Что изучает физика — урок. Физика, 7 класс.

Материя — это всё то, что существует во Вселенной независимо от нашего сознания.

Физика как наука зародилась очень давно. Попытки объяснить явления природы были в Китае, в Древней Греции и Индии. Первоначально физикой занимались философы, богословы, астрономы, мореплаватели, врачи. В \(IV\) веке до н. э. Аристотель ввёл понятие «ФИЗИКА» (от греческого слова «фюзис» — природа).

В русском языке слово «физика» появилось в \(XVIII\) веке благодаря Михаилу Васильевичу Ломоносову — учёному-энциклопедисту, основоположнику отечественной науки, философу-материалисту, поэту, заложившему основы современного русского языка, выдающемуся деятелю просвещения, который перевёл с немецкого первый учебник по физике. Именно тогда в России и стали серьёзно заниматься этой наукой.

Физика изучает мир, в котором мы живём, явления, в нём происходящие, открывает законы, которым подчиняются эти явления. Главная задача физики — познать законы природы, свойства различных веществ и поставить их на службу человеку.

Вещество — это один из видов материи, из которого состоят все физические тела.

В физике каждое из окружающих нас тел принято называть физическим телом. Измерить какую-нибудь физическую величину — это значит сравнить её с однородной величиной, принятой за единицу.

Установив фундаментальные законы природы, человек использует их в процессе своей деятельности. Мы широко пользуемся электрическими приборами: плитами, чайниками, утюгами, пылесосами, холодильниками. Создание этих приборов стало возможным благодаря изучению электрических явлений и свойств различных материалов. Трудно представить нашу жизнь без радио и телевидения, компьютеров и сотовых телефонов, изобретением которых мы также обязаны физике.

Итак, физика изучает явления природы.

В жизни мы постоянно сталкиваемся с различными изменениями, которые происходят в окружающем нас мире.
     

В физике эти изменения принято называть физическими явлениями. Источником физических знаний являются наблюдения и опыты.

Задача физики состоит в том, чтобы открывать различные закономерности, которые позволяют объяснить и объединить разные физические явления.

Каждый вид физических явлений изучает отдельный раздел физики (механика, электродинамика, оптика, термодинамика, акустика и другие). Но эти разделы тесно взаимосвязаны и образуют единую стройную физическую науку, которая позволяет описать и объяснить причины самых разнообразных явлений природы — от образования галактик до процессов внутри атомов — кирпичиков, из которых состоит всё, что мы видим вокруг себя, включая нас самих.

Явления делятся следующим образом.

1. Механические явления.

2. Электрические явления.

3. Магнитные явления.

4. Световые (оптические) явления.

5. Тепловые явления.

6. Звуковые явления.

Физика – наука о природе.

Наблюдение и описание физических явлений

Тема урока:

Физика – наука о природе. Наблюдение и описание физических явлений.

Авторы:

Матвеев К.В., Рыжикова О.А.

Возрастной диапазон:

7-й класс

Изучаемые элементы содержания образования:

наука, физика, физические явления, физическое тело, материя, вещество, гипотеза, измерение, физические величины, наблюдения, опыты, выводы, теория, эксперименты.

Необходимое учебное оборудование:

маршрутные листы, ручка, ролковый словарь (планшет с выходом в Интернет).

Место проведения урока:

Московский планетарий.

Выходной день – вторник.

Адрес: ул. Садовая-Кудринская, д. 5, стр. 1.

Контактный тел.: 8 (495) 221-76-90.

Е-mail: [email protected]

Сайт: http://www.planetarium-moscow.ru/

Возможно указание на связанные памятные даты:

—

Форма проведения урока:

урок в музее.

Галерея изображений:

foto1

foto10

foto11

foto12

foto13

foto14

foto15

foto16

foto17

foto18

foto19

foto2

foto20

foto21

foto22

foto23

foto24

foto25

foto26

foto27

foto28

foto29

foto3

foto30

foto31

foto32

foto33

foto34

foto35

foto36

foto37

foto38

foto39

foto4

foto40

foto41

foto42

foto43

foto44

foto45

foto5

foto6

foto7

foto8

foto9

Свободное описание урока:

Новая дисциплина в 7 классе – первый урок по физике.

Урок посвящён основным понятиям физики, входит в раздел «Введение», включает в себя учебно-организационные элементы: вводную часть, знакомство учеников с специальными физическими терминами и понятиями; выполнение заданий маршрутного листа (изучение нового учебного материала), рефлексию, дополнительные ситуационные задания и тесты (по желанию).

Приложения:

• Коллекция элементов
• Текстовые материалы учителя
• Текстовые материалы для учеников

• Задания
• Презентация
• Ссылки
• Сценарий
• Тесты
• Кейсы
• Технологическая карта

Новости дня: Ученые в США и России нашли явление, которое не описывает современная физика — Эксперт.РУ

Ученые Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб, США) получили данные, указывающие на существование неизвестных элементарных частиц и взаимодействий между ними, сообщает «Интерфакс-Сибирь». Обнаруженное явление не описывает ни одна из существующих теорий физики.

Открытие было сделано в ходе эксперимента Muon g-2. Ранее ученые Института ядерной физики в Новосибирске получили данные о ядерных взаимодействиях на коллайдере ВЭПП-2000, которые впоследствии использовали в своих испытаниях их американские коллеги.

Ученые из США измеряли так называемый аномальный магнитный момент мюона – элементарной частицы с коротким сроком «жизни», обладающей теми же свойствами, что и электрон, но превышающей его по массе в 207 раз. Эксперимент подтвердил наличие разницы между теоретическим предсказанием и экспериментальным значением этой физической величины – разница впервые была обнаружена в Брукхейвенской лаборатории в США в начале 2000-х годов.

«Возможное объяснение наблюдаемого отличия — существование неизвестных частиц или взаимодействий, не описываемых Стандартной моделью», — объяснили в новосибирском университете.

Стандартная модель в физике описывает электромагнитное взаимодействие слабых, сильных и элементарных частиц. Модель не включает в себя темную материю, темную энергию и гравитацию.

В университете отметили, что эксперимент и теоретические расчеты требуют дальнейшего увеличения точности, так как наблюдаемой разницы недостаточно, чтобы утверждать, что существующая теория не полна. Хотя, по мнению специалистов новосибирского института, случайно получить такое отличие почти невозможно: вероятность составляет, меньше одной тысячной.

Физика для чайников. Что происходит у нас на кухне с точки зрения науки | ОБЩЕСТВО

С какими физическими и химическими явлениями мы сталкиваемся практически каждый день, в специальной подборке «АиФ-НН».

Нагревание чайника

Явление: конвекция и теплопередача.

В основе нагревания воды в чайнике лежит физическое явление — конвекция. Теплота передаётся чайнику снизу, а вода — плохой проводник тепла. Именно благодаря конвекции энергия переносится струями жидкости, и вода нагревается по всему объёму.

Закрываем чайник при кипении мы тоже не случайно. При открытой крышке часть молекул, имеющих большую кинетическую энергию, будет улетать, унося энергию, поэтому вода быстрее закипит, если крышку закрыть.

Присутствует в чайной церемонии и такое физическое явление, как теплопередача. Не зря ручки у самоваров всегда были деревянными — дерево не самый лучший проводник тепла. Как, впрочем, и пластмасса, из которой сегодня делают электрические чайники.

Хорошая хозяйка также знает, что, если положить в стакан металлическую ложку, та примет часть тепла, и температура воды станет ниже. Тепловое расширение внутренних стенок будет меньше, и деформация не окажется разрушительной для стакана. Хорошо охладит чай и металлический подстаканник, поскольку он сам быстро нагревается и забирает тепло.

Заваривание чая

Явление: диффузия.

А если бросить в кипяток крупинки чая или заварной пакетик, не размешивая, можно увидеть, как распространяется чайный настой в чистой воде. Происходит диффузия жидкостей. Конечно, все мы знаем, что чай надо заваривать кипятком. Оказывается, при высокой температуре диффузия в жидкостях происходит быстрее. Примером диффузии в твёрдом теле может быть консервация. Кристаллы соли в воде распадаются на ионы, которые, хаотически двигаясь, проникают между молекулами веществ в составе тех же овощей или грибов.

На кухне можно наблюдать и физическое явление диффузии газов. Благодаря ему, сидя в другой комнате, можно понять, что готовится. Диффузия в газах может быть крайне опасной, из-за этого явления можно отравиться угарным и другими ядовитыми газами.

Гашение соды уксусом

Явление: реакция нейтрализации.

Без этого явления не было бы у хозяек вкусной выпечки. Когда мы гасим соду в ложке уксуса, происходит химическая реакция нейтрализации. Её результат — углекислый газ. Он стремится покинуть тесто и изменяет его структуру, делая пористым и рыхлым.

Правда, любой химик вам скажет: гасить соду вовсе не обязательно. При температуре от 60 градусов (а лучше 200) происходит разложение соды на карбонат натрия, воду и всё тот же углекислый газ. Однако реакция будет проходить несколько хуже, чем при гашении соды, а значит, хуже может оказаться и вкус готовых изделий из теста.

Варка курицы и пельменей

Явление: гидростатика — закон Архимеда.

Приготовившись сварить курицу, мы наполняем кастрюлю водой примерно наполовину или на три четверти — в зависимости от размера курицы. Погружённая в кастрюлю курица заметно уменьшается в весе, а вода поднимается к краям кастрюли. Это явление объясняется выталкивающей силой, или законом Архимеда. В этом случае на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объёме погружённой части тела. Тот же принцип действует и при варке пельменей. Они вытеснят часть воды наверх ровно в том объёме, который занимают сами.

Собственно, свой закон Архимед придумал, занимаясь будничным делом — принимая ванну. Легенда гласит, что нагой Архимед бежал по улице и кричал «Эврика!» («Нашёл!»).

Проверка агрегатного состояния яиц

Явление: сохранение момента импульса.

Если раскрутить покрытое скорлупой варёное и сырое яйцо, то первое начнёт вращаться, а второе останется неподвижным. Всё потому, что внутри сырого яйца есть жидкость. Постоянно смещающийся внутри центр тяжести быстро замедляет вращение. У варёного же яйца центр тяжести остаётся в одной точке.

Добавляя при варке яиц соль, можно запустить химический процесс. Оказывается, именно в солёной воде белок «свёртывается» быстрее. Такая мгновенная реакция предотвращает яйца от растрескивания в кипятке.

Опускать яйца вариться именно в холодную воду тоже надо из научных соображений. Вещества, содержащиеся в яйце, при охлаждении сжимаются по-разному: белок уменьшается в объёме гораздо существеннее, чём скорлупа. Тогда мембрана, окружающая белок, отрывается от внутренней поверхности скорлупы и легко отходит.

Работа микроволновой печи

Явление: электромагнитное излучение.

Обычная микроволновая или СВЧ-печь с точки зрения физики носит устрашающее название — магнетрон. Это основной элемент каждой микроволновки, по сути, вакуумная лампа, которая создаёт СВЧ-излучение частотой 2,45 ГГц. Такое излучение необычно воздействует на обычную воду, которая содержится в любой пище, а также на молекулы жиров и сахара.

При облучении электромагнитными волнами эти молекулы начинают колебаться. Из-за этого между ними возникает трение, за счёт него выделяется тепло. Оно-то и разогревает пищу изнутри.

Расширим картину мира

Научный сотрудник Института прикладной физики РАН, популяризатор науки Артём Коржиманов, кандидат физико-математических наук:

«Конечно, окружающие нас бытовые приборы инженеры делают так, чтобы мы не разбирались особо, как это всё действует. Мы приходим в магазин, покупаем вещь, в случае поломки несем её в мастерскую. Но знание, как всё это устроено, в некотором смысле расширяет наши потребительские возможности — например, по управлению автомобилем, выбору марки машины. Если вы понимаете, как это работает, вы сможете более обоснованно и аргументированно сделать покупку. Это экономит время и деньги.

Знание, как вселенная устроена с точки зрения физических и химических явлений, расширяет картину мира, делает её более полной. Такая информация позволяет нам быть более мобильными в восприятии всего нового. Потом, просто понимая, что гроза — это электричество, можно обезопасить себя от неё».

Интересный факт

В быту мы часто сталкиваемся со статическим электричеством. Именно из-за него во все стороны торчат волосы после соприкосновения с пластиковой расчёской, «трещат» и липнут к телу синтетические вещи.

Если рассматривать эффект с физической точки зрения, то это самопроизвольно образующийся электрический заряд, возникающий из-за трения поверхностей друг о друга. Причиной тому — соприкосновение двух различных веществ самого диэлектрика. Атомы одного вещества отрывают электроны другого. После их разъединения каждое из тел сохраняет свой разряд, но при этом разность потенциалов растёт.

Электростатический разряд происходит при очень высоком напряжении и чрезвычайно низких токах. Они не дают статическому заряду нанести человеку вред после мгновенного разряда.

Статическое электричество отлично снимает обычная вода. Вода — хороший проводник и при небольшом начальном напряжении «принимает» весь заряд на себя.

лекция Александра Королева в «Сириусе»

В «Сириусе» в рамках работы профильных инженерно-математических классов сочинским школьникам провел лекцию Александр Королев, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН (ИФМ УрО РАН). Тема встречи – основы физики магнитных явлений и кривая намагничивания.

«Лекцию я начал с того, что многие ученые, прежде всего физики, говорят, что уровень цивилизации определяется уровнем потребляемой энергии», – отметил Александр Королев.

Метод измерения технологического развития цивилизации, основанного на количестве энергии, которое она может использовать для своих нужд, называют Шкалой Кардашева. Эта величина – явление чисто гипотетическое, даже спорное, однако оно отражает энергопотребление цивилизации в космической перспективе.

«А физика магнитных явлений, о которой я рассказывал, – это научная область, которая обеспечила нам рывок в потреблении энергии. Чтобы энергию потреблять, ее надо еще и производить. Так вот, производство электроэнергии можно датировать XIX веком, временем открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции – основы современного промышленного производства электричества и многих его применений», – продолжил ученый.

