Загалом, ключові концепції – це головні ідеї, на яких викладачі та вчителі роблять особливий акцент, всіляко підкреслюючи їх, щоб таким чином ви дотримуватися їх протягом усього життя і не забули на іспиті.
У кожного з нас, безсумнівно, є ключові концепції, вбудовані в наш мозок, незалежно від того, наскільки свіжим є наш академічний досвід.
Наприклад, ми всі знаємо правила виконання простих арифметичних розрахунків, і всі ми, швидше за все, пам’ятаємо граматичне правило написання власних імен... так?
Фізика, як навчальний предмет, не відрізняється підходом до правил та понять.
Існують основні концепції та ідеї, які забезпечують основу, на якій будуватиметься будь-яке подальше вивчення фізики. Їх 100 % необхідно засвоїти, перш ніж спробувати осягнути глибші теми предмета.
Хороша новина полягає в тому, що після опанування основ, їхнє застосування стане вашим другим диханням!
Щоб допомогти вам зрозуміти ключові поняття фізики, нумо розглядати їх та пояснювати. Насправді все дуже просто!
Елементарні поняття з фізики
Є чотири фундаментальні сили природи, які керують кожною фізичною взаємодією, будь то на атомному чи субатомному рівні.
Основними силами є гравітація, електромагнетизм і ядерні сили, як слабкі, так і сильні.
- З усіх сил гравітація є найпоширенішою, але найслабшою за величиною. Сила тяжіння діє між усіма тілами, і її вплив залежить від того, велика(і) маса(и) чи мала(і).
Наша планета навколо Сонця та Місяць навколо Землі рухаються силою тяжіння.
Правила і властивості цієї сили описані в теорії відносності Ейнштейна.
- Слабка взаємодія відноситься до ядерних сил, зокрема, описуючи схильність до бета-розпаду.
Бета-розпад - це коли протон перетворюється на нейтрон або навпаки.
Набуття або втрата електричного заряду є життєво важливим, оскільки це дозволяє атому тяжіти до оптимального співвідношення протонів і нейтронів, таким чином дозволяючи йому стати і залишатися стабільним - за умови, що реакція контролюється.
Це явище курується наступною силою в нашому списку.
- Електромагнетизм є найпоширенішою силою у світі. Ми можемо помітити його вплив, навіть без спеціального обладнання. Електростатичні сили діють на частинки в стані спокою, коли і магнетизм, і електрика діють на рухомі частинки.
Термін електромагнетизм був введений у середині 1800-х років, коли шотландський фізик Джеймс Клерк Максвелл довів (за допомогою рівнянь), що світло, електрика та магнетизм існують в одному середовищі. Далі він встановив, що електромагнітні хвилі поширюються зі швидкістю світла.
- Остання з чотирьох, сильна ядерна взаємодія, утримує протони та нейтрони зв’язаними разом. Вона настільки сильна, що замість того, щоб дозволяти відштовхувати однаково заряджені частинки, вона утримує їх разом, навіть якщо вони відштовхуються одна від одної.
Багато фізиків вважають, що ці чотири сили насправді є проявами більшої, об’єднуючої сили, яку ще належить відкрити та назвати.
Електрика, магнетизм і слабка ядерна взаємодія були об’єднані в електрослабку силу, але включення гравітації виявляється дещо заскладним завданням. Тому воно отримало назву “квантова гравітація”.
Поки що жодна з теорій, яка могла б торкнутися квантової гравітації, не спрацювала.
Хвилі несуть енергію
Ви коли-небудь чули про звукові хвилі? А як щодо сейсмічних хвиль?
Ці та інші хвилі мають прямий, вимірний ефект.
Звукові хвилі можна почути, сейсмічні проходять через землю, викликаючи землетруси, навіть світло поширюється хвилями!
Можливо, більш наочним прикладом є хвилі, які ви можете побачити з пляжу: вони стукають по дну океану, перетворюючи тверді предмети на дрібний пісок
Гравітаційні хвилі особливо захоплюючі! Ці брижі в просторі-часі викликані найбільш вибуховими, енергійними процесами в нашому космосі.
Ейнштейн передбачив їх понад 100 років тому у своїй загальній теорії відносності.
Чи можете ви уявити собі благоговіння, яке відчули космологи, коли вони фактично довели існування гравітаційних хвиль після десятиліть існування просто теорії, ідеї?
Кваліфікований вчитель фізики в один клік!
Як щодо Всесвіту?
Так, планети, зірки та темна матерія - це те, з чого складається Всесвіт, але на більш фундаментальному рівні він складається з матерії та енергії.
Матерія в космосі може бути крихітною, як частинки пилу, або великою, як галактика, а енергія приймає багато різних форм: гравітаційна енергія та нещодавно постулована темна енергія.
Насправді, вважається, що саме ця темна енергія сприяє розширенню нашого Всесвіту...
У нас є матерія та енергія, тепер ми додаємо сюди силу, і - вуаля, маємо рецепт кожної окремої небесної події! Від еволюції Всесвіту, народження зірки до колапсу червоного гіганта - все зводиться до цих трьох факторів.
Поняття фізики, пов'язані з вимірюванням
Головна мета фізики - зрозуміти, як працює Всесвіт (наша планет та космос в цілому) на субатомному рівні
Ці дослідження включають фундаментальні концепції, такі як рух матерії в просторі та часі, їх енергія та вплив сил на цю матерію.
Вловити відхилення в подібній справі - це одне. Щоб пояснити, як і чому вони змінюються, необхідно провести точні розрахунки. Однак неможливо використовувати ту саму шкалу вимірювань для запису орбіти планети (в кілометрах) чи щоб відзначити різницю температур (за шкалами Кельвіна, Ранкіна, Цельсія або Фаренгейта).
