学习物理
简短的概念文章,附有在交互式模拟中实践相关知识的链接。
概念文章
抛体运动
当你扔出一个球、把足球踢向空中,或是发射一门大炮时,所形成的轨迹是物理学中最容易辨认的形状之一:抛物线。抛体运动通过把物体的运动拆分成两个完全独立的部分来分析这一现象——一个恒定的水平速度,和一个被重力持续向下加速的竖直速度。这两个部分互不相干;分别处理它们,再把结果重新组合起来,正是这种方法让我们仅凭基础运动学就能准确预测抛体能飞多远、在空中停留多久、能升到多高。
欧姆定律
你搭建的每一个电路——从简单的手电筒到手机充电器——都建立在同样三个物理量之上:电池推动电荷的力度有多大(电压)、由此产生的电荷流动有多少(电流),以及路径上的元件对这股流动的阻碍有多强(电阻)。对于其中的欧姆部分,欧姆定律,V = IR,用一个简单到只需算术就能预测电路行为的比例关系把这三者联系在一起,并且是后续每一种更高级的电路分析技术的基础,从串联、并联网络,一直到实际电子设备中使用的交流电路。
光电效应
把光照在金属表面上,在合适的条件下,它会射出电子——这是经典物理学在试图解释时显得异常棘手的一个结果。十九世纪的波动理论预测,更暗的光应该仍然能够射出电子,只是速度更慢,只要有足够的时间积累能量。真实的实验却显示出相反的结果:低于某个明确的截止频率时,无论强度多高、等待多久,都不会产生哪怕一个电子;而在这个频率以上,即使是最微弱的光也会立刻射出电子。爱因斯坦在1905年给出的解释——光本身是以一份份离散的能量包到达的,后来被称为光子——解开了这个谜团,并成为量子力学的奠基性成果之一,他也因此获得了1921年诺贝尔物理学奖。
驻波
拨动一根吉他弦、对着瓶口吹气,或者以恰到好处的速度甩动一根跳绳,你都会看到同样的现象:沿同一介质向相反方向传播的两列波相互干涉,形成一种看起来静止不动而非传播的图样。每当一列波在固定端或自由端发生反射,并与自身的反射波重叠时,就会发生这种情况——在大多数频率下,结果只是一团杂乱的叠加,但在特定的共振频率下,干涉会锁定成一个清晰、静止的图样:一些点永远不动(波节),另一些点在最大位移之间来回摆动(波腹)。几乎每一种乐器——从弦乐器到管乐器再到鼓面——都正是依靠这种行为来产生稳定的音高。
浮力
一艘庞大的钢铁货船能够漂浮,而一枚小小的钢币却会下沉——同样的材料,结果却截然不同,而这个现象的解释并不仅仅关乎重量。任何浸入流体中的物体都会把一部分流体排开,而流体会以一个向上的力作出反作用,这个力的大小恰好等于被排开部分的重量——这一关系是阿基米德在两千多年前发现的,至今仍被原封不动地教授,是物理学中最古老的定量定律之一。这股向上的推力是否足以支撑住物体,并不只取决于物体的重量,还取决于它的形状:一艘船的船体相对于自身重量能排开巨大体积的水,而一枚实心硬币排开的水却非常少。