Из лекции Александра Королева школьники узнали, что такое магнитные весы Фарадея (индукционный магнитометр, предназначенный для измерения магнитных свойств материалов), обсудили основные идеи и опыты магнитной левитации (метод подъема объекта с помощью лишь магнитного поля) и  подробно прошлись по понятиям диа- и парамагнетизма.

«Во времена английского физика Уильяма Гильберта и вплоть до научных открытий Фарадея вещества делили на магнитные (образец притягивается к магниту) и немагнитные (образец не притягивается к магниту). Фарадей показал, что все вещества являются магнитными и могут быть: а) диамагнитными (образец вещества отталкивается от магнита), б) парамагнитными (притягивается) и в) ферромагнитными (сильно притягивается)», – рассказал Королев.

Измерить зависимость намагниченности или магнитной индукции от напряженности магнитного поля можно с помощью специальной кривой.  

«Намагниченность может зависеть от разных факторов. И когда мы ее изучаем, причем с помощью самого простейшего графика, мы получаем массу информации. Например, о том, как сделать магнитный материал (он может быть разным и представлять из себя сплавы, химические соединения, жидкости, твердые вещества). Мы начнем понимать, как собрать генератор или двигатель. Возможности огромные», – отметил педагог.

По словам спикера, физику магнитных явлений можно считать не только существенной составляющей современных представлений о природе, но и основой технической оснащенности нашей цивилизации.

«Кривая намагничивания являлась и является добротным и универсальным инструментом для закладки фундамента и развития этой мощной науки», – подытожил Александр Королев.

Free Online Course: Физика в опытах. Часть 3. Колебания и молекулярная физика from Coursera

Наглядно – интересно – просто – понятно!
Данный курс представляет собой серию физических опытов и экспериментов по теории колебаний и основам молекулярной физики. Демонстрацию физических явлений проводит легендарная личность, незаурядный преподаватель, доцент кафедры общей физики НИЯУ МИФИ — Валериан Иванович Гервидс, который доступно и наглядно объясняет основные принципы и законы общей физики.

Зачем учить этот курс?
• Физика – наука экспериментальная. Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать или прочитать!
• Именно эксперименты позволяют продемонстрировать и легко понять и простые, и сложные аспекты, которые традиционно преподаются в виде теоретического материала и математических моделей
• Курс поможет Вам научиться использовать:
o эксперимент как способ постановки вопроса,
o эксперимент как инструмент изучения физического явления
o эксперимент как форму ответа на вопрос
• Очень часто достаточно «простые» физические вопросы имеют неожиданные ответы, которые зависят от конкретных условий проведения эксперимента. Демонстрация таких опытов и объяснение полученных в них результатов могут оказаться чрезвычайно интересными
• Вы сможете увидеть применение изучаемых физических явлений в жизни, в технике и в быту
• Изучая этот курс, вы восполните нехватку времени на экспериментальную, «живую» физику, которая ощущается в обычном учебном процесс

Чему учит этот курс?
• Пониманию широкого круга как простых, так и сложных физических явлений и процессов по тематике соответствующих разделов
• Применению физических закономерностей для анализа различных физических явлений и процессов
• Навыкам использования эксперимента
• Базовым знаниям по физике будущих инженеров и специалистов в различных областях деятельности.

Для кого этот курс?
• Для тех, кто изучает физику, и хочет прояснить для себя различные вопросы (в школе, в вузе)
• Для тех, кто преподает физику (в школе, в вузе)
• Для тех, кто использует физику в своем рабочем процессе (инженеры, программисты и т.д.)
• Для тех, кому это просто интересно

1. Физические тела. Физические явления

1. Укажите, что относится к понятию «физическое тело», а что к понятию «вещество»: самолет, космический корабль, медь, авторучка, фарфор, вода, автомобиль.
Физическое тело — самолет, космический корабль, авторучка.
Вещество — медь, фарфор, вода.

2. Приведите примеры следующих физических тел: а) состоящих из одного и того же вещества; б) состоящих из различных веществ одинакового названия и назначения.
а) Из одного вещества: стол, карандаш, стул — из дерева,
б) Из различных веществ: пластиковая и стеклянная бутылка.

3. Назовите физические тела, которые могут быть сделаны из стекла, резины, древесины, стали, пластмассы.
Стекло: колба лампы, бутылка.
Резина: покрышка, воздушный шарик.
Древесина: дверь, паркет.
Сталь: резец, лезвие ножа.
Пластмасса: корпус шариковой ручки, калькулятора.

4. Укажите вещества, из которых состоят следующие тела: ножницы, стакан, футбольная камера, лопата, карандаш.
Ножницы — сталь; стакан — стекло; футбольная камера — резина; лопата — сталь; карандаш — дерево.

5. Начертите в тетради таблицу и распределите в ней следующие слова: свинец, гром, рельсы, пурга, алюминий, рассвет, буран, Луна, спирт, ножницы, ртуть, снегопад, стол, медь, вертолет, нефть, кипение, метель, выстрел, наводнение.

6. Приведите примеры механических явлений.
Механические явления: падение тела, колебание маятника.

7. Приведите примеры тепловых явлений.
Тепловые явления: таяние снега, кипение воды.

8. Приведите примеры звуковых явлений.
Звуковые явления: гром, свист милиционера.

9. Приведите примеры электрических явлений.
Электрические явления: молния, искра свечи зажигания.

10. Приведите примеры магнитных явлений.
Магнитные явления: взаимодействие двух магнитов, вращение стрелки компаса.

11. Приведите примеры световых явлений.
Световые явления: свет лампочки, северное сияние.

12. Предлагаемую ниже таблицу начертите в тетради и впишите слова, относящиеся к механическим, звуковым, тепловым, электрическим, световым явлениям: шар катится, свинец плавится, холодает, слышны раскаты грома, снег тает, звезды мерцают, вода кипит, наступает рассвет, эхо, плывет бревно, маятник часов колеблется, облака движутся, гроза, летит голубь, сверкает молния, шелестит листва, горит электрическая лампа.

13. Назовите два-три физических явления, которые наблюдаются при выстреле из пушки.
Полет снаряда, звук выстрела и взрыв пороха.

Физический феномен | Уэслианский университет Огайо

Физический феномен

Уэслианский студент из Огайо изучает науку, лежащую в основе Josephson Junctions

Коул Хэтчер

Дэйв Шайбе ’21

Имя: Дэйв Шайбе ’21
Родной город : Пало-Альто, Калифорния
Майор : Физика
Незначительный : Математика
Опыт взаимодействия с OWU : Летняя программа научных исследований Уэслиана в Огайо

Шайбе проводит 10 недель, изучая «Связанные нелинейные системы: физика массивов соединений Джозефсона» под руководством Брэда Треза , доктора философии. D., профессор физики и астрономии Ричардсон-Лайнбо из OWU. Шейб изучает джозефсоновские переходы, тип электронной схемы, состоящей из двух сверхпроводников, и выясняет, будут ли они синхронизироваться или повторно синхронизироваться в разных условиях.

«Наша работа также расширит объем знаний о нелинейных динамических системах и взаимодействии осцилляторов, — говорит Шайбе, — которые могут быть применены во многих научных дисциплинах, таких как физика, химия и биология».

Что я исследую

«По сути, мы исследуем поведение массивов так называемых ВЧ-СКВИДов или сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств», — говорит он.«Эти СКВИДы имеют колебательное поведение (повторяющееся движение), и мы фокусируемся на синхронизации и стабильности этих колебаний, когда СКВИДы помещаются в связанные массивы.

«Сможет ли система преодолеть небольшие возмущения и снова синхронизироваться, или возмущения со временем будут расти? Мы надеемся, что наш анализ устойчивости этих массивов с использованием различных значений параметров обеспечит лучшее понимание поведения ВЧ-СКВИДов и знание значений параметров, с которыми массивы должны быть изготовлены в зависимости от цели.

«СКВИДы очень чувствительны к магнитным полям и поэтому используются, например, в области биомагнетизма, где поля очень малы. Более того, высокочастотные сквиды в настоящее время рассматриваются как потенциальные компоненты для квантовых вычислений ».

Как мои исследования связаны с моими занятиями в OWU

«Доктор. Мы с деревьями пишем программы для моделирования изучаемых систем, а затем строим графики и анализируем данные, аналогично лабораторным занятиям, но на гораздо более высоком уровне. Чтобы понять, что означают данные, необходимы знания теории электромагнетизма, а процесс сбора данных включает дифференциальные уравнения и линейную алгебру.”

Как мои исследования связаны с моими планами на будущее

«Я хочу заниматься исследованиями в качестве карьеры, в частности, с упором на такие темы, как эта. Меня особенно интересует теория электромагнетизма, и на данный момент я хотел бы работать с полупроводниками или сверхпроводниками ».

Почему я выбрал Огайо Уэслиан

«Я хотел поехать в место с настоящим чувством общности, где люди поддерживали друг друга. Я посетил несколько кампусов колледжа, прежде чем принять решение, и OWU почувствовал себя самым гостеприимным.… Я хотел место маленькое и интимное, где я мог бы в любое время прийти к профессорам один на один, не только если у меня возникнут вопросы по курсовой работе, но и просто поговорить или попросить совета.

«Я не совсем образец гуманитарного образования, потому что на данный момент моя жизнь в значительной степени посвящена физике, и единственное, чем я занимаюсь помимо этого, — немецкий. Но я не был втянут в это, я выбрал это, и я ценю такой выбор.

«У меня есть друзья из разных дисциплин, и всегда интересно сравнивать то, что мы узнали.Я думаю, что в классе легко забыть о том, что все на самом деле связано и что на самом деле нет разделения по дисциплинам за пределами академических кругов, и чтобы по-настоящему понять что-то, вы должны исследовать это с разных сторон.

«В качестве примера я буду использовать физику, которую я знаю. Понимание концепций очень важно, но если вы не можете делать математику, чтобы применить концепции. вы никуда не денетесь. И если вы не знаете исторического контекста того, что привело к открытиям, и людей, участвовавших в этом, у вас будет неполное представление о теориях.А если вы не можете поделиться своими идеями и написать свои выводы в хорошо скомпонованных документах, никто не будет говорить о вашей работе.

«Я думаю, что цель The OWU Connection — показать людям, что простого изучения классов, необходимых для их специальности, недостаточно».

Мои планы после выпуска

«Планирую поступить в аспирантуру и получить степень доктора физики. После этого я хотел бы стать исследователем и мог бы стать профессором — хотя на данный момент это кажется безумной идеей, поскольку я не чувствую себя достаточно квалифицированным, чтобы кого-то чему-то учить.Конечно, после получения докторской степени я бы стал, но пока это странная идея ».

Физика: Введение | Физика

Задачи обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните разницу между принципом и законом.
• Объясните разницу между моделью и теорией.

Рис. 1. Формы полета перелетных птиц, таких как канадские казарки, регулируются законами физики.(кредит: Дэвид Меррет)

Физическая вселенная чрезвычайно сложна в деталях. Каждый день каждый из нас наблюдает за самыми разными предметами и явлениями. На протяжении веков любопытство человечества побуждало нас коллективно исследовать и каталогизировать огромное количество информации. От полета птиц до цветов цветов, от молнии до гравитации, от кварков до скоплений галактик, от течения времени до тайны создания Вселенной — мы задавали вопросы и собирали огромные массивы фактов.Учитывая все эти детали, мы обнаружили, что удивительно небольшой и унифицированный набор физических законов может объяснить то, что мы наблюдаем. Как люди, мы делаем обобщения и стремимся к порядку. Мы обнаружили, что природа удивительно кооперативна — она ​​демонстрирует лежащий в основе порядок и простоту , которую мы так ценим.

Это лежащий в основе порядок природы, который делает науку в целом и физику в частности такими приятными для изучения. Например, что общего между пакетом микросхем и автомобильным аккумулятором? Оба содержат энергию, которая может быть преобразована в другие формы.Закон сохранения энергии (который гласит, что энергия может менять форму, но никогда не теряется) связывает воедино такие темы, как пищевые калории, батарейки, тепло, свет и часовые пружины. Понимание этого закона позволяет легче узнать о различных формах, которые принимает энергия, и о том, как они соотносятся друг с другом. Очевидно несвязанные темы связаны через широко применимые физические законы, позволяющие понимание, выходящее за рамки простого запоминания списков фактов.

Объединяющий аспект физических законов и простота природы составляют основные темы этого текста.Научившись применять эти законы, вы, конечно же, изучите самые важные темы физики. Что еще более важно, вы приобретете аналитические способности, которые позволят вам применять эти законы далеко за пределами того, что можно включить в одну книгу. Эти аналитические навыки помогут вам преуспеть в учебе, а также помогут критически мыслить в любой профессиональной карьере, которую вы выберете. В этом модуле обсуждается область физики (чтобы определить, что такое физика), некоторые приложения физики (чтобы проиллюстрировать ее отношение к другим дисциплинам) и, более точно, что составляет физический закон (чтобы осветить важность экспериментов для теории).

Наука и сфера физики

Наука состоит из теорий и законов, которые являются общими истинами природы, а также совокупности знаний, которые они охватывают. Ученые постоянно пытаются расширить эту совокупность знаний и усовершенствовать выражение описывающих ее законов. Физика занимается описанием взаимодействий энергии, материи, пространства и времени, и особенно интересует, какие фундаментальные механизмы лежат в основе каждого явления.Забота об описании основных явлений в природе по существу определяет область физики .

