功,增加它的重力勢能,當你把它放下,它就變成動能(運動),當它落到地板上,動能就轉化成熱能,也許還有一些聲音。

第二定律,這個稍微複雜一點。它指出任何自發的過程都會增加宇宙的熵(無序性)。一個很好的類比是,當你吃一個漢堡時,它會分解成更小的元素(更無序),而且永遠不會自發地再次變成漢堡。宇宙自然地使自己變得更加無序的想法聽起來並不理想,但正是它使大多數化學反應得以發生。幸運的是,你可以通過減少一個區域的熵來增加另一個區域的熵,但是總有淨熵損失,它總是會變得更無序。

第三定律——首先你必須了解絕對零度。科學家們通常不用攝氏或華氏來測量溫度,他們用開爾文(或K)來表示溫度,因為這是人們認為的最冷的溫度(大約是-273.15攝氏度或-459.67華氏度)。當一個粒子的溫度下降,它的能量也下降,如果你把一個粒子降低到絕對零度,它會失去所有的能量,完全不運動,時間會凍結!酷吧?抱歉讓你們失望了,但是第三定律說這是不可能的。由於粒子的量子性質,它們的能量自然波動,因此它們永遠不可能達到絕對零度。

物理是一個非常廣泛和有趣的話題,我強烈建議你多讀一些。物理學的其他一些有趣的領域包括力學、聲音、廣義/狹義相對論(不要指望永遠能理解它,如果你認為你能理解,那你肯定沒有理解)、電磁學、量子、天體物理學、薛丁格方程、核物理等等,不勝枚舉。物理學就在我們身邊,在我看來,它是最酷的科學。

有無數的書你可以讀,從非常初級的,簡單的閱讀難以置信的複雜的期刊和大學教科書,每個人都能理解物理學。艾薩克·牛頓在17世紀晚期劍橋因淋巴腺鼠疫而關閉的時候創立了他的萬有引力理論,所以誰知道你在隔離期間對物理學有了基本的了解之後會得出什麼結論呢?

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