15分钟内大多数物理知识
在不到15分钟的时间里说透所有的物理学知识是不可能的,但绝大多数人不需要了解所有物理学及所有复杂的物理数学公式。但了解一点物理学是有帮助的,因为它与日常生活息息相关。物理学是现实的核心,几乎也是所有实验科学、生物、化学、医学、建筑、地质、气象和所有工程学科的核心基础。本集将解释最基本的概念,值得了解。现实生活中,在大学或高中学习物理的人,大多数在几年后都会忘记其中的大部分内容。当然,除非你是老师,有一份技术工作或制作科普类的up主,所以本视频只讲述那些在所有物理学中最值得记住的东西。好,现在开始把物理学分为五个广泛的领域,经典力学、能量和热力学、电磁学、相对论和量子力学进行讲述。经典力学可能是与日常经验最相关的,在这里必须介绍经典力学之父艾萨克牛顿可以说是有史以来最伟大的科学家。经典力学记住两个主要概念,第一个是体现在牛顿第二定律中,力等于质量乘以加速度。虽然这是一个简单的方程式,但却有着巨大的影响。在经典物理学中,力只是意味着推或拉,质量是对惯性的一种衡量及某物在运动中不想改变的程度。加速度是指速度变化有多快。如果一个固定的质量物体施加一个力,它会告诉你你将得到多少加速度。知道了加速度,也就是速度的变化,就可以做出预测。比如一个物体在空间的某一时刻会在哪里。因此,以这个简单的公式为例,可以准确的预测这个篮球在哪里,以及它将去哪里。如果知道所有作用在他身上的力,包括空气的摩擦力,这也是一个力,就可以准确预测它是否会穿过篮框。这个公式也可以用来确定建造一座桥需要多少钢筋,以及如何计算火箭的升力。这是一个极其强大的方程式。力不是一个物质的东西,它是一种相互作用的量度。你的身体有质量,体重是你的身体对地面施加的力。严格来说,你的体重不是80公斤,这是你的质量。应该说你的体重是784牛顿,也就是你的质量乘以地球上的重力加速度9.8米每平方秒。那一牛顿力到底有多大?相当于拿着一个小苹果时在手掌上感受到的力。第二个方程也来自牛顿,是万有引力定律。它使我们能够确定天体的运动,如月亮绕地球运行或行星绕恒星运行。它基本上是说,两个物体之间的引力是它们的质量除以它们之间的距离的平方,再乘以一个常数,称为牛顿的引力常数。他告诉你,引力会随着物体的移动而迅速减弱,因为它与距离的平方成正比。这在牛顿提出时是一个启示,因为它从数学上解释了所有天体的运动。他今天仍然非常有效。关于能量的想法是在牛顿之后100年才出现的,它可能是物理学中最重要的想法。能量不像力或动量那样是一个矢量,它没有方向,但它是一个数字。功与能量密切相关,有相同的单位。公势力乘以移动的距离,一个牛顿乘以一米就是一个焦耳。如果你举起一个小苹果一米,这需要一焦耳的能量或功。能量实际上是衡量你能做多少功的一种方法。功只是将能量从一种形式转移到另一种形式。大多数物体的能量由动能和势能组成。动能式运动的能量表示为1/2的质量乘以速度的平方。质量和或速度越大,能量就越大。与质量相比,速度对能量的影响更大。从每小时130公里到每小时92公里,你的车的能量几乎减少了50%。这意味着在事故中每小时慢38公里,你的生存机会要大得多。如果你带着手机不小心掉到混凝土地面上,手机很可能会损坏,但损坏它的能量来自哪里?当你拿着手机靠近耳朵时,手机有所谓的潜在引力能量。当它坠落时,势能被转化为动能、重力势能表示为质量乘以重力,加速度乘以高度。这实际上是另一种表达力乘以距离或功的方式。这个势能被转化为功,或者说是作用在玻璃上的力。当手机落地时,玻璃就会破碎。