Физика стремится описать функции всего, что нас окружает, от движения крошечных заряженных частиц до движения людей, автомобилей и космических кораблей. На самом деле, практически все, что вас окружает, можно довольно точно описать законами физики. Рассмотрим смартфон (рисунок 2). Физика описывает, как электричество взаимодействует с различными цепями внутри устройства.Эти знания помогают инженерам выбрать подходящие материалы и схему схемы при сборке смартфона. Затем рассмотрим систему GPS. Физика описывает взаимосвязь между скоростью объекта, расстоянием, на которое он проходит, и временем, которое требуется, чтобы пройти это расстояние. Когда вы используете устройство GPS в транспортном средстве, оно использует эти физические уравнения для определения времени в пути из одного места в другое.

Чтобы использовать физику, не нужно быть ученым. Напротив, знание физики полезно в повседневных ситуациях, а также в ненаучных профессиях.Это может помочь вам понять, как работают микроволновые печи, почему в них нельзя добавлять металлы и почему они могут повлиять на кардиостимуляторы. (См. Рис. 3.) Физика позволяет вам понять опасности излучения и более легко рационально оценить эти опасности. Физика также объясняет причину, по которой черный автомобильный радиатор помогает отводить тепло в двигателе автомобиля, и объясняет, почему белая крыша помогает сохранять прохладу внутри дома. Точно так же работу системы зажигания автомобиля, а также передачу электрических сигналов через нервную систему нашего тела гораздо легче понять, если подумать о них с точки зрения фундаментальной физики.

Физика является основой многих важных дисциплин и вносит непосредственный вклад в развитие других. Например, химия, поскольку она занимается взаимодействием атомов и молекул, уходит корнями в атомную и молекулярную физику. Большинство областей техники — это прикладная физика. В архитектуре физика лежит в основе структурной устойчивости и участвует в акустике, обогреве, освещении и охлаждении зданий. Части геологии в значительной степени полагаются на физику, например, радиоактивное датирование горных пород, анализ землетрясений и теплопередачу на Земле.Некоторые дисциплины, такие как биофизика и геофизика, представляют собой гибриды физики и других дисциплин.

Физика имеет множество приложений в биологических науках. На микроскопическом уровне это помогает описать свойства клеточных стенок и клеточных мембран (рис. 4 и рис. 5). На макроскопическом уровне это может объяснить тепло, работу и энергию, связанные с человеческим телом. Физика занимается медицинской диагностикой, такой как рентген, магнитно-резонансная томография (МРТ) и ультразвуковые измерения кровотока.Медикаментозная терапия иногда напрямую связана с физикой; например, радиотерапия рака использует ионизирующее излучение. Физика также может объяснить сенсорные явления, например, как музыкальные инструменты издают звук, как глаз определяет цвет и как лазеры могут передавать информацию.

Необязательно формально изучать все приложения физики. Что наиболее полезно, так это знание основных законов физики и умение использовать аналитические методы их применения. Изучение физики также может улучшить ваши навыки решения проблем.Более того, физика сохранила самые основные аспекты науки, поэтому она используется всеми науками, а изучение физики облегчает понимание других наук.

Модели, теории и законы; Роль экспериментов

Законы природы — это краткие описания вселенной вокруг нас; это человеческие утверждения основных законов или правил, которым следуют все естественные процессы. Такие законы присущи Вселенной; люди не создавали их и поэтому не могут их изменить.Мы можем только их открыть и понять. Их открытие — это очень человеческое усилие, со всеми элементами тайны, воображения, борьбы, триумфа и разочарования, присущего любому творческому усилию. (См. Рисунок 6 и рисунок 7.) Краеугольным камнем открытия законов природы является наблюдение; наука должна описывать Вселенную такой, какая она есть, а не такой, какой мы можем ее себе представить.

Все мы в некоторой степени любопытны. Мы оглядываемся, делаем обобщения и пытаемся понять то, что видим — например, мы смотрим вверх и задаемся вопросом, сигнализирует ли один тип облаков о надвигающейся буре.По мере того, как мы серьезно относимся к изучению природы, мы становимся более организованными и формальными в сборе и анализе данных. Мы стремимся к большей точности, проводим контролируемые эксперименты (если можем) и записываем идеи о том, как данные могут быть организованы и объединены. Затем мы формулируем модели, теории и законы на основе данных, которые мы собрали и проанализировали, чтобы обобщить и сообщить результаты этих экспериментов.

Модель представляет собой представление чего-то, что часто слишком сложно (или невозможно) отобразить напрямую.Хотя модель подтверждается экспериментальным доказательством, она точна только в ограниченных ситуациях. Примером может служить планетарная модель атома, в которой электроны изображаются вращающимися вокруг ядра, аналогично тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. (См. Рис. 8.) Мы не можем наблюдать электронные орбиты напрямую, но мысленный образ помогает объяснить наблюдения, которые мы можем сделать, например, излучение света горячими газами (атомные спектры). Физики используют модели для самых разных целей. Например, модели могут помочь физикам анализировать сценарий и выполнять вычисления, или их можно использовать для представления ситуации в форме компьютерного моделирования.Теория — это объяснение закономерностей в природе, подтвержденное научными данными и многократно подтвержденное различными группами исследователей. Некоторые теории включают модели, помогающие визуализировать явления, а другие — нет. Теория гравитации Ньютона, например, не требует модели или мысленного образа, потому что мы можем наблюдать объекты непосредственно нашими собственными чувствами. С другой стороны, кинетическая теория газов — это модель, в которой газ рассматривается как состоящий из атомов и молекул.Атомы и молекулы слишком малы, чтобы их можно было наблюдать непосредственно нашими чувствами, поэтому мы мысленно представляем их, чтобы понять, что наши инструменты говорят нам о поведении газов.

Закон использует краткий язык для описания обобщенной закономерности в природе, которая подтверждается научными данными и повторными экспериментами. Часто закон можно выразить в виде одного математического уравнения. Законы и теории похожи в том, что они являются научными утверждениями, которые являются результатом проверенной гипотезы и поддерживаются научными доказательствами.Однако обозначение закон зарезервировано для краткого и очень общего утверждения, которое описывает явления в природе, такие как закон сохранения энергии во время любого процесса или второй закон движения Ньютона, который связывает силу, массу и ускорение по простому уравнению F = м a . Теория, напротив, представляет собой менее сжатое изложение наблюдаемых явлений. Например, теорию эволюции и теорию относительности нельзя выразить достаточно кратко, чтобы их можно было считать законом.Самая большая разница между законом и теорией состоит в том, что теория намного сложнее и динамичнее. Закон описывает отдельное действие, а теория объясняет целую группу связанных явлений. И если закон — это постулат, лежащий в основе научного метода, теория — это конечный результат этого процесса.

Менее широко применимые утверждения обычно называют принципами (например, принцип Паскаля, который применим только к жидкостям), но различие между законами и принципами часто проводится нечетко.

Модели, теории и законы

Модели, теории и законы используются, чтобы помочь ученым анализировать данные, которые они уже собрали. Однако часто после того, как модель, теория или закон были разработаны, они указывают ученым на новые открытия, которые они иначе не сделали бы.

Модели, теории и законы, которые мы иногда придумываем. подразумевают существование объектов или явлений, которые еще не наблюдаются. Эти предсказания — замечательные триумфы и дань уважения силе науки.Это основной порядок во Вселенной, который позволяет ученым делать такие впечатляющие прогнозы. Однако, если эксперимент не подтверждает наши предсказания, то теория или закон неверны, независимо от того, насколько они элегантны или удобны. Законы никогда нельзя узнать с абсолютной уверенностью, потому что невозможно провести все мыслимые эксперименты, чтобы подтвердить закон во всех возможных сценариях. Физики исходят из предположения, что все научные законы и теории действительны до тех пор, пока не будет обнаружен контрпример.Если качественный, поддающийся проверке эксперимент противоречит устоявшемуся закону, то закон должен быть изменен или полностью отменен.

Изучение науки в целом и физики в частности — это приключение, во многом напоминающее исследование неизведанного океана. Сделаны открытия; формулируются модели, теории и законы; и красота физической вселенной становится более возвышенной благодаря полученным знаниям.

Научный метод

По мере того, как ученые исследуют и собирают информацию о мире, они следуют процессу, называемому научным методом .Этот процесс обычно начинается с наблюдения и вопроса, который исследует ученый. Затем ученый обычно проводит некоторое исследование по теме, а затем разрабатывает гипотезу. Затем ученый проверит гипотезу, проведя эксперимент. Наконец, ученый анализирует результаты эксперимента и делает вывод. Обратите внимание, что научный метод может применяться во многих ситуациях, которые не ограничиваются наукой, и этот метод можно модифицировать в зависимости от ситуации.

Рассмотрим пример. Допустим, вы пытаетесь включить машину, но она не заводится. Вы, несомненно, задаетесь вопросом: почему машина не заводится? Чтобы ответить на этот вопрос, вы можете воспользоваться научным методом. Во-первых, вы можете провести небольшое исследование, чтобы определить различные причины, по которым автомобиль не заводится. Далее вы сформулируете гипотезу. Например, вы можете подумать, что автомобиль не заводится, потому что в нем нет моторного масла. Чтобы проверить это, вы открываете капот автомобиля и проверяете уровень масла.Вы замечаете, что уровень масла находится на приемлемом уровне, и, таким образом, делаете вывод, что уровень масла не способствует возникновению проблемы с вашим автомобилем. Для дальнейшего устранения проблемы вы можете придумать новую гипотезу для проверки, а затем повторить процесс снова.

Эволюция естественной философии в современную физику

Физика не всегда была отдельной дисциплиной. Он по сей день связан с другими науками. Слово физика происходит от греческого языка, что означает природа.Изучение природы стало называться «натурфилософией». С древних времен до эпохи Возрождения натурфилософия охватывала множество областей, включая астрономию, биологию, химию, физику, математику и медицину. За последние несколько столетий рост знаний привел к постоянно растущей специализации и разветвлению натурфилософии на отдельные области, при этом физика сохранила самые основные аспекты. (См. Рисунок 9, рисунок 10 и рисунок 11.) Физика в том виде, в котором она развивалась с эпохи Возрождения до конца XIX века, называется классической физикой .Революционные открытия, сделанные в начале 20 века, превратили ее в современную физику.

Классическая физика не является точным описанием Вселенной, но это отличное приближение при следующих условиях: Материя должна двигаться со скоростью менее 1% скорости света, объекты, с которыми приходится иметь дело, должны быть достаточно большими, чтобы быть При наблюдении под микроскопом могут быть задействованы только слабые гравитационные поля, такие как поле, создаваемое Землей.Поскольку люди живут в таких условиях, классическая физика кажется интуитивно разумной, в то время как многие аспекты современной физики кажутся странными. Вот почему модели так полезны в современной физике — они позволяют нам концептуализировать явления, которые мы обычно не испытываем. Мы можем относиться к моделям в человеческих терминах и визуализировать, что происходит, когда объекты движутся с высокой скоростью, или представлять себе, какими могут быть объекты, слишком маленькие для наблюдения нашими чувствами. Например, мы можем понять свойства атома, потому что можем представить его в уме, хотя мы никогда не видели атом своими глазами.Новые инструменты, конечно же, позволяют нам лучше представить явления, которые мы не видим. Фактически, новые приборы позволили нам в последние годы фактически «изобразить» атом.

Пределы законов классической физики

Для применения законов классической физики должны быть соблюдены следующие критерии: материя должна двигаться со скоростью менее 1% скорости света, объекты, с которыми приходится иметь дело, должны быть достаточно большими, чтобы их можно было увидеть в микроскоп, и могут быть задействованы только слабые гравитационные поля (такие как поле, создаваемое Землей).

Некоторые из самых выдающихся достижений науки были сделаны в современной физике. Многие законы классической физики были изменены или отвергнуты, что привело к революционным изменениям в технологиях, обществе и нашем взгляде на Вселенную. Как и научная фантастика, современная физика наполнена увлекательными объектами, выходящими за рамки нашего обычного опыта, но у нее есть преимущество перед научной фантастикой в ​​том, что она очень реальна. Почему же тогда большая часть этого текста посвящена темам классической физики? Есть две основные причины: классическая физика дает чрезвычайно точное описание Вселенной в широком диапазоне повседневных обстоятельств, а знание классической физики необходимо для понимания современной физики.

Современная физика сама по себе состоит из двух революционных теорий, теории относительности и квантовой механики. Эти теории имеют дело с очень быстрым и очень маленьким соответственно. Относительность необходимо использовать всякий раз, когда объект движется со скоростью более 1% от скорости света или испытывает сильное гравитационное поле, например, около Солнца. Квантовая механика необходимо использовать для объектов меньшего размера, чем можно увидеть в микроскоп. Комбинация этих двух теорий составляет релятивистской квантовой механики, и описывает поведение небольших объектов, движущихся с высокими скоростями или испытывающих сильное гравитационное поле.Релятивистская квантовая механика — лучшая универсально применимая теория, которая у нас есть. Из-за своей математической сложности она используется только при необходимости, а другие теории используются всякий раз, когда они дадут достаточно точные результаты. Однако мы обнаружим, что можем многое сделать в современной физике с помощью алгебры и тригонометрии, используемых в этом тексте.

Проверьте свое понимание

Друг рассказал вам, что узнал о новом законе природы. Что вы можете узнать об этой информации еще до того, как ваш друг опишет закон? Чем изменилась бы информация, если бы ваш друг сказал вам, что он изучил научную теорию, а не закон?

Решение

Не зная подробностей закона, вы все равно можете сделать вывод, что информация, которую узнал ваш друг, соответствует требованиям всех законов природы: это будет краткое описание вселенной вокруг нас; изложение основных правил, которым следуют все естественные процессы.Если бы информация была теорией, вы могли бы сделать вывод, что информация будет крупномасштабным, широко применимым обобщением.

Исследования PhET: Уравнение

Узнайте о графических полиномах. Форма кривой изменяется по мере настройки констант. Просмотрите кривые для отдельных членов (например, y = bx ), чтобы увидеть, как они складываются для создания полиномиальной кривой.

Щелкните, чтобы запустить моделирование.

