學習物理
附有互動模擬連結的短篇概念文章,讓你在模擬中親身體驗這些概念。
概念文章
拋體運動
當你拋出一顆球、把足球踢向空中,或是發射一門大砲時,所形成的軌跡是物理學中最容易辨認的形狀之一:拋物線。拋體運動透過把物體的運動拆分成兩個完全獨立的部分來分析這個現象——一個恆定的水平速度,和一個被重力持續向下加速的垂直速度。這兩個部分互不相干;分別處理它們,再把結果重新組合起來,正是這種方法讓我們僅憑基礎運動學就能準確預測拋體能飛多遠、在空中停留多久、能升到多高。
歐姆定律
你搭建的每一個電路——從簡單的手電筒到手機充電器——都建立在同樣三個物理量之上:電池推動電荷的力度有多大(電壓)、由此產生的電荷流動有多少(電流),以及路徑上的元件對這股流動的阻礙有多強(電阻)。對於其中的歐姆部分,歐姆定律,V = IR,用一個簡單到只需算術就能預測電路行為的比例關係把這三者連結在一起,並且是後續每一種更進階電路分析技巧的基礎,從串聯、並聯網路,一直到實際電子裝置中使用的交流電路。
光電效應
把光照在金屬表面上,在適當的條件下,它會射出電子——這是古典物理學在試圖解釋時顯得異常棘手的一個結果。十九世紀的波動理論預測,較暗的光應該仍然能夠射出電子,只是速度較慢,只要有足夠的時間累積能量。真實的實驗卻顯示出相反的結果:低於某個明確的截止頻率時,無論強度多高、等待多久,都不會產生哪怕一個電子;而在這個頻率以上,即使是最微弱的光也會立刻射出電子。愛因斯坦在1905年給出的解釋——光本身是以一份份離散的能量包到達的,後來被稱為光子——解開了這個謎團,並成為量子力學的奠基性成果之一,他也因此獲得了1921年諾貝爾物理學獎。
駐波
撥動一根吉他弦、對著瓶口吹氣,或者以恰到好處的速度甩動一根跳繩,你都會看到同樣的現象:沿同一介質向相反方向傳播的兩列波相互干涉,形成一種看起來靜止不動而非傳播的圖樣。每當一列波在固定端或自由端發生反射,並與自身的反射波重疊時,就會發生這種情況——在大多數頻率下,結果只是一團雜亂的疊加,但在特定的共振頻率下,干涉會鎖定成一個清晰、靜止的圖樣:一些點永遠不動(波節),另一些點在最大位移之間來回擺動(波腹)。幾乎每一種樂器——從弦樂器到管樂器再到鼓面——都正是依靠這種行為來產生穩定的音高。
浮力
一艘龐大的鋼鐵貨輪能夠漂浮,而一枚小小的鋼幣卻會下沉——同樣的材質,結果卻截然不同,而這個現象的解釋並不僅僅關乎重量。任何浸入流體中的物體都會把一部分流體排開,而流體會以一個向上的力作出反作用,這個力的大小恰好等於被排開部分的重量——這一關係是阿基米德在兩千多年前發現的,至今仍被原封不動地教授,是物理學中最古老的定量定律之一。這股向上的推力是否足以支撐住物體,並不只取決於物體的重量,還取決於它的形狀:一艘船的船體相對於自身重量能排開巨大體積的水,而一枚實心硬幣排開的水卻非常少。