物理学中的5个关键概念及其基本解释
重力
重力(引力)是宇宙中自然存在的四种力之一。它是两个有质量的物体之间的引力。任何两个有质量的物体都会相互吸引。引力与物体的质量和物体之间距离的平方成正比,从而得到:
产生的重力等于重力常数(由大写字母G表示)乘以物体1的质量,再乘以物体2的质量,再除以两个物体之间距离的平方。这就得到了两个力之间的引力,单位是牛顿。
这就是为什么像地球这样巨大的物体能够容纳它上面的一切,比如我们人类,水和大气,因为我们的质量被地球的质量所吸引。你以后会学到施加一个力给一个物体是如何使它向那个力的方向加速的,这就解释了为什么当你在重力场中下落一个物体时,它会向大质量物体加速。质量越大,施加在其他质量上的力越大,它们就会越快地向它们加速。
然而,另一个有趣的想法是,因为我们有质量,所以我们必须稍微吸引一些物体。这是一个微不足道的力,但是每一个有质量的物体,无限远的物体,都对你有一个轻微的吸引力,但是这个力小到无法形容,看看引力公式就知道了。
光子和波粒二象性
直到19世纪末,人们还认为光是一种波。这是因为它对那些不研究量子物理的人来说更有意义。
光子没有质量,每秒有无数的光子从太阳中释放出来,在各种物体上反弹,进入你的眼睛,让你看到它们。令人困惑的是,它们既是粒子又是波。这很让人困惑,但它们显示了两者的特性,这就是所谓的波粒二象性。它是一种波,因为它可以通过一个小的间隙或一个透镜来分解;由于光电效应,它又是粒子。光电效应是指光照射在一层金属上,光子与金属原子碰撞,传递其能量,使电子从金属中释放出来,其速度与初始光子的运动速度(动能)成正比。这是太阳能电池板工作原理的基础。
照相机就是运用这种物理原理的完美例子。这种透镜利用光波特性对光进行聚焦,并利用光的粒子特性在光子撞击探测器芯片时释放电子。
每个光子的能量由一个非常简单的方程给出:
- E= hv,有时也写作E=hf
这意味着能量(以焦耳为单位)等于普朗克常数(6.63×10-34 j)乘以光/波的频率。频率是每秒通过的完整波周期的数量,以赫兹为单位。由于普朗克常数是常数,光子的能量只与它的频率成正比。
夸克
夸克是粒子的组成部分。
为了让它更清楚,希望你知道所有的原子都是由电子,质子和中子组成的。夸克是组成质子、中子和其他粒子的较小粒子。电子是基本粒子,这意味着它们(像夸克)是不可分割的,它们不是由更小的粒子组成的。
粒子物理学是一门庞大的学科。所以这只是最基本的。你需要了解的三种夸克被称为“上”“下”和“奇异”。夸克是原子的基本单位,但不能单独存在。不存在单独的夸克。
质子的结构是uud(两个上夸克和一个下夸克组成)。中子的结构是udd。还有很多其他的2到3夸克的粒子它们包含了上夸克,下夸克和奇异夸克的粒子,但是它们也包含夸克的反粒子,这需要很长的时间来解释,所以如果你对此感兴趣,请仔细阅读粒子物理学。
牛顿运动定律
定律1:如果没有外力作用,物体将保持静止或保持匀速直线运动。这就是为什么如果太空中的火箭关闭它的引擎,它将永远继续前进。
定律2:如果一个物体受到一个力的作用,它就会以与作用的力和它的质量成比例的速度加速。这就产生了著名的等式F=ma。这解释了为什么当你把一个网球直接扔向地面时,第一定律不适用,当它上升时,对地球的引力使它向下加速。
定律三:每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。
这些定律首次出现于1687年,一直流传至今,并被现代物理学家频繁地使用,并被用来设计你周围的每一个运动物体。牛顿对物理学的影响如此之大,力的单位以牛顿的名字命名。要正确地理解一牛顿有多大,想象一下,如果我把一个100克的苹果从1米高的地方扔到你手里,所受到的力是1牛顿。
热力学定律
温度只是粒子的运动的宏观表达。如果一个粒子快速振动,表现为高温,如果一个粒子缓慢移动,表现为低温。当例子停止运动,就达到了绝对零度。当一个高能粒子与一个低能粒子碰撞时,它们可以交换能量,直到达到所谓的“热平衡”。热力学是物理学的重要组成部分,有一些规则需要遵守。
第零定律——这个定律是在第一定律被发现之后被发现的,因此它被称为第零定律。它简单地解释了处于热平衡状态(温度相同)的两个物体的热能不会发生净变化。显然粒子会碰撞,能量会被交换,但总的来说不会有能量/热量的净移动。
第一定律——你可能还记得在学校里学过,能量总是守恒的,从未被创造或毁灭,只是从一种形式转移到另一种形式。要加热你的晚餐,你必须以电的形式为微波炉提供能量,或者为炉子提供煤气。如果你举起一支笔,你是在对它做功,增加它的重力势能,当你把它放下,它就变成动能(运动),当它落到地板上,动能就转化成热能,也许还有一些声音。
第二定律,这个稍微复杂一点。它指出任何自发的过程都会增加宇宙的熵(无序性)。一个很好的类比是,当你吃一个汉堡时,它会分解成更小的元素(更无序),而且永远不会自发地再次变成汉堡。宇宙自然地使自己变得更加无序的想法听起来并不理想,但正是它使大多数化学反应得以发生。幸运的是,你可以通过减少一个区域的熵来增加另一个区域的熵,但是总有净熵损失,它总是会变得更无序。
第三定律——首先你必须了解绝对零度。科学家们通常不用摄氏或华氏来测量温度,他们用开尔文(或K)来表示温度,因为这是人们认为的最冷的温度(大约是-273.15摄氏度或-459.67华氏度)。当一个粒子的温度下降,它的能量也下降,如果你把一个粒子降低到绝对零度,它会失去所有的能量,完全不运动,时间会冻结!酷吧?抱歉让你们失望了,但是第三定律说这是不可能的。由于粒子的量子性质,它们的能量自然波动,因此它们永远不可能达到绝对零度。
物理是一个非常广泛和有趣的话题,我强烈建议你多读一些。物理学的其他一些有趣的领域包括力学、声音、广义/狭义相对论(不要指望永远能理解它,如果你认为你能理解,那你肯定没有理解)、电磁学、量子、天体物理学、薛定谔方程、核物理等等,不胜枚举。物理学就在我们身边,在我看来,它是最酷的科学。
有无数的书你可以读,从非常初级的,简单的阅读难以置信的复杂的期刊和大学教科书,每个人都能理解物理学。艾萨克·牛顿在17世纪晚期剑桥因淋巴腺鼠疫而关闭的时候创立了他的万有引力理论,所以谁知道你在隔离期间对物理学有了基本的了解之后会得出什么结论呢?