Что надо знать по физике. Что не так с физикой в современной школе

«Теоретический минимум» - книга для тех, кто пропускал уроки физики в школе и институте, но уже жалеет об этом. Хотите разобраться в основах естественных наук и научиться думать и рассуждать так, как это делают современные физики? В оригинальной и нестандартной форме известные американские ученые Леонард Сасскинд и Джордж Грабовски предлагают вводный курс по математике и физике для пытливых умов. В отличие от прочих научно-популярных книг, пытающихся доступно объяснить законы физики, ловко уклоняясь от уравнений и формул, авторы учат читателя классическим основам естественных наук. Книга предлагает собственную оригинальную методику обучения, дополненную видеолекциями, публикуемыми на сайте theoreticalminimum.com.

Что такое классическая физика?
Термин классическая физика относится к той физике, которая существовала до появления квантовой механики. Классическая физика включает ньютоновские законы движения частиц, теорию электромагнитного поля Максвелла-Фарадея и общую теорию относительности Эйнштейна. Но это нечто большее, чем просто конкретные теории конкретных явлений; это ряд принципов и правил - базовая логика, подчиняющая себе все явления, для которых несущественна квантовая неопределенность. Этот свод общих правил называется классической механикой.
Задача классической механики состоит в предсказании будущего. Великий физик восемнадцатого века Пьер-Симон Лаплас выразил это в знаменитой цитате:

"Состояние Вселенной в данный момент можно рассматривать как следствие ее прошлого и как причину ее будущего. Мыслящее существо, которое в определенный момент знало бы все движущие силы природы и все положения всех объектов, из которых состоит мир, могло бы - если бы его разум был достаточно обширен для того, чтобы проанализировать все эти данные,- выразить одним уравнением движение и самых больших тел во Вселенной, и мельчайших атомов; для такого интеллекта не осталось бы никакой неопределенности и будущее открылось бы перед его взором точно так же, как и прошлое."

Содержание
Предисловие
Лекция 1 Природа классической физики
Интерлюдия 1 Пространства, тригонометрия и векторы
Лекция 2 Движение
Интерлюдия 2 Интегральное исчисление
Лекция 3 Динамика
Интерлюдия 3 Частное дифференцирование
Лекция 4 Системы из более чем одной частицы
Лекция 5 Энергия
Лекция 6 Принцип наименьшего действия
Лекция 7 Симметрии и законы сохранения
Лекция 8 Гамильтонова механика и симметрия относительно сдвига во времени
Лекция 9 Фазовая жидкость и теорема Гиббса-Лиувилля
Лекция 10 Скобка Пуассона, угловой момент и симметрии
Лекция 11 Электрические и магнитные силы
Приложение Центральные силы и планетные орбиты.

По кнопкам выше и ниже «Купить бумажную книгу» и по ссылке «Купить» можно купить эту книгу с доставкой по всей России и похожие книги по самой лучшей цене в бумажном виде на сайтах официальных интернет магазинов Лабиринт, Озон, Буквоед, Читай-город, Литрес, My-shop, Book24, Books.ru.

По кнопке «Купить и скачать электронную книгу» можно купить эту книгу в электронном виде в официальном интернет магазине «ЛитРес» , и потом ее скачать на сайте Литреса.

По кнопке «Найти похожие материалы на других сайтах» можно найти похожие материалы на других сайтах.

On the buttons above and below you can buy the book in official online stores Labirint, Ozon and others. Also you can search related and similar materials on other sites.

Начинаем серию статей о проблемах и устаревших концепциях в школьной программе и предлагаем порассуждать о том, зачем школьникам нужна физика, и почему сегодня её преподают не так, как хотелось бы.

Для чего современный школьник изучает физику? Или для того, чтобы ему не надоедали родители и учителя, или же затем, чтобы успешно сдать ЕГЭ по выбору, набрать нужное количество баллов и поступить в хороший вуз. Есть ещё вариант, что школьник физику любит, но эта любовь обычно существует как-то отдельно от школьной программы.

