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前言:這是一篇很長的文章,希望您能深入閱讀。
由于篇幅較長,不斷更新:
有些學生在初中就非常喜歡物理,覺得物理非常簡單、有趣。
但一上了高中,我就覺得自己跟不上。 感覺和我以前知道的物理不太一樣。 它不再那么直觀或那么直觀。
如此簡單又有趣。
因此,在一些可以自由選擇高考科目的地方,有的考生放棄了物理。
然而,物理學作為自然科學的基礎學科,研究從宇宙到基本粒子的一切物質最基本的形式和運動規律。 沒有物理,我們如何才能制造出強大的武器? 如果你不學物理,那么你不用“三體人”就已經鎖住了自己的科技樹。
追根溯源,我們不得不問:為什么很多原本喜歡物理的人到了高中就不再喜歡物理了? 似乎一到高中,物理就變得又難又枯燥,仿佛和初中物理不是一個物種。
事實上,物理學一直是美麗而有趣的。
不過,高中物理和初中物理確實有些不同。 如果你不能及時認識到這一點,繼續用初中物理的思維去學習高中物理,你一定會在各方面感到不舒服,覺得物理很難、很枯燥,一點也不好玩。
今天我們就來和大家聊一聊,看看高中物理和初中物理有什么區別? 了解如何闡明高中物理框架以及如何構建清晰的物理圖景。
如果你是初中剛畢業,希望你能盡快調整自己的思維; 如果你已經是高中二年級或高年級學生,我希望這能幫助你重新認識物理,幫助你復習和準備考試; 如果你還是初中生或者小學生的話,接種疫苗就好了~
01
從定性到定量
高中物理和初中物理有一個非常大的區別:很多物理題在初中只要求你做定性分析,但到了高中卻要求你做定量計算。
從定性分析到定量計算,這是非常大的一步。
初中時,我們只需要定性分析那些熱、光、機械、電磁現象即可。
分析一下水為什么會變成冰和水蒸氣? 為什么我聽到回聲? 為什么蘋果會掉下來,水會向下流? 為什么磁鐵同性相斥,異性相吸? 筷子遇水為什么會斷?
這種定性分析與日常生活密切相關。 每當我們學習一點點物理知識,就好像我們揭開了大自然某處的面紗,我們的好奇心和求知欲在這個過程中得到了極大的滿足。
第一次看到物理的這種朦朧之美就像第一次見到情人一樣。 如果人生如初見,那么任何人都可以愛上物理。
當我們戀愛時,我們可以依靠電、磁、力、熱、光等領域的新奇來維持關系; 結婚后,我們要靠柴米油鹽醬醋茶的柴米油鹽、精打細算來維持生活。
因此,進入高中后,我們要對力學、電磁學等領域進行精確的定量計算。
初中時,我們只需要知道蘋果為什么會掉下來; 在高中時,我們需要能夠計算出蘋果在 1 秒內下落的高度以及 2 秒后的速度是多少。
初中時,我們只需要知道同性電荷相斥,異性電荷相吸; 在高中時,我們需要知道當兩個電荷相距1米時,它們的吸引力和排斥力有多大。
初中時,我們只需要知道電荷在電場中會加速; 高中的時候,我們要計算電荷運動的具體軌跡。
這樣,你就明白從初中物理到高中物理發生了什么了嗎?
是的,從戀人到夫妻。 話題從之前環游世界的夢想,變成了算算每個月的開支有多少,算算年終獎有多少才夠出國旅游。
現在你知道為什么很多人初中喜歡物理了,高中卻突然不喜歡物理了吧? 是的,就像有些人想永遠戀愛卻不想結婚一樣~
然而,物理學是研究一切物質運動形式和規律的學科。 當然,我們不能滿足于僅僅對物理現象進行一些定性分析。
我們從自然界中總結出各種物理定律,然后利用這些定律來改造自然。 這其中不能有任何誤差,必須進行精確的定量計算。
那么,做定量計算是不是既簡單又美觀呢?
如果我們能夠計算出每個物體的運動,我們就能清楚地了解宇宙中所有物體的運動模式。 這種打開上帝視角的感覺,這種宇宙萬物盡在心中的感覺,絕對不是我第一次看到時那種朦朧的感覺可以比擬的。
如果你看清楚了物理圖像,搭建了物理框架,你會發現高中物理中的定量計算一點也不難。
好,接下來,我們回到物理的起點,重新學習一下物理。
02為什么要鍛煉?
宇宙中的一切事物都在運動和變化。 物理學就是研究它們的運動和變化規律,它們為什么運動以及如何運動?
我們之所以能看到物體,是因為光子進入了我們的眼睛; 我們能聽到聲音是因為聲波穿過空氣進入我們的耳朵; 我們可以接電話,因為電磁波正在向我們傳輸信息; 至于蘋果什么時候成熟? 更不用說,如果你掉落或推倒椅子,椅子也會移動。
沒有運動,世界就會死,而這與物理學無關。
既然運動如此普遍和明顯,那么為什么物體會移動呢?
