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一、经典力学(运动定律)
你可能已经听过艾萨克·牛顿坐在苹果树下并制定基本运动定律的故事。 虽然故事部分是伪造的,但有一些道理。 1687 年,牛顿出版了《自然哲学的数学原理》(简称 Principia ),这是第一本阐述运动或经典力学基本定律的书。 在这本书中,牛顿提出并解释了经典力学的三个基本定律:
静止的物体将保持静止,运动物体将以相同的速度保持运动,除非物体受到外力作用。
力等于质量乘以加速度(F = ma)
当一个物体对另一个物体施加力时,第二个物体对第一个物体施加相等且相反的力。
这听起来有点抽象,但是当你想到它时,这些力学定律在日常生活中是清晰的。 在平坦的表面上,球将保持静止,除非有人踢它,或风吹它。 在山坡上,重力作用于它并使其滚落下来。就力而言,我们都明白被 30 公里/小时移动的足球撞击的速度与被相同速度的汽车撞击的情况不同。 物体的质量会对力产生影响。 最后,我们都明白,如果我们打一堵墙,我们可能会打破我们的手。 我们可能会猛烈地撞墙,但是墙壁会施加相同而相反的力量作为回报,哎哟,疼死啦。
二、电磁学
什么是光? 如果不谈论电磁学这是一个统治宇宙的 4 种基本力量之一,就不可能理解这个简单的问题。 电磁学研究在整个宇宙中某些类型的物质中发现的电子所产生的力。 某些类型的物质,例如在磁铁中发现的化合物,具有对一些物质粒子产生力作用的特性。这些化合物会对其他『带电粒子』施加能量,这就是为什么磁铁会吸引回形针而不是手指。由电磁场携带的力由光子携带,光子有时像波一样,有时又会表现的像粒子一样。
这些可能会让你感到困惑,但是你要需要了解的是电磁辐射构成了我们日常生活的重要部分,可见光,阳光、灯光本身是一种电磁辐射。其他类型的电磁辐射如x射线,紫外线、红外线、无线电波等,和可见光其实都是一种东西,只是频率不同罢了。
三、相对论
广义相对论是物理学中的一个基本概念,通常使用移动车辆的类比来描述。 假设你在一辆行驶速度为 60 公里/小时的汽车上,垂直向上扔一个球。 相对论有助于解释这样一个事实,即对球的发生有两种不同的看法:
从你自己的角度来看,在车内,你向球施加了一个向上的力,球在重力作用下延一个直线直上直下回到你手中。
从站在车外的人的角度来看,这个球实际上随车前行走了一个抛物线轨迹。
这是一个简单的例子,但可以扩展到更大的尺度:例如,地球目前正以每小时 10 万公里的速度围绕太阳旋转,但由于相对性,我们感觉并不像那样。
20 世纪初爱因斯坦提出了狭义相对论时,广义相对论得到了扩展。 在他的着作中,爱因斯坦推理了光的『绝对速度限制』,无论相对性如何都不能超过的速度。
让我们做个思想实验:
你在空间中间静止,有一个光源在附近,静止不动。这时测量光线经过你的速度,您测量的光速为每秒 30 万公里。
然后你进一步做这个实验。这次让光源现在以 每小时 10 万公里的速度向远离你的方向推离。这时再测量光速,你会发现光速仍然是 30 万公里每秒,而不是理所当然的 20 万公里每秒(30万公里每秒 - 10万公里每秒)。
为什么会出现这种违反直觉的结果? 只有一个听起来很疯狂的解释:对于运动的物体时间会变慢!
四、热力学
热力学研究热量,能量和机械功的关系。 热力学围绕 4 个定律(不是 1 - 4,而是 0 - 3 )。 热力学定律源于对热量作为运动的基本解释。
热力学第零定律——如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同),则它们彼此也必定处于热平衡。
热力学第一定律——能量守恒定律在热学形式的表现。
热力学第二定律——力学能可全部转换成热能,但是热能却不能以有限次的实验操作全部转换成功 (热机不可得)。
热力学第三定律——绝对零度不可达到但可以无限趋近。
在原子水平上,我们所认为的『温度』实际上是指原子运动。 例如,在炎热的一天,太阳光激发地球大气中的原子迅速振动。 这种振动带来能量,传递到我们的皮肤,让我们感到温暖。
此外,通过热力学第二定律我们可以预测宇宙的最终结局——『热寂』,即宇宙中所有其他形式的能量都转化成了热能,而且温度处处相同——宇宙变成一潭死水,不过不用担心,这还需要很多年才会发生。
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