因此,一个物体的总能量是动能加势能。势能可以有多种形式,比如汽油或汽油具有化学势能。关于能量,最重要一点是,能量始终是守恒的,它不会被创造或毁灭,只是改变形式。谈论能量,会自然引出热力学,也就是研究系统中的功。热和能量的科学最重要的概念是热的流动。我们把能量定义为能做多少功。但能量的另一种表现形式是热能。一辆汽车正在行驶,踩下刹车,汽车的动能变成了零。这些能量去了哪里?它没有变成引力势能,也没有储存在汽车的某个地方,它消失了吗?没有,它被转化为热能,由汽车刹车的摩擦产生。热式,热能从一个物体流向另一个物体。刹车产生的热能提高了空气中分子的动能或运动,这导致周围空气的温度上升,这最终是汽车的动能在你停下来后的最终结果。温度是一个系统中原子的平均动能,热能是一个系统中的原子动能的总量。热力学的另一个概念是熵的概念。商是对无序的衡量,但更准确的说,它是对描述一个系统的微观状态所需信息的衡量。热力学第二定律指出,一个孤立的系统的熵永远不会减少。如果你把两种液体放在一起,放在一个桶里,其中一种非常凉,另一种非常热,为什么不能让它的冷的部分变得更冷,热的部分变得更热?这种情况不会发生的原因是第二定律,宇宙正走在一条不可阻挡的道路上,熵越来越高或越来越无序。实际上,这个定律告诉我们,有些能量比其他能量更利于做功。低商的能量比高商的能量可以做更多的功。例如,汽油储存的能量比从汽车刹车中耗散的热能更利于做功。一个有序的能量比一个不太有序的能量更有用。汽车的热量和废气不会自发的重新排列,称为汽油,但是汽油可以转化为热量和废气。记住孤立的系统这几个字很重要。如果你把一杯水放在冰箱里,它的伤会减少。但冰箱不是一个孤立的系统,因为冰箱使用电力的能量来制冷,在制冷的过程中加热了房间,房间的熵增加了。应该记住这个事实,商的单向流动似乎是时间只可向前不可倒退的唯一原因。电磁学是研究带电粒子之间相互作用的科学,基本概念体现在麦克思维方程中。物体有一种叫做电荷的东西,它只是特定物质如电子的一种属性。如果一个大型物体带有负电荷,这意味着它的电子比质子多。要理解的第一个概念是,如果带电的静态物体只影响其他电荷,不会影响磁体。如果是静态的磁体,只影响其他磁体,不会影响电荷,但是如果是移动的电荷将影响磁体,如果是移动的磁体,它就会影响电荷。以下是对麦克斯韦四个方程式的全部内容最简单的描述,第一个方程说,如果有一个电荷,就会有一个电场从他身上发出来。第二个方程说磁体基本上是相同的概念,只是磁体发出磁场总是有同样多磁力线出去和回来。另一种说法是,磁体总是有两个极,一个正极和一个负极。它永远不可能是一个单极,你可以不断的打碎一块磁体,但它总是会形成一个有两个磁极的新磁体。第三个方程说,如果移动磁体将会产生电场,这意味着如果附近有电荷,它就会感受到一种力,电就是这样产生的。第四个方程式说,移动的电荷或移动的电场会产生一个磁场。我希望你注意到常数m not和excellent not分别是自由空间的磁导率和介电常数。这两个常数决定了光速,因为他们衡量的是空间对变化的电场和磁场的阻力。这把我们带到了爱因斯坦和他的相对论,他开创了物理学的革命。有趣的是,他在1905年发表的关于狭义相对论的论文,论运动体的电动力学。这告诉你这个理论与麦克思维的思想有多大的关系。爱因斯坦认为,如果光速是由两个常数note和excellent not决定的,那么光速也是一个常数,而且在任何惯性系中都不会改变。这是狭义相对论的公射之一,光速不变原理,光在真空中的传播速度恒定不变。