這個問題乍一看似乎很搞笑,但仔細想一想,你就會發現它遠沒有你想象的那么簡單和自然。
為什么熱氣球飛上天時蘋果會掉下來? 當我推椅子時,它就會向前移動。 當我松開手時,椅子停了下來。 難道是有外力推動椅子移動? 鐵球比羽毛下落得快。 是因為鐵球比較重嗎?
這些問題很常見,但卻很難回答。 古希臘的許多自然哲學家都思考過這些問題,但答案都不是很令人滿意。
舉個例子,你想一想,如果我推椅子,椅子就會移動。 這很容易理解,通過接觸傳遞力也很容易被接受。
然而,當蘋果掉落時,沒有任何東西與其接觸。 為什么它還動? 當熱氣球升起時,沒有任何東西與其接觸。 為什么它會隨著它一起移動?
而且,為什么蘋果向下運動而熱氣球卻向上運動呢? 難道說重的東西都下落,輕的東西都飛上天嗎?
說到這里,肯定有同學想說:蘋果下落是因為受到向下的重力,熱氣球飄起來是因為受到向上的浮力。
很多家長在回答孩子的問題時也喜歡這樣直接給出答案。 雖然這個答案是正確的,但是離天太遠了。 孩子通過這種回答只能獲得一個碎片化的知識點,無法理解其背后的知識體系,也無法理解科學是如何建立的。
古希臘人對自然世界進行了細致的分析和深入的哲學思考,最終形成了自洽的自然哲學體系。
在這個過程中,亞里士多德是貢獻最大、處于核心地位的人。 讓我們把這整套世界觀稱為亞里士多德世界觀。
這種觀點認為,地球是宇宙的中心,太陽、月亮和星星都圍繞地球旋轉。
地球上的物質由四種基本元素組成:水、火、土和空氣。 地大自然地向宇宙中心移動(所以石頭會落下),水大也自然地向宇宙中心移動,但這種趨勢比地大弱(所以水也向下移動) ,但在地球頂部),風大自然地向宇宙中心移動。 元素自然地在水和土上方移動(因此水中的氣泡會向上冒泡),火元素有自然的趨勢遠離宇宙中心(因此火在空氣中向上燃燒)。
如果一個物體趨于靜止,要么構成該物體的元素已經到達其在宇宙中的自然位置(例如水和土壤到達地球中心),要么被其他事物阻擋(例如地表)地球的)。
靜止的物體將保持靜止,除非它有其他運動源(要么是它自己朝著宇宙中自然位置的運動,要么是來自外部的力,比如我推桌子)。
其他觀點我這里就不一一列舉了。 讀完后你有何感想?
你是否覺得,這些觀點雖然在今天看來“幼稚”,但實際上卻是一個自洽的體系。 它可以完善自己的話而不自相矛盾; 它還可以解釋物體為什么運動,可以更好地解釋古人所看到的各種現象。
即使對于孩子來說,這套也更符合“常識”,更容易理解和接受。
然而,這不是科學,而是自然哲學,真正的科學還沒有誕生。 亞里士多德的世界觀統治了歐洲近兩千多年,直到伽利略的出現。
03
伽利略的發現
伽利略認為,我們不僅可以對運動進行定性分析,還可以進行定量計算。
我們應該用數學來定量地描述物體的運動,然后用實驗來驗證,而不是討論物體的目的、性質等形而上的、無法量化的東西。
這意味著伽利略拋棄了古希臘以來的自然哲學傳統,正式創立了以數學和實驗為基礎的現代科學,其任務是“描述自然現象”而不是試圖“解釋自然現象的本質”。
重物會落下,然后我會看它是怎么落下的,第一秒落到多高,第二秒落到多高,尋找規律。
你說物體越重,下落的速度越快,所以我來做一個實驗,看看重的鐵球和輕的鐵球是否都是這樣。
你說所有物體到達自然位置后都會變得靜止,所以我會做一個實驗,看看是否是這樣。
在做了一堆實驗后,伽利略震驚地發現事情并不是他想象的那樣。 感覺不靠譜,得用實驗來說話。
首先,伽利略從一系列斜率實驗中發現:物體是否運動與是否受力沒有直接關系,運動不需要外力來維持。
他設計了一個平滑的坡度,發現無論我從左邊把球扔到多高,球在右邊基本上都會回到同樣的高度。
此外,我們減少了右側的坡度并使其變得更平坦。 然后,為了回到相同的高度,球必須移動更遠的距離。
最后我把右邊的斜坡完全壓平了,右邊就變成了一個平面,高度再也沒有改變。 這樣初中物理好難,無論球移動多久、移動多遠,都永遠不會回到左邊的高度。
永不回到左邊高度的意思是球將繼續以勻速直線運動(假設地面絕對光滑)。
就像在溜冰場上一樣,表面越光滑,你可以一口氣滑得越遠。 如果地面絕對光滑,你永遠不會停下來,直到遇到另一個障礙物。
通過這個實驗,伽利略發現運動本身不需要力來維持,物體即使不受任何外力作用也能保持勻速直線運動。