Сводка раздела

• Наука стремится открыть и описать лежащий в основе порядок и простоту в природе.
• Физика — самая фундаментальная из наук, занимающаяся энергией, материей, пространством и временем, а также их взаимодействием.
• Научные законы и теории выражают общие истины природы и совокупность знаний, которые они охватывают. Эти законы природы — правила, которым, кажется, следуют все естественные процессы.

Концептуальные вопросы

1. особенно полезны в теории относительности и квантовой механике, где условия выходят за рамки тех, с которыми обычно сталкиваются люди.Что такое модель?

2. Чем модель отличается от теории?

3. Если две разные теории одинаково хорошо описывают экспериментальные наблюдения, можно ли сказать, что одна более достоверна, чем другая (при условии, что обе используют общепринятые правила логики)?

4. Что определяет обоснованность теории?

5. Чтобы верить измерению или наблюдению, необходимо выполнить определенные критерии. Обязательно ли критерии будут такими же строгими для ожидаемого результата, как и для неожиданного результата?

6.Может ли срок действия модели быть ограниченным или он должен быть универсальным? Как это соотносится с требуемой обоснованностью теории или закона?

7. При определенных обстоятельствах классическая физика является хорошим приближением к современной физике. Кто они такие?

8. Когда необходимо для использования релятивистской квантовой механики?

9. Можно ли с помощью классической физики точно описать спутник, движущийся со скоростью 7500 м / с? Объясните, почему да или почему нет.

Глоссарий

классическая физика:

физика, которая развивалась с эпохи Возрождения до конца 19 века

физика:

наука, занимающаяся описанием взаимодействий энергии, материи, пространства и времени; его особенно интересует, какие фундаментальные механизмы лежат в основе каждого явления

модель:

представление того, что часто слишком сложно (или невозможно) отобразить напрямую

теория:

объяснение закономерностей в природе, подтвержденное научными данными и многократно подтвержденное различными группами исследователей

закон:

описание, используя краткий язык или математическую формулу, обобщенную закономерность в природе, которая подтверждается научными данными и повторными экспериментами

научный метод:

метод, который обычно начинается с наблюдения и вопроса, который исследует ученый; затем ученый обычно проводит некоторое исследование по теме, а затем разрабатывает гипотезу; затем ученый проверит гипотезу, проведя эксперимент; наконец, ученый анализирует результаты эксперимента и делает вывод

современная физика:

Изучение теории относительности, квантовой механики или того и другого

относительность:

Изучение объектов, движущихся со скоростью, превышающей примерно 1% скорости света, или объектов, подверженных воздействию сильного гравитационного поля

квантовая механика:

исследование объектов меньшего размера, чем можно увидеть в микроскоп

Три странных квантовых явления, которые вы не осознавали, используя

За последнюю неделю, предшествовавшую сегодняшнему выпуску американского издания «Завтрак с Эйнштейном », я выделил некоторые повседневные явления, которые зависят от квантовой физики.Сегодня я хочу перевернуть все и сначала поговорить о некоторых квантовых явлениях и о том, как вы можете найти их проиллюстрированными в удивительно обычных действиях.

Абстрактный цвет размытия на каркасном сетевом фоне.

Гетти

Квантовое туннелирование : Одно из самых удивительных предсказаний квантовой физики с точки зрения нашей обычной интуиции о том, как должна работать физика, — это явление, известное как «туннелирование», при котором квантовые частицы имеют некоторую вероятность появиться в местах, которые , классически говоря, у них просто не хватает энергии, чтобы дотянуться.Мы говорим об этом с точки зрения прохождения энергетического барьера: частица, которая движется с некоторой полной энергией (кинетическая плюс потенциал), подходит к краю области, где взаимодействия с другими веществами могут создать потенциальную энергию, превышающую общую энергию, которую она имеет. имеется в наличии. Это должно заставить его развернуться, точно так же, как мяч, брошенный в воздух, не может подняться выше высоты, на которой его потенциальная энергия из-за гравитации Земли равна кинетической энергии, с которой он был брошен. Но если на дальней стороне барьера есть еще одна свободная область, квантовая механика говорит нам, что у нее есть некоторая (крошечная) вероятность оказаться там, как если бы она прошла через какой-то магический туннель с одной стороны на другую.

Странно созерцать это с повседневными предметами — собака не собирается проложить квантовый туннель через забор во двор соседей (хотя плохая собака могла бы классически прокладывать туннель через грязь под забором …). Однако это имеет удивительно прямое приложение к повседневной технологии в виде детектора дыма. Один из двух основных процессов, используемых для создания современных дымовых извещателей, использует небольшое количество радиоактивного америция для ионизации молекул воздуха, создавая постоянный поток тока между двумя пластинами внутри извещателя.Когда тяжелые частицы дыма попадают в область между пластинами, они также ионизируются излучением, но слишком тяжелы, чтобы отразиться на пластинах, и ток падает, вызывая тревогу.

Конкретный канал распада, который делает америций полезным для этого приложения, — это «альфа-распад», в котором очень тяжелое ядро ​​распадается, выплевывая ядро ​​гелия: два протона и два нейтрона, тесно связанных друг с другом. Этот процесс изначально казался загадочным, потому что энергия испускаемой альфа-частицы намного ниже, чем энергия, необходимая для выстрела альфа-частицы в ядро ​​.Тем не менее колоритный русский теоретик Георгий Гамов понял, что это именно то, что вы ожидаете от квантового туннелирования: вы можете думать о ядре как о совокупности альфа-частиц, удерживаемых внутри ядра без достаточной энергии для побега, но благодаря квантовому туннелированию у них есть крошечный шанс на побег.

Вероятность действительно крошечная — период полураспада америция составляет несколько сотен лет, и оценка того, сколько раз альфа внутри ядра столкнется с барьером в попытке покинуть его, составляет примерно 10 ²⁰ в секунду. .Однако процесс работает, и поэтому квантовая физика играет важную роль в защите ваших вещей.

Желтые линзы бликов

Гетти

Фотоны : Частичная природа света, которая, как было окончательно доказано, имеет волновую природу в начале 1800-х годов, была одной из самых спорных особенностей квантовой физики после того, как ее представили Макс Планк и Альберт Эйнштейн. Даже Нильс Бор, чья квантовая модель атома стала революционным прорывом в классической физике, неохотно принимал «световые кванты» и пытался заставить чисто волновую модель света хорошо работать в квантовую эру.Однако в наши дни квантовая картина света как частицы не только принята, но и важна для технологии, позволяющей просматривать фотографии кошек в Интернете.

Частица света играет важную роль в процессе фотосъемки, подобно фотоэлектрическому эффекту, явлению, которое Эйнштейн предложил решить с помощью модели частиц. Энергия, содержащаяся в одной частице света, используется для выведения электрона из энергетического состояния, в котором он связан внутри чипа детектора, до состояния, в котором он может свободно перемещаться.Эти свободные электроны собираются внутри датчика, и количество электронов в каждом пикселе позволяет измерить количество света, попадающего на этот пиксель. Таким образом, фотографирование кошек — это квантовый процесс.

Волоконная оптика синего цвета, крупный план на фоне Ethernet и клавиатуры, тёплые блики от линз

Гетти

Аппарат , отправляющий этих изображений, также основан на частицах света, потому что современные телекоммуникационные сети полагаются на световые импульсы, посылаемые по оптическим волокнам.Эти импульсы производятся лазерами, работа которых была бы невозможна без квантового взаимодействия между светом и веществом. Слово «лазер» начало свою жизнь как аббревиатура от «Усиление света за счет вынужденного излучения излучения», а «стимулированное излучение» — это процесс, впервые описанный Эйнштейном, когда одиночный фотон света, сталкивающийся с атомом в высокоэнергетическом состоянии, будет побудить этот атом испустить второй идентичный фотон. Повторите этот процесс достаточно раз, и вы получите лазер: огромное количество фотонов (дешевая лазерная указка, вероятно, излучает что-то вроде 10 ¹⁵ фотонов в секунду) с одинаковой длиной волны, движущихся в одном направлении.Это именно то, что вам нужно, чтобы объединить свет в оптическое волокно и посылать цифровые сигналы по всему миру.

Каждый раз, когда вы открываете браузер и просматриваете последние фотографии домашних животных с ваших любимых сайтов по повышению морального духа (или читаете сообщение в блоге о физике), вы дважды используете квантовую природу света.

Взаимодействие абстрактных фрактальных форм на предмет ядерной физики. Столкновение элементарных … [+] частиц. Взаимодействие физических частиц.Колебания квантового вакуума.

Гетти

Принцип неопределенности : В сообщении о спине электрона я упомянул, что продолжающееся существование твердых объектов в конечном итоге связано с принципами исключения Паули, странным явлением, связанным со спином, которое не позволяет нескольким электронам занимать одно и то же состояние. Это вынуждает их перейти в состояние с несколько более высокой энергией, чем они могли бы занимать в противном случае, и предотвращает взрыв твердых объектов в бесконечно малые точки с бесконечной отрицательной потенциальной энергией.

Эффект вращения — это то, что заставляет энергию перебарщивать, но основная часть работы выполняется более простым квантовым эффектом, одним из немногих, получивших известность за пределами физики: принципом неопределенности Гейзенберга. Это говорит о том, что существует предел того, насколько хорошо мы можем знать дополнительные пары свойств квантовых объектов, наиболее известные из которых — положение и импульс. Если мы уменьшаем неопределенность положения некоторой частицы, мы должны иметь соответствующее увеличение неопределенности ее импульса, и наоборот.

Этот компромисс означает, что ограничение некоторой частицы в небольшой области пространства (таким образом уменьшая неопределенность ее положения) обязательно увеличит ее энергию (поскольку неопределенность импульса возрастает, и в среднем она будет иметь более высокий импульс и, следовательно, более высокую энергию. ). Эта повышающая энергию взаимосвязь неопределенности составляет большую часть (но не всю!) Энергии, необходимой для предотвращения взрыва твердых объектов.

Авторские копии американского издания ЗАВТРАКА С ЭЙНШТЕЙНОМ.

Чад Орзел

Эти идеи — туннелирование, фотоны и квантовая неопределенность — являются характерными «странными» явлениями из квантовой физики и занимают важное место среди тех моментов, которые люди, не знакомые с теорией, пытаются понять, потому что они кажутся далекими от повседневного мира. Однако оказывается, что все они необходимы для процессов, которые являются частью обычной жизни, показывая, что квантовая физика окружает вас, если вы знаете, где искать.

(Если вы хотите увидеть эти и другие явления, обсуждаемые более подробно, возьмите копию Завтрак с Эйнштейном , доступную сейчас везде, где вы покупаете книги…)

10 причудливых физических явлений — Listverse

Мы часто воспринимаем наш повседневный опыт жизни на Земле как должное, но каждый момент множество сил контролируют нашу жизнь. Есть удивительное количество необычных, противоречивых или еще не объясненных принципов физики, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. В увлекательном обзоре физических явлений, которые необходимо знать, мы откроем для себя часто встречающиеся явления, которые остаются загадкой, причудливые силы, которые мы не осознаем, и то, как научная фантастика может стать реальностью посредством манипуляции со светом.

10 Wind Chill

Наше мнение о температуре довольно субъективно. Влажность, индивидуальная физиология и даже наше настроение могут изменить наше восприятие высоких и низких температур. То же самое и с холодным ветром: температура, которую мы обычно ощущаем, не является истинной температурой. Воздух, непосредственно окружающий человеческое тело, согревается теплом тела и остается вокруг тела как своего рода «воздушный покров». Эта изолирующая воздушная подушка действительно согревает людей. Когда ветер дует на вас, воздушная подушка сдувается, и вы подвергаетесь действительной температуре, которая кажется намного холоднее.Холодный ветер действует только на те объекты, которые выделяют тепло.

9 Чем быстрее ты идешь, тем сильнее ударишь

Люди склонны мыслить линейными концепциями, во многом благодаря некоторым общим принципам наблюдения; если одна капля дождя весит 50 миллиграммов, две капли должны весить около 100 миллиграммов. Однако силы, контролирующие нашу Вселенную, часто придерживаются более экспоненциальной модели реакции, которая следует за распределением мощности. Объект, движущийся со скоростью 40 километров в час, ударится о стену с соответствующей степенью энергии.Если вы удвоите скорость объекта до 80 километров в час, сила удара увеличится не вдвое, а в четыре раза. Этот принцип объясняет, почему аварии на шоссе гораздо более разрушительны, чем аварии в городах.

8 Орбита просто постоянна Свободное падение

Спутники выделяются как заметное недавнее добавление к звездам, но мы редко когда-либо задумываемся о концепции орбиты. Мы знаем общую идею — объект вращается вокруг планеты или другого большого объекта в космосе и никогда не падает.Но причина, по которой происходит орбита, на удивление нелогична. Когда объект падает, он падает обратно на поверхность. Однако, если он достаточно высок и движется достаточно быстро, земля изгибается от него, прежде чем он сможет удариться. Тот же эффект предотвращает столкновение Земли с Солнцем.

7 Замораживание с помощью тепла

Вода — самая важная жидкость на Земле. Это также одно из самых загадочных и нелогичных соединений в природе. Например, одно из малоизвестных свойств воды заключается в том, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.Не совсем понятно, почему, но явление, известное как эффект Мпембы, было первоначально открыто Аристотелем более 3000 лет назад. Таинственный эффект был приписан целому ряду явлений, но он остается загадкой.

6 Давление воздуха

Сейчас на вас давит сверху 1000 килограммов воздуха, что эквивалентно весу небольшой машины. Это связано с тем, что атмосфера Земли на самом деле довольно тяжелая, и люди стоят на дне океана воздуха с атмосферным давлением 14.7 фунтов на квадратный дюйм. Мы приспособлены противостоять этому давлению и избегаем раздавливания, всасывая в наши тела воздух с одинаковым давлением. Однако непроницаемые предметы, такие как пластиковые бутылки, выпущенные на высоте, раздавливаются к тому моменту, когда достигают поверхности Земли.