Цікавий факт: США - єдина країна, яка офіційно використовує температурну шкалу Фаренгейта.
Незалежно від того, якими є офіційні стандарти вимірювання в будь-якій країні, наукове співтовариство фіксує будь-які свої висновки за допомогою міжнародної системи одиниць вимірювання, котра називається одиницями SI (сі).
SI розшифровується як Système Internationale d’Unités. Так, це написано французькою мовою, але, погодьтеся, зрозуміти сенс нескладно.
Ця система формує базис для кожного типу вимірювання:
- довжина виражається в метрах;
- час розбитий на секунди;
- вага (маса) позначається в кілограмах;
- температуру вимірюють за шкалою Кельвіна;
- електричний струм позначається в амперах;
- моль є мірою речовини.
Природно, що не все обмірюють кілограми, і електричний струм не завжди починається з одного ампера, тому в гру вступають десяткові дроби та експоненти.
Це ключові поняття з математики, звернули увагу?
І тут ми не записуємо, скажімо, нанометр як 1 за 8 нулями, які стоять за десятковою комою (0,000000001), а просто позначаємо це вимірювання як “n”.
Існує вісім стандартних префіксів із додатковими скороченнями для позначення експоненціальних значень:
| Префікс | Абревіатура | Експонента | Скільки нулів? |
|---|---|---|---|
| тера- | T | 12 | 1,000,000,000,000 |
| гіга- | G | 9 | 1,000,000,000 |
| мега- | M | 6 | 1,000,000 |
| кіло- | k | 3 | 1,000 |
| центи- | c | -2 | 0.01 |
| мілі- | m | -3 | 0.001 |
| мікро- | µ | -6 | 0.000001 |
| нано- | n | -9 | 0.000000001 |
Зауважте, що хоча використання префіксів допомагає зробити рівняння керованими, кожна одиниця, виражена префіксом, має бути перетворена назад у фактичне числове значення для розв’язання рівняння.
Можна легко виміряти масу об’єкта або час, необхідний для проходження певної відстані, але як щодо вимірювання сили, яка рухає його, енергії, яку він витрачає, частоти його хвиль або його електричного заряду?
У наступній таблиці ви можете побачити всі ці одиниці: їх назву, те, що вони собою представляють та абревіатуру для їхнього позначення.
| Одиниця виміру | Абревіатура | Що вимірює |
|---|---|---|
| джоуль | J | енергія |
| ват | W | потужність |
| паскаль | Pa | тиск |
| ньютон | N | сила |
| герц | Hz | частота |
| ом | Ω | електричний опір |
| вольт | V | різниця електричних потенціалів |
| кулон | C | електричний заряд |
| тесла | T | щільність магнітного потоку |
Поняття фізики: основні закони та формули
Кожна дія супроводжується протилежною реакцією.
Ця чудова фраза, яку зазвичай використовують у повсякденній розмові – часто як і твердження про кармічну відплату – насправді є третім законом руху Ньютона.
Інші два:
- Об’єкт, що перебуває в стані спокою, прагне залишатися в цьому стані і далі, якщо його не мотивує рухатися зовнішня сила.
- Швидкість зміни імпульсу безпосередньо залежить від прикладеної сили.
Сер Ісаак Ньютон, один із архітекторів класичної фізики, встановив ці закони понад 330 років тому після тривалих спостережень за рухом матерії та силами, які на неї впливали.
Хоча ці закони здаються самоочевидними і навіть спрощеними, у часи, коли вони були встановлені, існувало небагато фундаментальних правил, що регулювали будь-що фізичне. Не кажучи вже про єдиний стандарт для маси в русі.
Альберт Ейнштейн, ще один наріжний камінь дисципліни, яку ми називаємо фізикою, створив, можливо, найвідоміше рівняння всіх часів та народів у своїй теорії відносності: E=mc2.
Незважаючи на елегантність та простоту, воно містить дві фізичні істини:
- принцип відносності стверджує, що фізичні закони однаково застосовуються в усіх ситуаціях;
- у вакуумі швидкість світла постійна, незалежно від руху джерела світла.
І майте на увазі, ці закони витримали випробування часом і підтверджуються знову і знову!
Які ще відкриття зробили вплив на фізичну науку?
Закони термодинаміки, зокрема:
- Закон нуля створив концепцію поняття температури.
- Перший закон ілюструє динаміку між внутрішньою енергією системи, доданим теплом і її роботою.
- Другий закон описує природний потік тепла в закритій системі.
- Третій закон стверджує, що будь-який створений термодинамічний процес за своєю природою зазнає втрат тепла, тому ніколи не досягне ідеальної ефективності.
Ці закони виникли в середині 1600-х років і залишаються актуальними й досі – ще одне свідчення людської геніальності.
Електростатичні закони
Ці два закони керують створенням електростатичних сил і полів електрично зарядженими частинками.
Закон Кулона, який стверджує, що однаково заряджені об’єкти відштовхуються один від одного, а протилежні притягуються, і описує сили, що виражаються цим притяганням або відштовхуванням.
Закон Гаусса описує розподіл електричного заряду через електричне поле, яке він створює.
Вони названі на честь своїх авторів, тобто французького фізика Шарля Кулона і відповідно німецького математика Карла Фрідріха Гаусса.
Вивчення фізичного світу, навіть на субатомному рівні, незважаючи на території та століття, має обов’язково відповідати правилам і стандартам. І от зараз деякі з них вже вами опановані!
Саме на розумінні цих ключових понять можна продовжувати будувати свої дослідження фізики. До речі, репетитор з фізики онлайн з сайту Superprof з цим чудово впорається.
Вам сподобалась ця стаття? Оцініть її!
Loading...
