野外冲锋
等离子球在远处为灯泡供电。
物理学家的工作就是找到简单的规则来预测我们周围世界发生的事情。从雪崩和森林大火的规模,到红血球的形状,到城市交通的流量,所有这些都可以用控制自然动态的简单规则和原则来解释。一旦我们可以解释我们周围的世界,我们就可以尝试改变它,通过改变这些原则,并利用它们来设计像电动汽车,火箭,水电大坝之类的东西。在这篇温和的机制介绍中,你将接触到我们周围世界中的一些有趣现象,并被要求解释它们是如何或为何发生的。虽然这些都是基本的例子,但它们浓缩了做真实物理研究的基本经验。
这里有一些开始的建议:
- 尽量让你的问题在你的脑海中变得清晰,在不丢弃重要细节的情况下尽可能地简化它。
- 如果你的问题让你不知所措,试着把它简化。
- 利用你的直觉和对其他过程的理解来推断手边的这个过程。
- 使用极端情况来帮助排除不正确的解决方案。
当你在寒冷干燥的冬天走过地毯时,或者当你触摸门把手或其他人时,你有时会遭遇电击。为什么会发生这种情况?
当两种材料接触时,就有电子从一种材料转移到另一种材料的可能性。这可能会导致两个物体之间的电荷极不平衡。决定哪一种物质最终会从另一种物质中窃取电子的是两种物质分子的电负性。
某些种类的原子,如氟、氯、氧和氮,电负性很强,会倾向于从其他原子中拉出电子。而其他元素,如钫、铯或铷,电负性非常低,往往会失去电子给其他原子。
对于原子来说,一个简单的图像是,外层电子轨道靠近原子核的原子将使正电荷原子核和可用电子之间有更多的吸引力,而外层轨道远离原子核的大原子将经历较少的吸引力。一旦原子被束缚在分子中,从第一原理来考虑电负性就会变得更加复杂,但原理是一样的。
根据经验,我们可以按照电负性最大到最小的顺序来排列材料。如果我们有一块羊毛做的地毯,穿着橡胶底的鞋子走来走去,我们就会倾向于从地毯上积累负电荷,因为橡胶的电负性比羊毛强。相反,如果我们光着脚到处走,当我们带正电时,我们将向地毯捐赠电子。
只要我们在移动,在地毯上滑动我们的鞋子或脚,电荷就会转移,直到地毯的电负性等于我们脚上材料的电负性,在那一点电荷转移将停止。当然,我们总是会向空气中的分子失去电荷,但在干燥的天气,运输电荷的主要机制,潮湿空气中的水,是不存在的。在这种情况下,我们可以保持一个很大的电荷,我们将保持这个电荷直到我们碰到一个电负性不同的中性物体。
当我们触碰门把手时,我们是带正电的,我们实际上从门上吸引电子,它们跳过间隙,分布在我们的身体上,直到我们是中性的。同样,如果我们带负电,电子就会从我们的手跳到门把手上。如果我们接触的是电中性的人,这也适用。
物理学最突出的特点之一是原理的普遍性。量子场动力学中确定的机制可以很好地应用于材料科学中的问题。尽管如此,我们还是可以对力学中要学习的东西进行宽泛的分类。
- 粒子点粒子在力学中是一种基本的虚构。有很好的理由,它们允许我们用物体质心上的一个点来表示物体。虽然这是一个明显的简化,但粒子极大地简化了我们的数学推理,最终成为一个相当忠实的表示。通过表征粒子的行为已经取得了很大的进展,然后可以应用于扩展的物体。探索粒子运动的范围牛顿定律,火箭物理,力学的拉格朗日公式.
- 字段虽然粒子在日常生活中很常见,但场控制着粒子之间的相互作用,并为我们周围的世界提供了有趣的动态。一个简单的例子是由给定物体的内在质量产生的引力场。当你跳向空中,把你带回地面的是地球的重力场。值得注意的是,同样的磁场也支配着行星的运动。开始了解更多关于场的知识,以及它们如何塑造物质的运动万有引力,磁场线,推导开普勒定律,电荷和电场.
- 守恒定律如果世界上只有粒子和场,物理学就会变得非常困难。在物理学中,数学分析常常变得难以处理,甚至可能出现这样的情况:选择错误的方法来看待一个问题,会导致它是简单的还是不可能的。令人高兴的是,有一些深奥的原理支撑着物理学的结构,这些原理表明,某些东西必须总是守恒的。通常情况下,我们可以通过诉诸这些守恒原理来简化非常繁琐的计算。开始使用能量守恒,动量守恒.