5 Металлический водород

Водород — первый элемент в периодической таблице, что делает его самым простым элементом во Вселенной. Его атомный номер 1 означает, что у него только 1 протон, 1 электрон и нет нейтронов.Хотя водород известен как типичный газообразный элемент, он проявляет некоторые довольно специфические свойства, которые связывают его с щелочными металлами, а не с другими газами, такими как гелий. Водород расположен в столбце периодической таблицы чуть выше натрия, летучего металла, из которого состоит поваренная соль. Физики давно поняли, что водород ведет себя как металл при экстремальном давлении, например, в звездах и ядрах газовых планет-гигантов. Попытки получить это соединение на Земле были сопряжены с трудностями, но некоторые ученые считают, что они создали небольшие образцы путем обработки давлением с использованием кристаллов алмаза.

4 эффекта Кориолиса

Из-за относительно большого размера планеты люди не ощущают ее движения. Однако вращение Земли по часовой стрелке заставляет движущиеся в северном полушарии объекты слегка отклоняться по часовой стрелке в так называемой силе Кориолиса. Поскольку поверхность Земли движется с разной скоростью относительно атмосферы, несоответствие между вращением Земли и движением атмосферы приводит к тому, что объект, движущийся к северу, принимает энергию вращения Земли и начинает изгибаться. Восток.Противоположное происходит в южном полушарии. В результате навигационные системы должны компенсировать силу Кориолиса, чтобы избежать отклонения вправо или влево от цели.

3 Доплеровская динамика

Звук может показаться независимым явлением, но наше восприятие звуковых волн зависит от скорости. Австрийский физик Кристиан Доплер обнаружил, что когда движущийся объект, такой как сирена, излучает звуковые волны, волны сгруппируются перед объектом и рассеиваются за ним.Это индуцированное волновое возмущение, известное как эффект Доплера, заставляет звук приближающегося объекта повышаться по высоте из-за сокращения длины волны. Когда объект проходит, уходящие волны расширяются и воспринимаются ниже по высоте. Эффект Доплера также проявляется в скоплении волн перед кораблем и в рассеивающемся следе.

2 Сублимация

Это будет апеллировать к логике, что химические вещества в процессе перехода из твердого состояния в газообразное должны пройти через жидкое состояние, прежде чем перейти в газообразное состояние.Однако в определенных ситуациях вода способна превращаться прямо из твердого тела в газ. Сублимация может заставить ледники раствориться в воздухе, поскольку линзовидная концентрация солнечного света превращает лед в пар. Точно так же металлические элементы, такие как мышьяк, могут фактически непосредственно переходить в газообразное состояние при нагревании с выделением токсичных паров. Вода может возгоняться при температурах ниже точки плавления при применении источника тепла.

1 Устройства маскировки

Быстро развивающиеся технологии превращают самые странные сюжеты научной фантастики в научные факты.Мы видим объекты только тогда, когда от них отражается свет, создавая изображение с диапазоном длин волн. Ученые давно предположили, что объекты можно сделать невидимыми, нарушив способ взаимодействия света с ними. Если свет может отклоняться от объекта, он может стать невидимым для человеческого глаза. Недавно теория стала реальностью, когда ученые создали прозрачную шестиугольную призму, которая отклоняла свет вокруг любого объекта внутри нее. При помещении в аквариум призма заставляла плыть в ней золотую рыбку, чтобы она становилась невидимой, а наземный плащ заставлял сельскохозяйственных животных исчезать с места.Эффект скремблирования работает по тем же принципам, которые делают самолеты-невидимки «невидимыми» для радаров.

Майк Уильямс — ярый последователь науки, страстно любящий необъяснимое или необычное. Его писательские интересы включают загадки и более загадочные аспекты естествознания.

Явление экзотической физики наблюдается впервые

Кредит: CC0 Public Domain

Экзотический физический феномен, связанный с оптическими волнами, синтетическими магнитными полями и обращением времени, был впервые непосредственно обнаружен после десятилетий попыток.По словам исследователей, новое открытие может привести к реализации так называемых топологических фаз и, в конечном итоге, к созданию отказоустойчивых квантовых компьютеров.

Новое открытие связано с неабелевым эффектом Ааронова-Бома, и о нем сообщается сегодня в журнале Science аспирант Массачусетского технологического института Йи Ян, приглашенный научный сотрудник Массачусетского технологического института Чао Пэн (профессор Пекинского университета), аспирант Массачусетского технологического института Ди Чжу, Профессор Хрвое Бульян из Загребского университета в Хорватии, профессор физики Фрэнсис Райт Дэвис из Массачусетского технологического института Джон Джоаннопулос, профессор Бо Жен из Пенсильванского университета и профессор физики Массачусетского технологического института Марин Солячич.

Открытие относится к калибровочным полям, которые описывают преобразования, которым подвергаются частицы. Калибровочные поля делятся на два класса: абелевы и неабелевы. Эффект Ааронова-Бома, названный в честь теоретиков, предсказавших его в 1959 году, подтвердил, что калибровочные поля — помимо чисто математической помощи — имеют физические последствия.

Но наблюдения работали только в абелевых системах или тех, в которых калибровочные поля коммутативны, то есть они происходят одинаково как вперед, так и назад во времени.В 1975 году Тай-Цун Ву и Чен-Нин Ян обобщили эффект на неабелев режим в виде мысленного эксперимента. Тем не менее оставалось неясным, возможно ли вообще когда-либо наблюдать этот эффект в неабелевой системе. У физиков не было способов создать эффект в лаборатории, а также не было способов обнаружить эффект, даже если он мог быть произведен. Теперь обе эти загадки решены, и наблюдения выполнены успешно.

Эффект связан с одним из странных и нелогичных аспектов современной физики, с тем фактом, что практически все фундаментальные физические явления не зависят от времени.Это означает, что детали того, как взаимодействуют частицы и силы, могут двигаться вперед или назад во времени, а фильм о том, как разворачиваются события, может быть запущен в любом направлении, поэтому нет никакого способа определить, какая версия является реальной. Но несколько экзотических явлений нарушают симметрию этого времени.

Создание абелевой версии эффектов Ааронова-Бома требует нарушения симметрии обращения времени, что само по себе является сложной задачей, говорит Солячич. Но для достижения неабелевой версии эффекта требуется несколько раз и разными способами ломать это обращение времени, что делает его еще более сложной задачей.

Для создания эффекта исследователи используют поляризацию фотона. Затем они произвели два разных типа взлома с обращением времени. Они использовали волоконную оптику для создания двух типов калибровочных полей, которые влияли на геометрические фазы оптических волн, во-первых, отправляя их через кристалл, смещенный мощными магнитными полями, а во-вторых, модулируя их изменяющимися во времени электрическими сигналами, оба из которых разрушаются симметрия относительно обращения времени.Затем они смогли создать интерференционные картины, которые выявили различия в том, как свет влиял на свет, проходящий через оптоволоконную систему в противоположных направлениях, по или против часовой стрелки. Без нарушения инвариантности к обращению времени лучи должны были быть идентичными, но вместо этого их интерференционные картины выявили определенные наборы различий, как и предсказывалось, демонстрируя детали неуловимого эффекта.

Первоначальная абелева версия эффекта Ааронова-Бома «наблюдалась в результате ряда экспериментальных усилий, но неабелев эффект до сих пор не наблюдался», — говорит Ян.Открытие «позволяет нам делать много вещей», — говорит он, открывая дверь для широкого спектра потенциальных экспериментов, включая классические и квантовые физические режимы, для изучения вариаций эффекта.

Экспериментальный подход, разработанный этой командой, «может вдохновить на реализацию экзотических топологических фаз в квантовом моделировании с использованием фотонов, поляритонов, квантовых газов и сверхпроводящих кубитов», — говорит Солячич. По его словам, для самой фотоники это может быть полезно в различных оптоэлектронных приложениях.Кроме того, неабелевы калибровочные поля, которые группа смогла синтезировать, вызвали неабелеву фазу Берри, и «в сочетании с взаимодействиями она потенциально может однажды стать платформой для отказоустойчивых топологических квантовых вычислений», — говорит он. .

На данный момент эксперимент представляет в первую очередь интерес для фундаментальных физических исследований с целью лучшего понимания некоторых основных основ современной физической теории. Многочисленные возможные практические применения «потребуют дополнительных прорывов в будущем», — говорит Солячич.

Во-первых, для квантовых вычислений эксперимент нужно было бы масштабировать от одного-единственного устройства до, вероятно, целой их решетки. И вместо лучей лазерного света, использованных в их эксперименте, потребовалось бы работать с источником одиночных отдельных фотонов. Но даже в нынешнем виде систему можно использовать для изучения вопросов топологической физики, которая является очень активной областью текущих исследований, говорит Солячич.

Исследования показывают экзотические квантовые состояния в двухслойном графене

Доп. Информация:
«Синтез и наблюдение неабелевых калибровочных полей в реальном пространстве» Science (2019).science.sciencemag.org/cgi/doi… 1126 / science.aay3183

Предоставлено
Массачусетский Институт Технологий

Ссылка :
Феномен экзотической физики наблюдается впервые (5 сентября 2019 г.)
получено 14 мая 2021 г.
с https: // физ.org / news / 2019-09-экзотика-физика-феномен.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

— Европейский журнал физики

Приглашенные редакторы

Джозеф А.Shaw MSU Bozeman / MT (США)
Michael Vollmer UAS Brandenburg (Германия)

У физиков и астрономов есть давняя традиция быть очень точными наблюдателями не только лабораторных экспериментов, но и окружающей нас природы. В 1937 году голландский астроном Марсель Миннаерт написал современную классику на эту тему, позже переведенную на английский и многие другие языки на тему «Свет и цвет в природе». Он вдохновил поколения ученых, любящих природу, выйти за рамки своей повседневной работы и изучить головоломки, возникающие в мире природы.

В большинстве наблюдений на открытом воздухе мы видим метеорологию, астрономию, географию, биологию, химию и физику в действии. Только в физике существует множество потенциальных природных явлений; подумайте о небесной механике (солнечные и лунные затмения), теплофизике (ледники, замораживание и таяние, гейзеры), акустике (гром), электромагнетизме (молнии и полярные сияния), оптике (радуги, ореолы, слава, миражи…) и многом другом.

Значение таких наблюдений для преподавания естественных наук огромно.Мы и наши ученики видим повседневные явления, такие как миражи или радуги, или более редкие события, такие как извержение гейзеров или солнечные затмения. Явления в природе часто привлекают внимание и вызывают интерес учителей. При правильном обучении студенты могут узнать, что даже сложные явления основаны на простых физических законах, и то, что применимо в мире природы, также применимо к нашему окружающему технологическому миру. Таким образом, преподавание физики в природе может способствовать преподаванию физики в целом.

Подчеркивая важность и актуальность этой темы на всех уровнях образования, этот сборник Focus On будет совместно опубликован журналами Physics Education и European Journal of Physics . Этот сборник будет дополнен списком несколько более старых статей в EJP и PED по связанным явлениям. Эти взносы помогут сформировать преподавание физики природы в средней школе ( Physics Education ) и на уровне высшего образования ( Eur.J. Phys ) и служат научным ресурсом для учителей физики любого профиля. Кроме того, говоря словами Миннарта, преподаватели физики также получат пользу:

«Никогда не думайте, что поэзия настроений природы во всем их бесконечном разнообразии потеряна для научного наблюдателя, потому что привычка наблюдать улучшает наше чувство прекрасного…»

Первые принятые взносы в сборник будут перечислены ниже, а дальнейшие добавления будут появляться на постоянной основе.

Физическое образование

Видео пейзажа во время полного затмения: яркость и эффекты затемнения к краю солнечного света

Майкл Дж. Руис 2019 Phys. Educ. 54 035001

Видео затемнения пейзажа за 15 мин до
представлена ​​совокупность полного солнечного затмения 21 августа 2017 г. и
обсуждали. Яркость сцен с интервалом в 1 мин.
получаются путем усреднения пиксельных данных кадров из видео.В
экспериментальные результаты сравниваются с теоретической моделью
равномерное сияние от экспонированной области Солнца во время
затмение. Измеренные значения отклоняются от модели, так как свет
от солнечного диска уменьшается к краям Солнца.

Синий — цвет (чистой) воды.

Майкл Фоллмер и Александр Мастард 2019 Phys. Educ. 54 045001

Вода может иметь разные цвета из-за различных
физические свойства.Здесь мы сосредоточимся на некоторых наблюдаемых цветах.
в очень чистой пресной воде. Мы лечим только поглощение света
из-за электронных и колебательных возбуждений и рассеяния из-за
к колебаниям показателя преломления воды и соответствующим
последствия для появления цветов.

Угол дорожного миража

Майкл Дж. Руис 2019 Phys. Educ. 54 065009

С пассажирского сиденья снимается мираж дорожного знака.
в машине, движущейся с постоянной скоростью по шоссе.Видео охватывает
продолжительность видения миража знака, просмотра
исчезновение миража по мере приближения машины и проезда по дороге
знак. Угол миража, определяемый как угол по отношению к
горизонтально в момент, когда наблюдатель отмечает исчезновение
мираж, можно определить по видео, скорость автомобиля и
известные размеры стандартного дорожного знака. Значение может быть
проверено по теоретической формуле с учетом погодных условий
темперамент и консультации по определению температуры
воздуха, контактирующего с дорожным покрытием.Соглашение между
наблюдение и теория находятся в пределах погрешности. в
заключение, сделана быстрая наблюдательная оценка в автомобиле
без видео.