В любом из этих случаев преподавание ведётся по одинаковой схеме. Оно подстраивается под систему собственного контроля - знания должны преподноситься в такой форме, чтобы их можно было легко проверить. Для этого и существует система ГИА и ЕГЭ, а подготовка к этим экзаменам в результате и становится главной целью обучения.

Как устроено ЕГЭ по физике в его сегодняшнем варианте? Задания экзамена составляются по специальному кодификатору , куда входят формулы, которые, по идее, должен знать каждый ученик. Это около сотни формул по всем разделам школьной программы - от кинематики до физики атомного ядра.

Большая часть заданий - где-то 80% - направлена именно на применение этих формул. Причем другие способы решения использовать нельзя: подставил формулу, которой нет в списке - недополучил какое-то количество баллов, даже если ответ сошелся. И только оставшиеся 20% - это задачи на понимание.

В результате главная цель преподавательской работы сводится к тому, чтобы ученики знали этот набор формул и могли его применять. А вся физика сводится к несложной комбинаторике: прочитай условия задачи, пойми, какая формула тебе нужна, подставь нужные показатели и просто получи результат.

В элитарных и специализированных физико-математических школах обучение, конечно, устроено иначе. Там, как и при подготовке к всевозможным олимпиадам, присутствует какой-то элемент творчества, а комбинаторика формул становится намного сложнее. Но нас здесь интересует именно базовая программа по физике и её недостатки.

Стандартные задачи и абстрактные теоретические построения, которые должен знать обычный школьник, очень быстро выветриваются из головы. В результате физику после окончания школы уже никто не знает - кроме того меньшинства, которому это почему-то интересно или нужно по специальности.

Получается, что наука, главной целью которой было познание природы и реального физического мира, в школе становится донельзя абстрактной и удаленной от повседневного человеческого опыта. Физику, как и другие предметы, учат зубрёжкой, а когда в старших классах объём знаний, который необходимо усвоить, резко возрастает, всё зазубрить становится просто невозможно.

Наглядно о «формульном» подходе к обучению.

Но это было бы и необязательно, если бы целью обучения было не применение формул, а понимание предмета. Понимать - это, в конечном счёте, намного легче, чем зубрить.

Формировать картину мира

Посмотрим, к примеру, как работают книжки Якова Перельмана «Занимательная физика», «Занимательная математика», которыми зачитывались многие поколения школьников и после-школьников. Почти каждый параграф перельмановской «Физики» учит ставить вопросы, которые каждый ребенок может себе задать, отталкиваясь от элементарной логики и житейского опыта.

Задачки, которые нам здесь предлагают решить - не количественные, а качественные: нужно не подсчитать какой-то абстрактный показатель вроде коэффициента полезного действия, а поразмышлять, почему вечный двигатель невозможен в реальности, можно ли выстрелить из пушки до луны; нужно провести опыт и оценить, каким будет эффект от какого-либо физического взаимодействия.

Пример из «Занимательной физики» 1932 года: задача о крыловских лебеде, раке и щуке, решённая по правилам механики. Равнодействующая (OD) должна увлекать воз в воду.

Одним словом, заучивать формулы здесь не обязательно - главное понимать, каким физическим законам подчиняются предметы окружающей действительности. Проблема только в том, что знания такого рода куда сложнее поддаются объективной проверке, чем наличие в голове школьника точно определённого набора формул и уравнений.

Поэтому физика для обычного ученика оборачивается тупой зубрежкой, а в лучшем случае - некой абстрактной игрой ума. Формировать у человека целостную картину мира - совсем не та задача, которую де факто выполняет современная система образования. В этом отношении, кстати, она не слишком отличается от советской, которую многие склонны переоценивать (потому что раньше мы, мол, атомные бомбы разрабатывали и в космос летали, а сейчас только нефть умеем продавать).

По знанию физики ученики после окончания школы сейчас, как и тогда, делятся примерно на две категории: те, кто знает её очень хорошо, и те, кто не знает совсем. Со второй категорией ситуация особенно ухудшилась, когда время преподавания физики в 7-11 классе сократилось с 5 до 2 часов в неделю.

Большинству школьников физические формулы и теории действительно не нужны (что они прекрасно понимают), а главное - неинтересны в том абстрактном и сухом виде, в котором они преподносятся сейчас. В итоге массовое образование не выполняет никакой функции - только отнимает время и силы. У школьников - не меньше, чем у учителей.

