تعلّم الفيزياء
مقالات مفاهيم قصيرة مع روابط لتجربة الأفكار في محاكاة تفاعلية.
مقالات المفاهيم
شرح حركة المقذوف
عندما ترمي كرة، أو تركل كرة قدم في الهواء، أو تطلق مدفعًا، يكون المسار الناتج أحد أكثر الأشكال شيوعًا في الفيزياء: القطع المكافئ. تحلل حركة المقذوفات هذا المسار بتقسيم حركة الجسم إلى جزأين مستقلين تمامًا — سرعة أفقية ثابتة، وسرعة رأسية تسارعها الجاذبية باستمرار نحو الأسفل. لا يعرف أحد الجزأين شيئًا عن الآخر؛ ومعالجتهما بشكل منفصل ثم دمج النتائج هو ما يجعل من الممكن التنبؤ بدقة بالمسافة التي سيقطعها المقذوف، والمدة التي يبقى فيها في الهواء، والارتفاع الذي يصل إليه، باستخدام أساسيات علم الحركة فقط.
قانون أوم ودوائر التيار المستمر
كل دائرة كهربائية تبنيها — من مصباح يدوي بسيط إلى شاحن هاتف — تقوم على الكميات الثلاث نفسها: مدى قوة دفع البطارية (الجهد)، ومقدار الشحنة المتدفقة نتيجة لذلك (التيار)، ومدى قوة مقاومة المكونات التي تعترض هذا التدفق (المقاومة). بالنسبة للأجزاء الأومية، يربط قانون أوم، V = IR، بين هذه الكميات بعلاقة تناسبية بسيطة بما يكفي للتنبؤ بسلوك الدائرة باستخدام الحساب البسيط فقط، وهو يشكل أساس كل تقنية أكثر تقدمًا في تحليل الدوائر تليه، من الشبكات المتسلسلة والمتوازية إلى دوائر التيار المتردد المستخدمة في الإلكترونيات الحقيقية.
الظاهرة الكهروضوئية
سلّط الضوء على سطح معدني، وفي ظل الظروف المناسبة، سيقذف إلكترونات — نتيجة غريبة بعناد حاولت الفيزياء الكلاسيكية تفسيرها. تنبأت نظرية الموجة في القرن التاسع عشر بأن الضوء الأضعف ينبغي أن يطرد إلكترونات أيضًا، ولكن بشكل أبطأ، بشرط توفر وقت كافٍ لتراكم الطاقة. أظهرت التجارب الحقيقية العكس تمامًا: تحت تردد قطع حاد معين، لا تنتج أي شدة أو أي انتظار إلكترونًا واحدًا، بينما حتى الضوء الأضعف فوق ذلك التردد يقذف إلكترونات فورًا. تفسير آينشتاين عام 1905 — بأن الضوء نفسه يصل في حزم منفصلة من الطاقة، أُطلق عليها لاحقًا اسم الفوتونات — حلّ هذا اللغز وأصبح من النتائج التأسيسية لميكانيكا الكم، والتي حصل عنها على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1921.
الموجات الوقوفية على وتر
اعزف على وتر قيثارة، أو انفخ عبر فوهة زجاجة، أو هزّ حبل قفز بالسرعة المناسبة تمامًا، وسترى الظاهرة نفسها: موجتان تتحركان في اتجاهين متعاكسين على نفس الوسط تتداخلان لتكوّنا نمطًا يبدو ثابتًا بدلًا من أن ينتقل. يحدث هذا كلما انعكست موجة عن طرف ثابت أو حر وتداخلت مع انعكاسها الخاص — عند معظم الترددات تكون النتيجة خليطًا فوضويًا، ولكن عند ترددات رنين محددة يستقر التداخل في نمط ثابت ونظيف من نقاط لا تتحرك أبدًا (العُقد) ونقاط تتأرجح بين أقصى إزاحة (البطون). تعتمد كل آلة موسيقية تقريبًا، من الآلات الوترية إلى آلات النفخ الهوائية إلى جلود الطبول، على هذا السلوك بالضبط لإنتاج نغمة ثابتة.
الطفو ومبدأ أرخميدس
تطفو سفينة شحن فولاذية ضخمة بينما تغرق عملة فولاذية صغيرة — نفس المادة، ونتائج مختلفة تمامًا، والتفسير لا علاقة له بالوزن وحده. أي جسم مغمور في سائل يزيح بعضًا من ذلك السائل، ويدفع السائل الجسم بقوة صاعدة تساوي تمامًا وزن الكمية التي أزاحها — وهي علاقة اكتشفها أرخميدس منذ أكثر من ألفي عام ولا تزال تُدرّس، دون تغيير، كواحدة من أقدم القوانين الكمية في الفيزياء. أما كون هذا الدفع الصاعد كافيًا لدعم الجسم أم لا فلا يعتمد على وزنه وحده بل على شكله: بدن السفينة يزيح حجمًا هائلًا من الماء مقارنة بوزنه، بينما تزيح العملة الصلبة كمية ضئيلة جدًا.