Вихри, улавливающие материю: демонстрация в классе

T Тел et al 2020 Phys. Educ. 55 015007

При впрыскивании красителя в вихрь обнаруживается, что краситель остается
захватывается вокруг ядра вихря в течение нескольких минут, несмотря на то, что
вихрь (и окрашенная область) сильно зависят от времени.Согласно недавней теории, трехмерные зависящие от времени
вихри следует определять как вращающиеся, удерживающие материал области
жидкость. Вихри, создаваемые промышленными магнитными мешалками
по всей видимости, демонстрируют это свойство удерживания материала. Эти
эксперименты можно проводить с водопроводной водой и пищевым красителем в любом
школа. Они помогают студентам ознакомиться с содержащимся в них материалом.
характер вихрей. Это недавно поняли, скорее
прочный, свойственный, наблюдаемый также в вихрях, возникающих в
природа.

Оптическая корона и радужная оболочка: несколько простых практических занятий

H C Turner et al 2020 Phys. Educ. 55 064001

В этой статье мы выдвинули простую идею для демонстрации
облачная переливчатость. Мероприятие ориентировано на старшие классы начальной
школьников и старше, чтобы увидеть, что некоторые часто наблюдаемые оптические
явления в реальной жизни являются результатом дифракции через
капли на поверхности или в облаке.Мы используем пример полярного
стратосферные облака, демонстрирующие явление радужной оболочки.
Объясняется простая практическая деятельность, при которой сферические капли
в облаке моделируются маленькими стеклянными бусинами, подвешенными в
глупая шпатлевка, а эффект перелива возникает из-за неоднородной
распределение этих бусинок по размерам.

Изменение размеров геологического песчаника, вызванное смачиванием

Буркова Ирина и др. 2021 Phys.Educ. 56 034001

Наведенной сейсмичности в последнее время уделялось много внимания.
годы. Это новое природное явление возникло в результате активных
влияние человека на природу. Явление было обнаружено в
мест добычи природного газа и нефти, а также геологического хранения
CO
₂ . Одна из основных причин наблюдаемых сейсмических
активность связана с адсорбционной деформацией
горные породы. Приведены экспериментальные данные и простая модель, описывающая
адсорбционная деформация на примере Berea
песчаник.Предлагаем упрощенный эксперимент для студентов бакалавриата.
университетская лаборатория.

Европейский журнал физики

Моделирование форм ледников: введение

Валерио Фараони 2019 Eur. J. Phys. 40 025802

Обсуждаем модели локальной толщины ледников и льда.
колпачки.Предполагая идеально пластиковый лед, как это делалось в первые дни
гляциологии, возникают модели (представленные здесь), которые отражают некоторые
свойств ледников, но не восстанавливают реальных систем.
Реалистичное предположение, что лед следует закону Глена, относящемуся к
нелинейные скорости деформаций и напряжений — основа ледника
принятые в настоящее время профильные модели. Сравнение двух моделей — это
полезно для студентов-физиков, чтобы понять последствия
свойства материала, и студентам наук о Земле, чтобы противопоставить, и
лучше поймите, современные модели ледников.

Эксперимент с игрушечным гейзером: периодичность, условия работы и сопряжение

M Brandenbourger et al 2019 Eur. J. Phys. 40 025803

Естественный гейзер можно воспроизвести с помощью игрушечного эксперимента, состоящего из
бассейна с водой, расположенного над водохранилищем, причем эти два
соединены длинной и узкой трубкой. Когда нижний резервуар
нагревается, в системе могут возникать периодические извержения горячей воды
и пар наверху аналогично эффекту гейзера, происходящему в
природа.Проверена частота извержений игрушечного гейзера.
экспериментально в зависимости от мощности нагрева и высоты
установка. Мы предлагаем термодинамическую модель этой системы, которая
предсказывает время между извержениями. Фазовая диаграмма, которая принимает
учитывать тепловую энергию, передаваемую гейзеру и
геометрия была построена для игрушечного гейзера. Условия для
получить эффект гейзера. Исследование игрушки
Гейзер затем расширяется на случай двух резервуаров, соединенных с
та же трубка.Такая сопряженная система требует сложного времени.
эволюция, отражающая динамику природных гейзеров. Мы анализируем
поведение игрушечной газовой колонки с двумя резервуарами посредством
статистические инструменты и разработать теоретическую модель, чтобы
рационализировать наши наблюдения.

Замерзание озер зимой

M Vollmer 2019 Eur. J. Phys. 40 035101

Замерзание озер описывается упрощенной
одномерная модель, которая дает толщину льда, скорость роста льда,
и температура поверхности льда как функция времени.Данные модели для
конкретное озеро с известными метеорологическими условиями сравнивается с
оценка толщины льда с помощью простого оптического метода. Ну наконец то,
кратко обсуждаются проекты более продвинутых потенциальных студентов и
результаты численного решения сравниваются с упрощенным
модель.

Природные явления описываются одним и тем же уравнением

Валерио Фараони 2020 Eur. J. Phys. 41 054002

Несколько природных явлений управляются одним и тем же первым порядком
дифференциальное уравнение.Любопытно, что уравнение Фридмана
релятивистская космология имеет ту же форму, что позволяет использовать полезные
аналогии предстоит построить. Несколько приложений этого уравнения к
представлены явления, происходящие в природе.

Статьи по теме «Физика в природе» из журнала

Physics Education

Показать список товаров

Монитор солнечного ветра — школьный геофизический проект

Ян Робинсон 2018 Phys.Educ. 53 035017

Описанный геофизический проект по строительству
монитор солнечного ветра на основе феррозондового магнитометра с разрешением нТл.
Недорогой и подходящий от школы до университета.
включает в себя элементы астрофизики, геофизики, электроники,
программирование, компьютерные сети и обработка сигналов. Система
отслеживает поле Земли в режиме реального времени, загружая данные и
графики на веб-сайт каждые несколько минут.Модульный дизайн поощряет
строительство и тестирование командами студентов, а также расширение
и доработка. Система протестирована в автономном режиме на
месяцами за раз. И аппаратный дизайн, и программное обеспечение
опубликовано в открытом доступе [1, 10].

Прямое измерение скорости звука в атмосфере во время национального праздника Новой Зеландии

M Vollmer 2018 Phys. Educ. 53 033007

Измерение скорости звука принадлежит практически любой физике.
учебный план.Преобладают два метода измерения резонансных явлений
стоячие волны или времяпролетные измерения. Второй тип — это
концептуально проще, однако, проводить такие эксперименты с
габариты счетчиков обычно требуют точного электронного времени
измерительное оборудование, если необходимо получить точные результаты. Здесь
сообщается об измерении времени пролета по видеозаписи
с размером в несколько км и точностью до скорости
звук порядка 1%.

Обучение физике с помощью инфракрасного дистанционного зондирования растительности

Tobias Schüttler et al 2018 Phys.Educ. 53 033005

Обучение на основе контекста и проектов доказало свою полезность
различные аффективные и когнитивные аспекты обучения. Как
многопрофильная и многопрофильная область научных исследований с
различные приложения для повседневной жизни, спутниковое дистанционное зондирование
интересный контекст для физического образования. В этой статье мы приводим
краткий обзор спутникового дистанционного зондирования растительности и способов
для получения ваших собственных индивидуальных данных инфракрасного дистанционного зондирования с
доступные переделанные цифровые фотоаппараты.Этот новый метод обеспечивает
возможность проводить индивидуальные дистанционные измерения
проекты со студентами в их соответствующей среде. Данные
можно сравнить с реальными спутниковыми данными и достаточно
точность в образовательных целях.

Полевая мельница для измерения атмосферного электричества

Фрэнк Томпсон 2018 Phys. Educ. 53 025004

Хорошо известно, что Земля несет в себе отрицательный
заряд, создающий электростатическое поле, направленное вниз.Настоящее
Эксперимент показывает, как это поле можно измерить с помощью полевой мельницы.
который был построен из компонентов, легко доступных в
Лаборатория. В хорошую погоду значение 120 (± 10)
В м
⁻¹ , что согласуется с данными в
литература. Однако, когда приближалась гроза
предварительные измерения показали, что поле колеблется в пределах +400
В м
⁻¹ и -1000 В м
⁻¹ , что указывает на комплексные зарядовые состояния
приближающиеся облака.Сделаны предложения по улучшению
чувствительность аппарата, чтобы можно было проводить эксперименты
для других погодных условий.

Насколько сильно планеты влияют на приливы?

P J Cregg 2017 Phys. Educ. 52 053003

Влияние планет и их расположение на
Решается вопрос о земных приливах. Исходя из закона Ньютона
гравитации, приливное влияние любого небесного тела
выражается через его видимый размер и его плотность.Из этого,
планетарное выравнивание вносит не более десятых долей
миллиметра до прилива и поэтому вряд ли будет значительным
способствует возникновению исключительных приливных явлений. Вероятные причины
обрисованы в общих чертах экстремальные приливные события: когда Солнце и Луна находятся каждый
ближайший к Земле, равноденствие и погода, особенно экстремальные
давление воздуха, осадки и ветер. Заканчиваем долгосрочным
влияние планет на орбиту Земли и, следовательно, на
Приливный эффект Солнца (с масштабами порядка
100 000 лет) и планетарное влияние на Луну.
орбита.

Sky on Earth Проект : синергия между формальным и неформальным астрономическим образованием

Сабрина Росси и др. 2016 Phys. Educ. 51 055003

В этой статье мы представляем
Sky on Earth Проект , финансируемый в 2008 году Министерством Италии
преподавания, исследований и университетов в рамках ежегодного публичного
программа просвещения.Целью проекта было реализовать
стабильный и открытый астрономический сад, где дети,
учителя и граждане могли быть вовлечены в расследование в течение дня
и явления ночного неба. Проект разрабатывался с учетом
учитывать наши предыдущие исследования в формальной и неформальной астрономии
образование. Он был реализован в саду GiocheriaLaboratori,
Внешкольная образовательная структура K-6 Sesto San Giovanni
муниципалитет (недалеко от Милана, Италия). Настройки и инструменты были разработаны
с помощью некоторых студентов «Альтьеро»
Профессиональное училище Спинелли, их наука и техника
учителя.С момента установки астрономический сад был
используется на семинарах и днях открытых дверей, при подготовке учителей
курсы и исследовательский опыт. Можно сделать вывод, что
Sky on Earth Проект представляет собой пример положительного и
конструктивное сотрудничество исследователей, педагогов, высокий
школьники и учителя. Его также можно рассматривать как
потенциальная попытка преодолеть хорошо известный разрыв между исследованиями в
естественнонаучное образование и школьная практика.

Измерение наклона земной оси с помощью пластиковой трубы и деревянного бруска.

R Suat Isildak 2016 Phys.Educ. 51 025002

В этом проекте метод, который был разработан с использованием одного
установка использовалась для правильного измерения наклона
Ось Земли 21 июня 2015 года.
понятная и применимая техника, которая может быть использована в
курсы элементарных наук и астрономии, понятные студентам
каждой возрастной группы.

Параллельный глобус: мощный инструмент для исследования освещения Земли.

Сабрина Росси и др. 2015 Phys.Educ. 50 32

Многие исследователи задокументировали трудности для учащихся.
разного возраста и подготовки в понимании основных
астрономические концепции. Традиционные учебные стратегии и
средства коммуникации не кажутся эффективными в производстве
осмысленное понимание, или даже вызвать неправильные представления и
неверные толкования. В соответствии с последними предложениями по педагогическому
последовательности и прогрессии изучения основных понятий и основных
процедуры обучения физике и астрономии, в этой статье мы
предложить промежуточный, важный шаг на пути обучения от
местный геоцентрический вид системы Земля-Солнце на
гелиоцентрический.С этой целью мы представляем данные, собранные за
день и год на инструменте, который мы называем «параллельным
глобус », глобус, локально расположенный гомотетно Земле.
Предлагается некоторый анализ, в частности феномена
освещенность Земли и ее вариации, согласованные
с предложенными учебными целями.

Переворачивание айсбергов: упражнение по применению принципа сохранения энергии с очень удивительным результатом

Рик Маршалл 2015 Phys.Educ. 50 299

Многие айсберги уязвимы для опрокидывания. При этом
гравитационная потенциальная энергия льда увеличивается, в то время как
вытесняемой морской воды уменьшается. Применяя принцип
закон сохранения энергии показывает, что при опрокидывании также возникает
чистая передача энергии окружающей морской воде. Это будет
максимум для конкретной геометрии айсберга. Для многих айсберг
геометрии передачи энергии можно измерить в масштабе
ядерные взрывчатые вещества.Три возможности обучения, предложенные
Обрисованы в общих чертах.

Решение проблемы с помощью того, что вы знаете: физик смотрит на проблему в экологии

Роберт Гринлер 2015 Phys. Educ. 50 529

В основе данной статьи лежат две философские идеи. Первый — это
ответ на вопрос о том, что является подходящим видом деятельности для
физик.Я отвечаю, что подходящее занятие — это что угодно.
где инструменты физика позволяют ему или ей сделать
вклад в решение серьезной проблемы. Это может быть
очевидно в областях, которые пересекаются с физикой (например, химия, инженерия,
геологии), но также верно в любых начинаниях, где математические
моделирование может способствовать пониманию решения проблем (например,
время включения светофора, эффективные способы рассадки пассажиров
самолеты, лучше ли гулять или бегать под дождем).Вторая идея касается подхода к решению проблем. Перед
некоторые люди пытаются решить проблему, они думают, что сначала должны
узнать все, что известно о предмете. Тем не мение,
иногда эффективный подход — заявить: «Я
собираюсь решить эту проблему с помощью того, что я знаю сейчас! »Я вижу
взаимосвязь между этим подходом и идеей
скрытые расчеты, которые многие из нас ценят. Из
Конечно, у этого метода есть ограничения, но я считаю, что
такой агрессивный подход к проблеме —
не зависит от методов, которые используют все остальные — может
быть продуктивным.В данной статье описывается такой подход к
проблема реального мира, используя только то, что известно учителю
вводный, математический курс физики. Цель этого
статья призвана побудить студентов и учителей физики искать
нетрадиционные области, помимо физики, где они могли бы использовать
методы, которыми они научились решать проблемы

В красной тени Земли

Стивен Хьюз и др. 2015 Phys.Educ. 50 741

Описана методика расчета яркости
атмосфера Земли, которая сияет в тени Земли
во время полного лунного затмения, делающего Луну красной. Этот обод
огня »возникает из-за преломленного нерассеянного света от всех
восходы и закаты, обрамляющие Землю. В этой статье
фотографию полностью затменной Луны сравнивали с полной
Луна и разница в яркости, рассчитанная с учетом
учитывать время выдержки и настройку ISO.Результаты показывают, что
Полная Луна более чем в 14 000 раз ярче, чем полная Луна.
затменная Луна. Относительная яркость затменной Луны может быть
используется для оценки яркости Огненного края более 12
триллион ватт. Эксперимент, описанный в этой статье, будет
подходит для занятий в средней школе или университете.