Attention: неправильный подход к преподаванию точных наук может иметь разрушительные последствия

Если бы задачей школьной программы было формирование картины мира, ситуация была бы совершенно иной.

Конечно, должны быть и специализированные классы, где учат решать сложные задачи и глубоко знакомят с теорией, которая уже не пересекается с повседневным опытом. Но обычному, «массовому» школьнику было бы интереснее и полезнее знать, по каким законам работает физический мир, в котором он живет.

Дело, конечно, не сводится к тому, чтобы школьники вместо учебников читали Перельмана. Нужно изменить сам подход к преподаванию. Многие разделы (например, квантовую механику) можно было бы изъять из школьной программы, другие - сократить или пересмотреть, если бы не вездесущие организационные трудности, принципиальный консерватизм предмета и образовательной системы в целом.

Но позволим себе немного помечтать. После этих изменений, может быть, повысилась бы и общая социальная адекватность: люди бы меньше верили всяческим торсионным аферистам, спекулирующим на «защите биополя» и «нормализации ауры» с помощью нехитрых приспособлений и кусков неведомых минералов.

Все эти последствия порочной системы образования мы уже наблюдали в 90-е, когда самые удачливые мошенники даже пользовались немалыми суммами из госбюджета, - наблюдаем и сейчас, хотя и в меньших масштабах.

Знаменитый Григорий Грабовой не только уверял, что может воскрешать людей, но и отводил астероиды от Земли силой мысли и «экстрасенсорно диагностровал» правительственные самолёты. Ему покровительствовал не кто-нибудь, а генерал Георгий Рогозин, заместитель начальника Службы безопасности при президенте РФ.

В первую очередь нужно оценить свой текущий уровень знаний и понять, чего хочется достигнуть. Если под "с нуля" понимается полное незнание предмета, то прежде чем бросаться решать кучу тестов из всяких книг ФИПИ, нужно постараться разобраться в самих процессах и законах физики, по-моему мнению, понимание, должно быть основным моментом, на который необходимо обращаться внимание. Понимание сильно поможет вам при решении части, где есть выбор ответа(если он еще есть, я не в курсе). И так, чтобы начать что-то понимать, нужно брать учебник, открывать разделы физики по-порядку и читать, по несколько раз, не нужно думать, что прочитав один раз, вам этого будет достаточно, нужно перечитывать, поэтому запаситесь терпением. Из книг по теории я бы рекомендовал учебники Г.Я.Мякишева, только профильный уровень, каждому разделу посвящена отдельная книга. Но не для постоянного чтения, а на случай, чтобы открыть непонятные места и прочитать подробнее, подробность изложения зачастую решает проблему понимания. А для основного изучения теории: mathus.ru , там все в меру кратко и толково расписано. Не вижу смысла читать что-то фундаментальное типа Ландсберга, уж очень много времени потратите, для ЕГЭ не стоит. Отличным вариантом могут стать обучающие видео, только не абы что. НАСТОЯТЕЛЬНО рекомендую видео Михаила Пенкина(преподаватель МФТИ), их очень много в сети и качественнее не думаю, что можно найти. Его ролики, возможно, смогут вам заменить все учебники, даже лучше будет, если вы начнете именно с них! Далее на счет зубрежки формул и т.п. Не стоит зубрить формулы, пытайтесь решать задачи, где эти формулы применяются, со временем вы их запомните; учитесь выводить формулы самостоятельно, зная основные законы, можно получить практически всё что угодно. Конечно, скажите вы, что это сложно, с нуля-то, но всё же стоит пробовать. На счет решения задач с расчетами и развернутым ответом: начинайте с простых, как только сможете решать, усложняйте уровень задач. Чтобы научиться решать задачи в первую очередь стоит разбирать уже решенные задачи из интересующих разделов, потому что методы, подходы и вообще понимание что делать никак не возникнет у вас само, сколько бы времени вы не сидели над задачей. Рекомендую книги "Репетитор по физике" Касаткина И.Л., множество разобранных задач, читайте разбирайтесь, пробуйте решить аналогичную. Если готовы платить деньги, то не советую идти к репетитору, а советую портал http://foxford.ru/, это не реклама. Там можно пройти курсы по подготовке, преподаватели есть уникальные. Самое главное - не сдавайтесь, и не думайте, что всё сложно, как только начнете разбираться, поймете что хочется разбираться дальше. Предупрежу на счет кучи материалов из интернета, везде могут быть ошибки, а человеку который только начал, практически не под силу отличить хорошие материалы для подготовки от непонятно чего, не принимайте на веру первое попавшееся, старайтесь разобраться, ставьте всё под сомнение, это ключ к прогрессу. И так, если подвести черту:

1) стараться понимать

2)начинать разбираться с простого

3)не зацикливаться на нарешивании простых задач, если понимаете - из головы не улетит

4)не зубрить

5)использовать хорошие источники(те, которые я привел, проверены лично мной)

Пусть лучше вы поймете и с уверенностью ответите на ЕГЭ, чем назубрите и нарешаете. Понять всё за год НЕ возможно, можете поверить, физика не просто алгоритм действий. Но у вас обязательно должны быть темы, в которые вы вникли, чтобы решить с уверенностью всё из них, или почти всё. Так что, когда "пробежитесь" по всем разделам, стоит особо обращать внимание на те, которые лучше даются. Желаю удачи!

Физика приходит к нам в 7 классе общеобразовательной школы, хотя на самом деле мы знакомы с ней чуть ли не с пелёнок, ведь это всё, что нас окружает. Этот предмет кажется очень сложным для изучения, а учить его нужно.

Данная статья предназначена для лиц старше 18 лет

А вам уже исполнилось 18?

Учить физику можно по-разному — все методы хороши по-своему (но вот даются всем не одинаково). Школьная программа не даёт полного понятия (и принятия) всех явлений и процессов. Виной всему — недостаток практических знаний, ведь выученная теория по сути ничего не даёт (особенно для людей с небольшим пространственным воображением).

Итак, прежде чем приступать к изучению этого интереснейшего предмета, нужно сразу выяснить две вещи — для чего вы учите физику и на какие результаты рассчитываете.

Хотите сдать ЕГЭ и поступить в технический ВУЗ? Отлично — можете начинать дистанционное обучение в интернете. Сейчас много университетов или просто профессоров ведут свои онлайн-курсы, где в достаточно доступной форме излагают весь школьный курс физики. Но тут есть и небольшие минусы: первый — готовьтесь к тому, что это будет далеко не бесплатно (и чем круче научное звание вашего виртуального преподавателя, тем дороже), второе — учить вы будете исключительно теорию. Применять же любую технологию придётся дома и самостоятельно.

Если же у вас просто проблемное обучение — нестыковка во взглядах с учителем, пропущенные уроки, лень или просто непонятен язык изложения, тут дело обстоит намного проще. Нужно просто взять себя в руки, а в руки — книги и учить, учить, учить. Только так можно получить явные предметные результаты (причём сразу по всем предметам) и значительно повысить уровень своих знаний. Помните — во сне выучить физику нереально (хоть и очень хочется). Да и очень эффективное эвристическое обучение не принесёт плодов без хорошего знания основ теории. То есть, положительные планируемые результаты возможны лишь при:

• качественном изучении теории;
• развивающем обучении взаимосвязи физики и других наук;
• выполнения упражнений на практике;
• занятиях с единомышленниками (если уж приспичило заняться эвристикой).

DIV_ADBLOCK201">

Начало обучения физики с нуля — самый сложный, но вместе с тем и простой этап. Сложности заключаются только в том, что вам придётся запоминать много достаточно противоречивой и сложной информации на доселе незнакомом языке — над терминами нужно будет особо потрудиться. Но в принципе — это всё возможно и ничего сверхъестественного вам для этого не понадобится.

Как выучить физику с нуля?

Не ждите, что начало обучения будет очень сложным — это достаточно простая наука при условии, если понять её суть. Не спешите учить много различных терминов — сначала разберитесь с каждым явлением и «примерьте» его на свою повседневную жизнь. Только так физика сможет ожить для вас и станет максимально понятной — зубрёжкой этого вы просто не добьетесь. Поэтому правило первое — учим физику размеренно, без резких рывков, не впадая в крайности.