第二个公射是相对性原理,所有的物理规律在任何惯性系下保持不变。意思是,物理规律对所有以相同速度相对运动的观察者都是一样的。如果这两个假设是正确的,这对一些事物一贯的理解有重大的影响。假设你静止在一列以0.5C速度光速的一半行驶的列车旁边,你朝列车行驶的方向打开了手电筒。假设另一个人在列车上,并在完全相同的时刻打开了一个相同的手电筒。如果你看到列车上的光束,你可能认为它应该以1.5倍的光速移动,但事实并非如此。这是否意味着列车上的人看到光速以光速的1/2移动?并不是因为光速不变原理,他也看到了手电筒的光速正好以C的速度移动,这似乎是一个悖论。这两个观察结果如何调和?爱因斯坦的解释是,从一个静止的人的角度来看,列车上的人的时间变慢了。他向人类展示了抛弃禁锢思维的想法,就能获得洞察力。时间不是固定的。它是相对的。后来爱因斯坦使用同样的假设,用它的广义相对论指出,你将无法判断是在一个加速的惯性系框架中,还是在地球上静止不动。举例来说,如果你在一艘宇宙飞船上以与重力相同的加速度9.8米每平方秒运动,而你拿着手电筒垂直于加速方向,光线会出现弯曲,因为墙壁会以更快的速度向上冲去。这意味着,如果你在地球上的任何地方站着不动,做同样的实验,你的光束也会出现弯曲,因为重力加速度是9.8米每平方秒。但是,由于光在任何两点之间总是走最短的路径,这意味着时空本身弯曲已是光走该弯曲的路径最短的路径。就像地球表面两点的最短路径实际是弯曲的,所以时空有引力的情况是弯曲的。讽刺的是,爱因斯坦虽然是量子力学的创始人之一,因为他指出,光是以能量包的形式出现的,称为量子,我们现在称它们为光子。然而,他在很大程度上对量子力学的主要观点保持抵制,那就是量子粒子的概率性和非决定性。在量子力学中有许多方程式,其中三个最值得记住,它们对应三个重要的原理。第一个方程得到量子力学之父马克思普朗克的知识。他说,能量不是连续的,而是量子化的,物质所吸收或释放的能量只能以不同数量能量量子形式出现。而能量的大小等于辐射的频率乘以一个常数,称为普朗克常数。利用这一概念,爱因斯坦后来表明,光子既是一种波,也是一种粒子。第二个方程对应海森堡不确定性原理,它基本上说,你不能同时知道一个粒子的确切位置和它的确切动量。对于一个有质量的例子,这意味着如果你知道一个粒子的确切位置,你不知道它的速度有多快。而如果你确切的知道它的速度,你也不知道它到底在哪里。量子粒子具有固有的不确定性。第三个原理来自薛定谔方程,他基本上说在测量之前,量子系统处于叠加状态。这意味着它们的属性只能用波函数来表达。波函数粗略的简化为一组概率。因此,例如在一个氢原子中,你不能事先知道在哪里找到电子。你所能知道的是,如果你测量它,你可能在哪里找到它的概率?在测量之前,所有的量子系统都是三维的概率云或波。电子同时无处不在,它不在这里或那里,它在这里也在那里。这不是我们测量设备的限制,它是现实的一个限制。这就是量子系统在双缝实验中表现的如此神秘的原因。一个量子系统可以是像电子这样的基本粒子,甚至是充分隔离的原子和分子。隔离意味着它们没有与会导致其波函数坍缩的物质发生相互作用。这就是爱因斯坦很难接受的非决定性现实。事实上,今天很多人仍然很难接受,但宇宙没有义务确保我们对现实的真实性质感到舒服。这就是物理学中最值得记住的几个重要的基本概念,如果我们帮到你,记得点赞和关注。
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