Самая большая тень на Земле

Стивен Хьюз et al 2014 Phys.Educ. 49 88

При полном солнечном затмении Луна полностью закрывает Солнце,
отбрасывая тень шириной несколько сотен километров на поверхность
Земля. В данной статье описаны наблюдения за 14 ноября 2012 г.
полное солнечное затмение, видимое с севера Квинсленда, Австралия.
Край тени был запечатлен на видео полностью, и
это видео предназначено для учебных целей. Серия простых
Описаны «кухонные» эксперименты, демонстрирующие
эффект «заката» на горизонте в течение всего
солнечное затмение, а также изогнутая тень, видимая в небе, когда
Затменное Солнце находится относительно близко к горизонту.

Измерение глобального положения с помощью Солнца

Эван Мерфи и Стивен Хьюз 2014 Phys. Educ. 49 553

Определение широты и долготы на Земле всегда
был интересен как исследователям, так и картографам. Точный
позиционная информация часто требуется для спасательных целей в
в местах, где не работают спутниковые навигационные системы.В
действия, описанные в этой статье, демонстрируют простую процедуру
определить широту и долготу, используя структуру, которая бросает
тень и часы. Широта рассчитывается по углу наклона
тень, отбрасываемая полуденным Солнцем, а долгота определяется
зная местное полуденное время по всемирному координированному времени. С использованием
при использовании этого метода широта обычно находится в пределах 1,5 ° от истинной
значение, а долгота в пределах 0,25 °. Это упражнение
быть подходящим в качестве эксперимента в классе старшей школы.

Яркие цвета из белого снежного покрова

Майкл Фоллмер, Джозеф А. Шоу 2013 Phys. Educ. 48 322

Из сверкающего белого света возможны удивительно красочные виды.
снег. Хорошо известно, что могут существовать похожие красочные черты.
в небе всякий раз, когда поблизости есть кристаллы льда. Тем не мение,
переход отражения и преломления света от кристаллов льда
в воздухе на отражение и преломление от снега на
земля нетривиальная.Фотографии и видео с сайта brilliant
представлены красочные блестки, наблюдаемые в белых снежных покровах, и
обсуждали.

При свете серебристой Луны: факты и вымысел

Marco Ciocca, Jing Wang 2013 Phys. Educ. 48 360

Лунный свет «серебряный» или «холодный»? В этом
В статье мы обсуждаем интересную комбинацию факторов, которые
вносят свой вклад в общие описания лунного света.Солнечный свет
отражены от лунной поверхности и имеют красное смещение. При прохождении
атмосферы, лунный свет еще более обеднен коротковолновой частью
содержание по рэлеевскому рассеянию. Мы измерили спектры
лунный свет, чтобы показать эти эффекты и сравнить их с солнечным светом.
Все измерения, включая спектральную отражательную способность, предполагают, что
лунный свет краснее солнечного света. Серебристая Луна — это просто
иллюзия из-за свойств и поведения наших собственных глаз,
включая ответы палочек и колбочек и физиологические
перцептивное явление, называемое сдвигом Пуркинье.

Солнечные пятна и их простое гармоничное движение

C I Ribeiro 2013 Phys. Educ. 48 586

В этой статье приведен пример простого гармонического движения.
видимое движение солнечных пятен из-за вращения Солнца, составляет
описано, что может быть использовано для преподавания этого предмета в средней школе
студенты. Используя реальные изображения Солнца, студенты могут рассчитать
период вращения звезды с простым гармоническим движением
математическое выражение.

Геометрия и физика времен года

Вячеслав Хаврус, Игорь Шелевицкий 2012 Phys. Educ. 47 680

С помощью простой математической модели, недавно разработанной
авторы (2010 г.
Phys. Educ.
45 641), прохождение времен года на Земле
смоделировано для произвольных широт с учетом солнечного света
затухание в атмосфере.Разработанный метод может быть использован для
прогнозировать реалистичное значение солнечной энергии (инсоляция)
которые могут поглощаться горизонтальным грунтом на уровне моря на любом
безоблачный день в году. Некоторые идеи для оценки дневной инсоляции
на горизонтальной поверхности, используя продолжительность светового дня и
обсуждается длина тени в солнечный полдень.

Наше взрывное солнце

D S Brown 2009 Phys. Educ. 44 20

Атмосфера Солнца — это сильно структурированное, но динамичное место,
преобладает солнечное магнитное поле.Горячий заряженный газ (плазма)
в ловушке на магнитных силовых линиях, которые могут сломаться, как эластичный
группа, выталкивающая гигантские облака материала в космос. Диапазон
наземных и космических солнечных телескопов наблюдают эти
извержения, особенно новые космические зонды STEREO, которые могут отслеживать
извержение от Солнца до Земли.

Зеркала в воздухе: миражи в природе и в лаборатории

M Vollmer 2009 Phys.Educ. 44 165

Хотя миражи в большинстве своем не воспринимаются осознанно, они очень
знакомые явления повседневной жизни. Обычно они могут возникать, если
свет падает на среду с градиентом показателя преломления.
Эта статья начинается с простейшего эффекта миража, известного как
астрономическая рефракция, затем представлены примеры для нижних и
превосходит множественные миражи изображений и, наконец, фокусируется на
демонстрационные опыты на уроках.

Облака

Эндрю Рассел и др. 2007 Phys. Educ. 42 457

В этой статье мы хотим познакомить вас с облаками; какие
они есть, почему они важны и как работают физические процессы
в атмосфере определяют внешний вид и поведение облаков
мы видим.

Кольца вокруг солнца и луны: корона и дифракция

Les Cowley et al 2005 Phys.Educ. 40 51

Атмосферные оптические эффекты могут многое рассказать о физике и
особенно оптика. Coronae — цветные кольца вокруг солнца или
луна — это крупномасштабные следствия дифракции,
часто думают, что это лишь небольшой эффект, ограниченный лабораторией.
Мы описываем короны, как они формируются и эксперименты, которые могут
проводиться по тем, кто в небе. Признавая, что это не
всегда удобно, мы показываем, как студенты также могут узнать о
короны и, следовательно, дифракция от экспериментов с точными
полноцветное компьютерное моделирование и лабораторные демонстрации.

Назад к основам: астрономические наблюдения невооруженным глазом

Charles Barclay 2003 Phys. Educ. 38 423

Для учащихся обоих полов и всех возрастов от шести до шести лет,
предмет астрономии таит в себе множество увлечений — стремительный
изменения в знаниях, большой ресурс доступных ИТ-пакетов
и, прежде всего, прекрасные снимки Хаббла и большого
Телескопы земного базирования.В этой статье, однако, подчеркивается
волнение и важность невооруженного глаза (без посторонней помощи) из первых рук
наблюдение там, где позволяет световое загрязнение, и предлагает некоторые
методы, которые можно использовать, чтобы увлечь и познакомить молодежь с
слава ночного неба без обращения к компьютеру
экраны.

Статьи по теме «Физика в природе» из

European Journal of Physics

Показать список товаров

Наблюдая за зеленой вспышкой в ​​лаборатории

Томер Бен Аруш et al 2018 Eur.J. Phys. 39 015301

Зеленая вспышка — хорошо известное, но неуловимое атмосферное
явление, при котором Солнце наблюдается, когда оно садится за
ясный горизонт. В последний момент перед исчезновением диска
наблюдается зеленая вспышка. Явление связано с вертикальным
структура показателя преломления атмосферы, которая рассеивает
Солнечный свет. Мы смоделировали аналогичные условия в
лаборатории, используя градиент показателя преломления в соленой воде в
аквариум.Сфотографировали белый светодиодный источник, имитирующий Солнце.
с искусственным горизонтом, и синяя вспышка наблюдалась как
горизонт затенял изображение. Используя ту же систему, мы также
возможность создавать нелинейный профиль показателя преломления и наблюдать
усиленные вспышки миражей, которые обычно наблюдаются в
природа. Мы измерили градиент показателя преломления в воде с
рефрактометр Аббе.

Угол между терминатором и меридианом: плоская геометрия в сравнении с формулами солнечного азимута и простой подход к карте дневного света

Переа-Альварес де Эулат Мартин и др. 2018 Eur.J. Phys. 39 045805

Расчет угла между линией день-ночь на
Поверхность Земли, терминатор и меридиан в заданном
точка, на рассвете или на закате, может быть легко выполнена либо
средства плоской геометрии или, для тех, кто знаком с астрономией,
с помощью формул для азимута и возвышения Солнца, как
полученный из сферической тригонометрии. Две процедуры
по сравнению. Вспомогательный угол, полученный в процессе вывода
с помощью плоской геометрии становится полезным для представления карты дневного света на
земная планисфера.

Обучение практической геофизике: примеры из сейсмической сети Ру в Новой Зеландии

Kasper van Wijk et al 2017 Eur. J. Phys. 38 023001

Обучение физике и наукам о Земле может быть эффективным
проиллюстрировано анализом землетрясений и последующих
распространение сейсмических волн на Земле. Образовательная сейсмология
достигла уровня, когда как аппаратное, так и программное обеспечение являются надежными
и удобный.Это привело к успешной реализации
образовательных сетей по всему миру. Сейсмические данные, записанные
ученики такого качества, что их можно использовать в классических
например, упражнения по локации землетрясений. Но даже океанские волны
слабосвязанные с земной корой теперь могут быть зарегистрированы на
образовательные сейсмометры. Эти сигналы не просто шум, а
составляют основу более поздних разработок в сейсмологии, таких как
сейсмическая интерферометрия, где сейсмические волны, генерируемые океаном
волны — вместо землетрясений — можно использовать для вывода
информация о недрах Земли.Здесь мы вводим
учения по локации землетрясений и анализ внешней сейсмики
шум, и приведу примеры. Данные предоставлены, и все необходимое
программное обеспечение находится в свободном доступе.

Определение радиоактивности ⁴⁰ K в горных породах с помощью рентгеновской спектрометрии

M Pilakouta et al 2017 Eur. J. Phys. 38 055803

В этой статье мы предлагаем экспериментальный метод для
определение калия-40 (
⁴⁰ K) радиоактивность в промышленных образцах гранита с использованием
рентгеновская флуоресценция (XRF).Метод коррелирует общий калий
концентрация (выход) в образцах, определенная с помощью XRF-анализа с
радиоактивность образца из-за
⁴⁰ К радионуклид. Этот метод можно использовать в
Студенческая лаборатория бакалавриата. Краткая теоретическая база
и описание метода, а также некоторые результаты и их
интерпретации.

Атмосферное угасание света

Стивен В. Хьюз и др. 2016 Eur.J. Phys. 37 015601

Описывается эксперимент, позволяющий учащимся понять
свойства атмосферного поглощения из-за Рэлея
рассеяние. Эксперимент требует использования красного, зеленого и синего цветов.
лазеры, прикрепленные к передвижному микроскопу или аналогичному устройству. В
лазерные лучи проходят через искусственную атмосферу, состоящую из
молочная вода, на разной глубине, прежде чем попасть на свет
измеритель или фотодиод, являющийся неотъемлемой частью прибора Picotech Dr.DAQ ADC. Сюжет
измеренная спектральная интенсивность стихий глубины показывает вклад
Рэлеевское рассеяние имеет коэффициент экстинкции. Для
экспериментируйте с люксметром, коэффициенты экстинкции для
красный, зеленый и синий свет в молочной пробе воды составляли 0,27,
0,36 и 0,47 см
⁻¹ соответственно и 0,032, 0,037 и 0,092 см
⁻¹ для АЦП Picotech Dr. DAQ.

Радуга в природе: последние достижения в области наблюдений и теории

Александр Хаусманн 2016 Eur.J. Phys. 37 063001

В данном тематическом обзоре представлен обзор общих и менее распространенных
общие наблюдения за радугой в естественных дождях и
теоретические концепции, которые были разработаны для их
объяснение. В основном за последние 20 лет появилось много новых и
интригующие эффекты были сфотографированы или задокументированы для
первый раз, например, высшего порядка (третичный, четвертичный и т. д.) и
двойные радуги, а также радуги, генерируемые рядом
источники искусственного света.Чтобы дать здравое объяснение,
включение естественных несферических (т. е. сплюснутых) дождевых капель
формы, а также естественное широкое полидисперсное распределение дождевых капель
в классическую теорию радуги (Лоренц – Ми и Дебай
рассеяние). Таким образом, в статье дается сжатое
актуальный синопсис, дополняющий классические учебники и ранее
обзоры по физике радуг. Он предназначен для обслуживания обоих
активных наблюдателей за небом, а также учителей физики, которые хотят сохранить
в курсе текущих событий в этой области.

Визуализация на глобусе день ночь год

Мирьяна Божич и другие 2016 Eur. J. Phys. 37 065801

Рассказ о правильно ориентированном уличном глобусе в руках
и умы Эратосфена, Джефферсона, Миланковича и науки
педагоги представлены. Имея такую ​​же ориентацию в пространстве, как и
Земля, Глобус День Ночь Год (DING) показывает в реальном времени
закономерность освещения земной поверхности и ее
суточные и сезонные колебания.Это идеальный объект для
визуализация знаний и увеличение знаний о:
форма Земли, вращение Земли, вращение Земли
вокруг Солнца, продолжительность сезонов, солнцестояние, равноденствия,
проблема долготы, распределение солнечного излучения
над Землей, воздействие этого излучения на Землю
климат и способы его эффективного использования. Прикрепив подвижную лопасть
к полюсам или добавив булавки вокруг экватора, чтобы читать время, DING
становятся солнечными часами сферической / шарообразной формы.Итак, ДИНГ — это
одновременно полезно для обучения физике, геофизике, астрономии,
использование солнечной энергии и продвижение обучения на основе запросов
среда для студентов и общественности.

