淼懂物理學(xué):理解世界的極簡(jiǎn)指南——李淼

第一期 水中的力量:阿基米德定律

經(jīng)典物理學(xué)是量子物理學(xué)之前的物理學(xué),是我們?nèi)庋鬯芸吹降氖澜纭?/p>

阿基米德通過(guò)幫助古希臘國(guó)王鑒定黃金王冠是否摻假,發(fā)現(xiàn)了阿基米德定律,他將同樣重量的黃金和王冠分別放進(jìn)裝滿水的盆里,通過(guò)比較溢出水的多少判斷金王冠是否摻雜了其它金屬——原理:不同的金屬密度不一樣,所以體積不一樣。

阿基米德定律:一個(gè)物體在水里受到的浮力等于它排出水的重量。一立方米的水的重量大約是一噸,水每深一米,壓強(qiáng)就增大每平方米一噸。(一噸并不是力量的單位,我們要將一噸乘以重力加速度)

壓強(qiáng)的單位是“帕斯卡”,一個(gè)帕斯卡=每平方米受力為一牛頓,(一牛頓大約等于100克物體的重量)

帕斯卡研究了流體(氣體和液體)的壓強(qiáng),任何流體都會(huì)傳遞壓強(qiáng),阿基米德定律說(shuō)的就是水會(huì)傳遞壓強(qiáng),并且在固定的深度,水的壓強(qiáng)在任何方向上都是一樣的。

將阿基米德原理應(yīng)用到空氣中,也會(huì)得到這樣的結(jié)論:每升高一米,空氣的壓強(qiáng)就會(huì)減少單位體積中的空氣重量。在地面上空氣的壓強(qiáng)就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

托里切利測(cè)量到的水銀是76cm高,因?yàn)樗y的比重是水的13.6倍,0.76×13.6=10.336,因此一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓約等于每平方米10噸。


第二期 星星的旋轉(zhuǎn)軌跡:開(kāi)普勒三大定律

開(kāi)普勒第一定律就是行星繞著太陽(yáng)運(yùn)行的軌道是橢圓形的,而太陽(yáng)位于這個(gè)橢圓軌道的一個(gè)焦點(diǎn)上。

橢圓的焦點(diǎn)是什么?用畫(huà)橢圓的方法可以解釋,拿兩個(gè)圖釘釘在木板上,把一根軟線系在圖釘上,再拿一支筆放在這根線上,按照一個(gè)方向,就會(huì)畫(huà)出一條曲線,這條曲線就是橢圓,而那兩個(gè)圖釘?shù)奈恢镁褪墙裹c(diǎn)。

開(kāi)普勒第二定律說(shuō),行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)行時(shí),在相等的時(shí)間內(nèi),行星掃過(guò)的面積相等。掃過(guò)的面積是一個(gè)扇形,以太陽(yáng)為中心點(diǎn),行星與太陽(yáng)的連線就是兩條邊。也就是說(shuō)近日點(diǎn)的行星轉(zhuǎn)的比較快,而遠(yuǎn)日點(diǎn)轉(zhuǎn)的比較慢。

開(kāi)普勒第二定律可以看成是角動(dòng)量守恒。

舉個(gè)角動(dòng)量守恒在生活中的例子,花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員在原地旋轉(zhuǎn)的時(shí)候要收攏手臂,手離旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)距離最近,這樣才能快速旋轉(zhuǎn),反之,就會(huì)變慢。

開(kāi)普勒第三定律:行星旋轉(zhuǎn)周期的平方與它離太陽(yáng)的距離的立方成正比。

這樣的話,行星離太陽(yáng)越遠(yuǎn),它走完一圈的時(shí)間就越長(zhǎng)。所以離太陽(yáng)最近的水星繞一圈最快,是88天;第二近的金星繞一圈是225天;接下來(lái)是地球;第四近的火星將近700天;第五近的木星繞一圈的時(shí)間大約是地球的12倍;第六近的土星大約是地球的30倍。(在開(kāi)普勒時(shí)代天王星和海王星還沒(méi)有被發(fā)現(xiàn))

開(kāi)普勒第三定律可以推算出行星的速度與離太陽(yáng)距離的開(kāi)方成反比,也就是距離太陽(yáng)越遠(yuǎn)的行星,速度越小,這樣,牛頓的萬(wàn)有引力定律就呼之欲出了。


第三期 感知加速度:伽利略慣性定律

伽利略做的的斜面實(shí)驗(yàn),總結(jié)出了慣性定律,慣性定律并不是牛頓發(fā)現(xiàn)的,而是牛頓在伽利略的基礎(chǔ)上發(fā)展的。

慣性定律:任何物體在不受外力影響下保持靜止不變或者保持勻速運(yùn)動(dòng)

伽利略還發(fā)現(xiàn)了自由落體定律:自由落體運(yùn)動(dòng)與物體的重量一點(diǎn)關(guān)系沒(méi)有,而是與物體的重力加速度有關(guān),在地球重力的作用下,所有物體向下的重力加速度是一樣的。重力加速度大約是9.8m/s。

重力作用加上慣性定律,讓伽利略發(fā)現(xiàn)拋出去的物體走的是拋物線。

伽利略還發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡,然后用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了月亮上的環(huán)形山和太陽(yáng)中的黑子,他還發(fā)現(xiàn)了木星的四大衛(wèi)星以及土星環(huán)。


第四期 巨人肩膀上的勝利:牛頓三大定律

牛頓建立了第一個(gè)科學(xué)體系——牛頓機(jī)械宇宙體系。這個(gè)體系的重要組成部分就是牛頓力學(xué),牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)就是關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)的三大定律。

牛頓第一定律就是慣性定律,也就是:任何不受外力作用的物體作勻速運(yùn)動(dòng)。其實(shí),這是伽利略發(fā)現(xiàn)的。

牛頓第二定律:一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的加速度與作用在其上的力成正比,與質(zhì)量成反比。也就是說(shuō),力量越大,加速度也就越大,但是,質(zhì)量越大,加速度就越小。

牛頓第三定律:作用力與反作用力大小相等但方向相反。


第五期 埋葬哲學(xué)家的真理:萬(wàn)有引力

四種基本的力:強(qiáng)力、弱力、萬(wàn)有引力、電磁力。強(qiáng)力和弱力都是亞原子力,離我們的生活比較遠(yuǎn),而萬(wàn)有引力和電磁力就是我們生活中經(jīng)常會(huì)遇到的力了。

萬(wàn)有引力市所有的物質(zhì)之間都存在的相互吸引的力。萬(wàn)有引力是一個(gè)物體A的質(zhì)量乘以物體B的質(zhì)量再除以兩個(gè)物體之間的距離的平方,最后再乘以一個(gè)萬(wàn)有引力常數(shù)。也就是物體的質(zhì)量越大、距離越近、引力就越大。引力與質(zhì)量成正比,與距離的平方成反比。

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