С чего начать? Начните с учебников, к сожалению, они важны и нужны. Именно там вы найдёте нужные формулы и термины, без которых вам не обойтись в процессе обучения. Быстро выучить их у вас не получится, есть резон расписать их на бумажках и развесить на видных местах (зрительную память ещё никто не отменял). А дальше буквально за 5 минут вы будете их ежедневно освежать в памяти, пока, наконец, не запомните.

Максимально качественного результата вы можете добиться где-то за год — это полный и понятный курс физики. Конечно же, увидеть первые сдвиги можно будет за месяц — этого времени будет вполне достаточно, чтобы осилить базовые понятия (но не глубокие знания — просьба не путать).

Но при всей лёгкости предмета не ждите, что у вас получится всё выучить за 1 день или за неделю — это невозможно. Поэтому есть резон сесть за учебники задолго до начала ЕГЭ. Да и зацикливаться на вопросе, за сколько можно вызубрить физику не стоит — это весьма непрогнозировано. Всё потому, что разные разделы этого предмета совсем по-разному даются и о том, как вам «пойдёт» кинематика или оптика никто не знает. Поэтому учитесь последовательно: параграф за параграфом, формула за формулой. Определения лучше несколько раз прописать и время от времени освежать в памяти. Это основа, которую вы обязательно должны запоминать, важно научиться оперировать определениями (употреблять их). Для этого старайтесь переносить физику на жизнь — используйте термины в обиходе.

Но самое главное, основа каждого метода и способа обучения — это ежедневный и упорный труд, без которого результатов вы не дождётесь. И это второе правило легкого изучения предмета — чем больше вы будете узнавать нового, тем проще это вам будет это даваться. Забудьте рекомендации типа науки во сне, даже если это работает, то точно не с физикой. Вместо этого займитесь задачами — это не только способ понять очередной закон, но и отличная тренировка для ума.

Для чего нужно учить физику? Наверно 90% школьников ответят, что для ЕГЭ, но это совсем не так. В жизни она пригодится намного чаще, чем география — вероятность заблудиться в лесу несколько ниже, чем самостоятельно поменять лампочку. Поэтому на вопрос, зачем нужна физика, можно ответить однозначно — для себя. Конечно же, не всем она понадобится в полном объеме, но базовые знания просто необходимы. Потому присмотритесь именно к азам — это способ, как легко и просто понять (не выучить) основные законы.

c"> Возможно, ли выучить физику самостоятельно?

Конечно можно — учите определения, термины, законы, формулы, старайтесь применять полученные знания на практике. Немаловажным будет и пояснения вопроса — как учить? Выделите для физики хотя бы час в день. Половину этого времени оставьте для получения нового материала — почитайте учебник. Четверть часа оставьте для зубрёжки или повторения новых понятий. Оставшееся 15 минут — время практики. То есть, понаблюдайте за физическим явлением, сделайте опыт или просто решите интересную задачку.

Реально ли такими темпами быстро выучить физику? Скорее всего нет — ваши знания будут достаточно глубоки, но не обширны. Но это единственный путь, как правильно можно выучить физику.

Проще всего это сделать, если потеряны знания только за 7 класс (хотя, в 9 классе это уже проблема). Вы просто восстанавливаете небольшие пробелы в знаниях и всё. Но если на носу 10 класс, а ваше знание физики равно нулю — это конечно сложная ситуация, но поправимая. Достаточно взять все учебники за 7, 8, 9 классы и как следует, постепенно изучить каждый раздел. Есть и путь попроще — взять издание для абитуриентов. Там в одной книжке собран весь школьный курс физики, но не ждите подробных и последовательных объяснений — подсобные материалы предполагают наличие элементарного уровня знаний.

Обучение физике — это весьма долгий путь, который можно с честью пройти лишь с помощью ежедневного упорного труда.