那么,力的作用到底是什么? 我用力推了一下椅子,椅子的狀態確實發生了變化。 看來我推得越用力,椅子的速度就越快。
伽利略對這些問題進行了進一步的研究,最終發現力并不是維持物體運動的力量,而是改變物體運動狀態的力量。
換句話說,維持物體的運動不需要力,但改變物體的運動需要力。 武力還是很有用的。
小鋼球總是能在絕對光滑的地面上以勻速直線運動,速度和方向不變。 但如果我用力推球,球的速度就會改變。
伽利略的工作非常重要。 他不僅創造了現代意義上的科學并指出了科學研究的基本方法。 他還親自實踐,發現了大量物體運動的基本規律,為后人指明了方向。
04
牛頓力學
接下來,牛頓根據這些著作建立了一套完整的理論來描述物體的運動。 這就是著名的牛頓力學,也是高中物理的核心。
牛頓力學具有三大運動定律。 了解了伽利略的發現之后,你會覺得這些定律是非常自然的。 然后你會發現,通過這些定律,我們其實可以描述物體的各種運動。
所謂規律,就是科學家通過進行各種實驗,從實驗現象中總結出來的規律。 其正確性是通過實驗保證的。 定律不能通過數學公式“推導”或“證明”。 那些被證明的被稱為定理。
數學家會預設一些最基本的公理(比如歐幾里得幾何的五個幾何公理),然后從這些公理出發,通過邏輯推演證明各種定理,構建堅實的數學建筑。
由于數學不負責現實世界,因此公理的選擇具有很強的任意性。 你可以選擇這些公理作為公理并推導出一個數學系統; 你也可以選擇這些公理作為公理并推導出另一個數學系統。
只要體制內不存在矛盾,你想怎么玩就怎么玩。 就像歐幾里德幾何和非歐幾何一樣,它們雖然在第五公設中截然對立,但卻可以和諧共存。
不過,物理是負責現實世界的,所以基礎不能隨便選。 它必須符合自然界的實驗和觀察。
定律是從各種實驗現象中總結出來的規則。 因此,一些物理學家建立了基于定律的理論體系,例如牛頓力學。
還有一些物理學家根據原理建立了理論體系,比如愛因斯坦的相對論。 甚至整個物理學也可以從最小作用原理推導出來。
原理并不是從具體的實驗中總結出來的具體規律,而是大家從大量的物理定律中總結出來的普遍成立的東西。 這些原理對物理定律的形式提出了非常嚴格的限制,成為“支配定律的定律”。
這樣大家就明白了牛頓運動三定律的地位了吧? 它們是牛頓力學的基礎,決定了牛頓力學的基本骨架。
接下來我們就來看看這三個定律都說了些什么。
05
牛頓第一定律
牛頓第一定律:當物體不受力時,或者說它受到的凈外力為0時,它將保持靜止或勻速直線運動(即速度的大小和方向不變) 。
牛頓第一定律也稱為慣性定律,它告訴我們“運動不需要力來維持運動”。 如果物體所受的凈外力為0,那么物體之前的速度無論是多少,之后的速度都將保持不變。
為什么它還有一個名字“慣性定律”? 在英語中是的同義詞,意為懶惰。
因此,慣性定律意味著所有物體都是“懶惰的”,就像懶豬一樣,不愿意主動改變自己的運動狀態。
如果我現在不動,除非你用力推我,否則我就動不了; 如果我現在有一個速度,我會不假思索地以這個速度繼續前進,除非有什么東西阻止我。
喜歡科幻電影的朋友一定對這個場景很熟悉:一名宇航員不小心拉斷了連接飛船的繩索,然后大家就只能眼睜睜地看著宇航員以這樣的速度飄入太空深處。
因為太空中沒有其他外力阻止他,所以他只能遵循慣性定律,“懶惰”地以這個速度一直飄走(盡管他很不情愿)。
這也說明,宇航員在沒有外力的情況下仍然可以移動,而外力確實不是讓物體保持移動的原因。
那么,力的作用到底是什么? 伽利略在后半句話中說:力是改變物體運動狀態的力量。
也就是說,雖然運動本身不需要力來維持,但是如果想要改變運動狀態初中物理好難,比如宇航員不想漂流到太空深處,想要返回飛船,就需要一個外力將其拉動。
好,既然我們知道力可以改變物體的運動狀態,那么如果我給你一定的力,你的速度能改變多少呢?
為了定量地計算這個帳戶,我們需要牛頓第二定律。
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祝大家取得好成績!
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