Ученые с планеты Земля используют массу инструментов, пытаясь описать то, как работает природа и вселенная в целом. Что они приходят к законам и теориям. В чем разница? Научный закон можно зачастую свести к математическому утверждению, вроде E = mc²; это утверждение базируется на эмпирических данных и его истинность, как правило, ограничивается определенным набором условий. В случае E = mc² - скорость света в вакууме.

Научная теория зачастую стремится синтезировать ряд фактов или наблюдений за конкретными явлениями. И в целом (но не всегда) выходит четкое и проверяемое утверждение относительно того, как функционирует природа. Совсем не обязательно сводить научную теорию к уравнению, но она на самом деле представляет собой нечто фундаментальное о работе природы.

Как законы, так и теории зависят от основных элементов научного метода, например, создании гипотез, проведения экспериментов, нахождения (или не нахождения) эмпирических данных и заключение выводов. В конце концов, ученые должны быть в состоянии повторить результаты, если эксперименту суждено стать основой для общепринятного закона или теории.

В этой статье мы рассмотрим десять научных законов и теорий, которые вы можете освежить в памяти, даже если вы, к примеру, не так часто обращаетесь к сканирующему электронному микроскопу. Начнем со взрыва и закончим неопределенностью.

Если и стоит знать хотя бы одну научную теорию, то пусть она объяснит, как вселенная достигла нынешнего своего состояния (или не достигла, ). На основании исследований, проведенных Эдвином Хабблом, Жоржем Леметром и Альбертом Эйнштейном, теория Большого Взрыва постулирует, что Вселенная началась 14 миллиардов лет назад с массивного расширения. В какой-то момент Вселенная была заключена в одной точке и охватывала всю материю нынешней вселенной. Это движение продолжается и по сей день, а сама вселенная постоянно расширяется.

Теория Большого Взрыва получила широкую поддержку в научных кругах после того, как Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили космический микроволновый фон в 1965 году. С помощью радиотелескопов два астронома обнаружили космический шум, или статику, которая не рассеивается со временем. В сотрудничестве с принстонским исследователем Робертом Дике, пара ученых подтвердила гипотезу Дике о том, что первоначальный Большой Взрыв оставил после себя излучение низкого уровня, которое можно обнаружить по всей Вселенной.

Закон космического расширения Хаббла

Давайте на секунду задержим Эдвина Хаббла. В то время как в 1920-х годах бушевала Великая депрессия, Хаббл выступал с новаторским астрономическим исследованием. Он не только доказал, что были и другие галактики помимо Млечного Пути, но также обнаружил, что эти галактики несутся прочь от нашей собственной, и это движение он назвал разбеганием.

Для того, чтобы количественно оценить скорость этого галактического движения, Хаббл предложил закон космического расширения, он же закон Хаббла. Уравнение выглядит так: скорость = H0 x расстояние. Скорость представляет собой скорость разбегания галактик; H0 - это постоянная Хаббла, или параметр, который показывает скорость расширения вселенной; расстояние - это расстояние одной галактики до той, с которой происходит сравнение.

Постоянная Хаббла рассчитывалась при разных значениях в течение достаточно долгого времени, однако в настоящее время она замерла на точке 70 км/с на мегапарсек. Для нас это не так важно. Важно то, что закон представляет собой удобный способ измерения скорости галактики относительно нашей собственной. И еще важно то, что закон установил, что Вселенная состоит из многих галактик, движение которых прослеживается до Большого Взрыва.

Законы планетарного движения Кеплера

На протяжении веков ученые сражались друг с другом и с религиозными лидерами за орбиты планет, особенно за то, вращаются ли они вокруг Солнца. В 16 веке Коперник выдвинул свою спорную концепцию гелиоцентрической Солнечной системы, в которой планеты вращаются вокруг Солнца, а не Земли. Однако только с Иоганном Кеплером, который опирался на работы Тихо Браге и других астрономов, появилась четкая научная основа для движения планет.

Три закона планетарного движения Кеплера, сложившиеся в начале 17 века, описывают движение планет вокруг Солнца. Первый закон, который иногда называют законом орбит, утверждает, что планеты вращаются вокруг Солнца по эллиптической орбите. Второй закон, закон площадей, говорит, что линия, соединяющая планету с солнцем, образует равные площади через равные промежутки времени. Другими словами, если вы измеряете площадь, созданную нарисованной линией от Земли от Солнца, и отслеживаете движение Земли на протяжении 30 дней, площадь будет одинаковой, вне зависимости от положения Земли касательно начала отсчета.

Третий закон, закон периодов, позволяет установить четкую взаимосвязь между орбитальным периодом планеты и расстоянием до Солнца. Благодаря этому закону, мы знаем, что планета, которая относительно близка к Солнцу, вроде Венеры, имеет гораздо более краткий орбитальный период, чем далекие планеты, вроде Нептуна.

Универсальный закон тяготения

Сегодня это может быть в порядке вещей, но более чем 300 лет назад сэр Исаак Ньютон предложил революционную идею: два любых объекта, независимо от их массы, оказывают гравитационное притяжение друг на друга. Этот закон представлен уравнением, с которым многие школьники сталкиваются в старших классах физико-математического профиля.

F = G × [(m1m2)/r²]

F - это гравитационная сила между двумя объектами, измеряемая в ньютонах. M1 и M2 - это массы двух объектов, в то время как r - это расстояние между ними. G - это гравитационная постоянная, в настоящее время рассчитанная как 6,67384(80)·10 −11 или Н·м²·кг −2 .

Преимущество универсального закона тяготения в том, что он позволяет вычислить гравитационное притяжение между двумя любыми объектами. Эта способность крайне полезна, когда ученые, например, запускают спутник на орбиту или определяют курс Луны.

Законы Ньютона

Раз уж мы заговорили об одном из величайших ученых, когда-либо живущих на Земле, давайте поговорим о других знаменитых законах Ньютона. Его три закона движения составляют существенную часть современной физики. И как и многие другие законы физики, они элегантны в своей простоте.

Первый из трех законов утверждает, что объект в движении остается в движении, если на него не действует внешняя сила. Для шарика, который катится по полу, внешней силой может быть трение между шаром и полом, или же мальчик, который бьет по шарику в другом направлении.

Второй закон устанавливает связь между массой объекта (m) и его ускорением (a) в виде уравнения F = m x a. F представляет собой силу, измеряемую в ньютонах. Также это вектор, то есть у него есть направленный компонент. Благодаря ускорению, мяч, который катится по полу, обладает особым вектором в направлении его движения, и это учитывается при расчете силы.

Третий закон довольно содержательный и должен быть вам знаком: для каждого действия есть равное противодействие. То есть для каждой силы, приложенной к объекту на поверхности, объект отталкивается с такой же силой.

Законы термодинамики

Британский физик и писатель Ч. П. Сноу однажды сказал, что неученый, который не знал второго закона термодинамики, был как ученый, который никогда не читал Шекспира. Нынче известное заявление Сноу подчеркивало важность термодинамики и необходимость даже людям, далеким от науки, знать его.

Термодинамика - это наука о том, как энергия работает в системе, будь то двигатель или ядро Земли. Ее можно свести к нескольким базовым законам, которые Сноу обозначил следующим образом:

• Вы не можете выиграть.
• Вы не избежите убытков.
• Вы не можете выйти из игры.

Давайте немного разберемся с этим. Говоря, что вы не можете выиграть, Сноу имел в виду то, что поскольку материя и энергия сохраняются, вы не можете получить одно, не потеряв второе (то есть E=mc²). Также это означает, что для работы двигателя вам нужно поставлять тепло, однако в отсутствии идеально замкнутой системы некоторое количество тепла неизбежно будет уходить в открытый мир, что приведет ко второму закону.

Второй закон - убытки неизбежны - означает, что в связи с возрастающей энтропией, вы не можете вернуться к прежнему энергетическому состоянию. Энергия, сконцентрированная в одном месте, всегда будет стремиться к местам более низкой концентрации.

Наконец, третий закон - вы не можете выйти из игры - относится , самой низкой теоретически возможной температуре - минус 273,15 градуса Цельсия. Когда система достигает абсолютного нуля, движение молекул останавливается, а значит энтропия достигнет самого низкого значения и не будет даже кинетической энергии. Но в реальном мире достичь абсолютного нуля невозможно - только очень близко к нему подойти.

Сила Архимеда

После того как древний грек Архимед открыл свой принцип плавучести, он якобы крикнул «Эврика!» (Нашел!) и побежал голышом по Сиракузам. Так гласит легенда. Открытие было вот настолько важным. Также легенда гласит, что Архимед обнаружил принцип, когда заметил, что вода в ванной поднимается при погружении в него тела.

Согласно принципу плавучести Архимеда, сила, действующая на погруженный или частично погруженный объект, равна массе жидкости, которую смещает объект. Этот принцип имеет важнейшее значение в расчетах плотности, а также проектировании подлодок и других океанических судов.

Эвoлюция и естественный отбор

Теперь, когда мы установили некоторые из основных понятий о том, с чего началась Вселенная и как физические законы влияют на нашу повседневную жизнь, давайте обратим внимание на человеческую форму и выясним, как мы дошли до такого. По мнению большинства ученых, вся жизнь на Земле имеет общего предка. Но для того, чтобы образовалась такая огромная разница между всеми живыми организмами, некоторые из них должны были превратиться в отдельный вид.

В общем смысле, эта дифференциация произошла в процессе эволюции. Популяции организмов и их черты прошли через такие механизмы, как мутации. Те, у кого черты были более выгодными для выживания, вроде коричневых лягушек, которые отлично маскируются в болоте, были естественным образом избраны для выживания. Вот откуда взял начало термин естественный отбор.

Можно умножить две этих теории на много-много времени, и собственно это сделал Дарвин в 19 веке. Эволюция и естественный отбор объясняют огромное разнообразие жизни на Земле.

Общая теория относительности

Альберта Эйнштейна была и остается важнейшим открытием, которое навсегда изменила наш взгляд на вселенную. Главным прорывом Эйнштейна было заявление о том, что пространство и время не являются абсолютными, а гравитация - это не просто сила, приложенная к объекту или массе. Скорее гравитация связана с тем, что масса искривляет само пространство и время (пространство-время).

Чтобы осмыслить это, представьте, что вы едете через всю Землю по прямой линии в восточном направлении, скажем, из северного полушария. Через некоторое время, если кто-то захочет точно определить ваше местоположение вы будете гораздо южнее и восточнее своего исходного положения. Это потому что Земля изогнута. Чтобы ехать прямо на восток, вам нужно учитывать форму Земли и ехать под углом немного на север. Сравните круглый шарик и лист бумаги.

Пространство - это в значительной мере то же самое. К примеру, для пассажиров ракеты, летящей вокруг Земли, будет очевидно, что они летят по прямой в пространстве. Но на самом деле, пространство-время вокруг них изгибается под действием силы тяжести Земли, заставляя их одновременно двигаться вперед и оставаться на орбите Земли.

Теория Эйнштейна оказала огромное влияние на будущее астрофизики и космологии. Она объяснила небольшую и неожиданную аномалию орбиты Меркурия, показала, как изгибается свет звезд и заложила теоретические основы для черных дыр.

Принцип неопределенности Гейзенберга

Расширение теории относительности Эйнштейна рассказало нам больше о том, как работает Вселенная, и помогло заложить основу для квантовой физики, что привело к совершенно неожиданному конфузу теоретической науки. В 1927 году осознание того, что все законы вселенной в определенном контексте являются гибкими, привело к ошеломительному открытию немецкого ученого Вернера Гейзенберга.

Постулируя свой принцип неопределенности, Гейзенберг понял, что невозможно одновременно знать с высоким уровнем точности два свойства частицы. Вы можете знать положение электрона с высокой степенью точности, но не его импульс, и наоборот.

Позже Нильс Бор сделал открытие, которое помогло объяснить принцип Гейзенберга. Бор выяснил, что электрон обладает качествами как частицы, так и волны. Концепция стала известна как корпускулярно-волновой дуализм и легла в основу квантовой физики. Поэтому, когда мы измеряем положение электрона, мы определяем его как частицу в определенной точке пространства с неопределенной длиной волны. Когда мы измеряем импульс, мы рассматриваем электрон как волну, а значит можем знать амплитуду ее длины, но не положение.