Толщина ледников

Валерио Фараони и Маршалл Вокей 2015 Eur. J. Phys. 36 055031

Основные формулы и результаты физики ледников, представленные в
Учебники по гляциологии могут быть получены из первых принципов
введен на курсах физики первого года обучения по алгебре.Мы обсуждаем
максимальная толщина альпийских ледников и ледниковых щитов и
соотношение между максимальной толщиной и длиной ледяного покрова.
Знание обыкновенных дифференциальных уравнений позволяет получить
так же
местный толщины льда.

Исследование повышения уровня моря из-за глобального потепления в учебной лаборатории с использованием принципа Архимеда

Стивен Хьюз и Даррен Пирс 2015 евро.J. Phys. 36 065033

Описан учебный лабораторный эксперимент, в котором
Принцип Архимеда для точного исследования эффекта
глобальное потепление в Мировом океане. Большая составляющая повышения уровня моря
происходит из-за увеличения объема воды из-за уменьшения
по плотности воды при повышении температуры. Вода близка к 0
° C помещают в стакан и стеклянный шарик подвешивают к
электронные весы погружены в воду.Когда вода нагревается,
вес мрамора увеличивается, так как вода становится менее плавучей из-за
уменьшение плотности. В эксперименте, проведенном в этой статье
весы с точностью 0,1 мг использовались с шариком 40,0 см.
³ и массой 99,3 г, что дает плотность воды
измерения со средней погрешностью
-0,008 ± 0,011%.

Дневное небо и число Авогадро

Marco A C Potenza 2015 Eur.J. Phys. 36 065040

Два метода оценки числа Авогадро по
представлены наблюдения дневного неба, подходящие для
студенты. Один очень простой и основан на простом
невооруженным глазом, а другой использует обычный цифровой
камера как фотометр.

‘Изменение климата в обувной коробке’: критический обзор

M Bertò et al 2014 Eur.J. Phys. 35 025016

Появляется лабораторная реплика парникового эффекта.
обманчиво просто. Использование кубической коробки, освещенной обычным
лампа, можно показать некоторые явления, присутствующие в климате
система. Тем не менее, необходимо использовать много физических
изобретательность, чтобы понять сложное взаимодействие излучения и
конвективные явления, характеризующие такую ​​простую систему. В
В этой статье мы представляем критический обзор некоторых экспериментов в
литературу и предложить новую и оригинальную экспериментальную установку
использование необычного газа; таким образом мы преодолеваем некоторые из
ограничения типичного лабораторного эксперимента, подтверждающие
возможность использования в учебных лабораториях физики без
отсутствие физического правдоподобия.

Длительные перелеты птиц

Марк Денни 2014 евро. J. Phys. 35 035016

Совершаются чрезвычайно длительные перелеты некоторых птиц.
за один прыжок, что требует значительного предварительного накопления жира
топливо. Мы резюмируем основные элементы физики полета птиц с помощью
простую модель и покажите, как жировые запасы влияют на полет
расстояние, скорость полета и мощность, затрачиваемая птицей во время
полет.

Солнце светит и просвещает: измерения тени в полдень

Вукота Бабович и Милош Бабович 2014 евро. J. Phys. 35 065005

Среди современных физиков и научных экспертов
Измерение Эратосфеном окружности Земли
как один из самых красивых экспериментов, когда-либо проводившихся в физике.
Вернувшись к этому знаменитому событию в истории науки, мы
обнаруживают, что возможны некоторые интересные обобщения.На
основы довольно простой модели инсоляции Земли, мы
сумели, используя некоторые передовые математические методы, вывести новый
формула для определения продолжительности года, обобщенная в таких
способ, которым его можно использовать для всех планет с достаточно малыми
эксцентриситет орбиты и для всех мест с ежедневными восходами солнца
и закаты. Практическая методика, предлагаемая нашей формулой:
простой в исполнении, полностью эратосфенский по духу, и только
требует, чтобы угол полуденного солнца находился на последующих
дней около равноденствия.Наши результаты показывают, что такой подход
к проблеме инсоляции Земли заслуживает того, чтобы
включены в университетские курсы, особенно те, которые охватывают
астрономия и физика окружающей среды.

Измерение вращения Солнца по изображениям с цифровой камеры

F Sánchez-Bajo и J M Vaquero 2013 Eur. J. Phys. 34 527

Скорость вращения Солнца может быть измерена по изменениям солнечного пятна
позиции.В этой статье мы предлагаем использовать изображения с цифровой камеры.
снятые с помощью небольших телескопов для определения скорости вращения Солнца на
разные гелиографические широты. Этот недорогой практичный
Студенты бакалавриата могут легко провести эксперимент,
знакомит их с темами, связанными с физикой Солнца. Данные
полученные в данной работе из анализа пятен, наблюдаемых в
2010, 2011 и 2012 гг. Сравнивались с текущими моделями солнечных батарей.
вращение, показывающее хорошее соответствие.

Положение Солнца на небе

Алехандро Дженкинс 2013 евро.J. Phys. 34 633

Мы выражаем положение Солнца на небе как функцию
время и географические координаты наблюдателя. Наш метод
основанный на применении матриц вращения к векторам, описывающим точки на
небесная сфера. Мы также выводим прямые выражения, как
функции даты года и географической широты, для
продолжительность светового дня, максимальная и минимальная высота Солнца,
и стороны света на восход и закат.Мы обсуждаем как
чтобы учесть эксцентриситет земной орбиты,
прецессии равноденствий и перигелия, размер
солнечный диск и атмосферная рефракция. Проиллюстрируем эти результаты
вычисляя даты «Манхэттенхенджа» (когда закат
совпадает с улицами с востока на запад на главной транспортной сети
для Манхэттена в Нью-Йорке), построив высоту
Солнце над типичными городами как функция времени и
показаны графики («аналеммы») положения Солнца
в небе в определенный час дня.

Физика фотографии в ближнем инфракрасном диапазоне

Клаус Мангольд и др. 2013 Eur. J. Phys. 34 S51

Физика, стоящая за иногда странными эффектами и
«Неестественный» вид в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR)
фотографии обсуждаются с точки зрения отражения, поглощения и
передача БИК излучения с соответствующими объектами.Кроме
обсуждение того, как работают камеры NIR, несколько фотографий в видимом и ближнем ИК диапазонах
представлены пары, в которые входят растительность, природная вода,
облака, небо и люди. Кроме того, некоторые ориентированные на физику
представлены экспериментальные изображения в ближнем ИК-диапазоне, которые наглядно демонстрируют
некоторые основы физики, лежащие в основе некоторых из этих удивительных достопримечательностей.

Новый взгляд на Раман и мираж: путаница и новое открытие

M V Berry 2013 Eur.J. Phys. 34 1423

Раман утверждал, что в непрерывно изменяющейся слоистой среде такие
как воздух над горячей дорогой, луч, который изгибается так, чтобы стать
горизонтальное должно оставаться таким, подразумевая, что отражение, знакомое по
мираж нельзя объяснить геометрической оптикой. Это
ошибка, как показывают стандартные аргументы в пользу кривизны луча. Но
простой ограничивающий процесс, в котором плавно изменяющаяся рефракционная
индекс аппроксимируется стопкой тонких дискретных слоев, не является
довольно просто, потому что в нем есть любопытная особенность,
связан с лучом уровня, предусмотренным Раманом.В отличие от
отдельные лучи, семейства лучей обладают каустикой (фокальной)
особенности. Их можно явно вычислить для двух семейств
лучей, относящихся к миражу. Только в исключительных случаях
геометрическое место отражения (самые низкие точки на лучах) совпадают с
каустики. Каустики соответствуют «исчезающему
линия ’, представляющая предельную высоту объектов, которые могут
быть замеченным в отражении. Для этих двух семей волны, которые
украшающие мираж каустики описываются универсальным Эйри
функция и может быть рассчитана точно.

Температура поверхности Луны: измерения с помощью коммерческих инфракрасных камер

M Vollmer и K-P Möllmann 2012 Eur. J. Phys. 33 1703

Информация о температуре поверхности Луны
содержится в его испускаемом тепловом инфракрасном (ИК) излучении. В этом
В статье обсуждаются оценки температуры поверхности Луны.
по всему диску, а также потенциал для количественного извлечения
правильные значения максимальных температур путем измерений
с простыми ручными коммерческими ИК-камерами.Образцовые измерения
выявить подходящие условия и необходимые исправления в связи с
атмосферное затухание. Тема хорошо подходит для бакалавриата
курсы по оптике, а точнее по ИК-технологиям.

Цвета Солнца и Луны: роль оптической воздушной массы

M Фоллмер и С. Д. Гедзельман 2006 Eur. J. Phys. 27 299

Геометрическая модель оптической воздушной массы атмосферы
развитый.С помощью модели выводятся простые формулы для
оптическая толщина света, проходящего через (1) молекулярный
атмосфера, (2) атмосфера с равномерно распределенной
тропосферные аэрозоли и (3) атмосфера с повышенным аэрозолем
слои. Формулы используются для моделирования спектров и воспринимаемых
цвета Солнца и Луны.

Понимание цунами с помощью простой модели

О Хелене и М. Т. Ямасита 2006 Eur.J. Phys. 27 855

В данной работе мы используем приближение волн на мелководье.
(Маргаритондо Дж.
2005 г.
Eur. J. Phys.
26 401), чтобы понять поведение цунами в
переменная глубина. Мы выводим волновое уравнение мелкой воды и
уравнение неразрывности, которое должно выполняться, когда волна встречает
нарушение сплошности в морской глубине. Краткое объяснение того, как
цунами обрушилось на западное побережье Индии.
явление рефракции.Наша процедура также включает в себя простой
числовой расчет подходит для студентов бакалавриата в
физика и техника.

Измерения и прогнозы освещенности во время солнечного затмения

Клаус-Петер Мёлльманн и Михаэль Фоллмер 2006 Eur. J. Phys. 27 1299

Измерения освещенности во время солнечного затмения
представлен.Данные сравниваются с теоретическими прогнозами, основанными на
на геометрической модели для затемнения. Модель предполагает
прямое и равномерное движение солнца и луны, а также
сферическая форма обоих, т. е. не учитывает влияние конечностей
потемнение. Кроме того, предполагается, что диск Солнца имеет
однородная светимость, т.е. любые изменения светимости из-за солнца
пятна не принимаются во внимание. Входные параметры — это продолжительность
затмение, длительность тотальности, прицельный параметр, т.е.
расстояние между двумя траекториями Солнца и Луны и
размеры солнца и луны.Модель применима ко всем типам затмений,
частичный, кольцевой и тотальный.

Физика грозы

Джон Мейсон и Найджел Мейсон 2003 евро. J. Phys. 24 S99

Основные факты, касающиеся динамических, физических и
электрические свойства грозы и подробные
структура и связанные с ней изменения электрического поля молнии
мигает, выстраиваются для определения критериев удовлетворительного
количественная теория генерации и разделения зарядов, приводящая к
рост электрических полей, достаточно сильных, чтобы инициировать и
выдерживают молниеносную активность.

Представлена ​​количественная теория возникновения зарядов.
и отделяются, когда переохлажденные облачные капли вступают в контакт
с нижней стороны гранул града (крупа) поляризованными первоначально
электрическим полем Земли в хорошую погоду. Отскок капель
приобретают положительный заряд и переносятся конвективными
поднимается к вершине облака, в то время как гранулы града
несущие чистый отрицательный заряд падают к основанию облака. Этот
создает вертикальное дипольное поле, которое увеличивает поляризацию
заряжает гранулы града и, таким образом, увеличивает скорость заряда
порождение и разделение, и таким образом укрепляет вертикаль
электрическое поле, которое экспоненциально нарастает до изоляции
воздух разрывается и вызывает вспышку молнии.

Показано, что грозовая ячейка диаметром 2 км,
производит мелкий град с высотой 30 мм в час.
⁻¹ могут создавать вертикальные электрические поля величиной
~ 5000 В см
⁻¹ примерно за 10 мин с выделением ~ 50
C заряда, достаточного, чтобы вызвать вспышку молнии, которая
в среднем, нейтрализует около 20 C. Пока сохраняется град, он
продолжает генерировать и отделять заряд, достаточный для создания
последовательность вспышек молнии с интервалом примерно 30 с. Более
частые разряды с интервалом, скажем, 10 с, потребуют высокой скорости
производства града в более крупных ячейках, но с большей вероятностью
вызванные большими многоклеточными штормами, выдержанными сильными
конвективные токи в течение нескольких часов.

Процесс подачи

Фокусные статьи — это статьи, которые подлежат тому же процессу рецензирования и соответствуют высоким стандартам, что и обычные статьи Physics Education и European Journal of Physics , и должны быть представлены таким же образом, с указанием того, как они подходят к сфере .

статей следует подавать через Интернет, используя соответствующую онлайн-форму:
European Journal of Physics: Отправить здесь.
Физическое образование: отправить сюда.

Срок подачи заявок

Окно для подачи заявок открыто до 31 декабря 2021 года. И Physics Education , и European Journal of Physics могут публиковать коллекции «В центре внимания» поэтапно: если вы подадите заявку раньше, ваша статья не будет отложена в ожидании другие статьи в сборнике.

Видео-аннотации

Видео-аннотации нацелены на дальнейшее повышение узнаваемости наших авторов и их работ.С помощью видеоматериалов авторы теперь могут выходить за рамки ограничений, накладываемых письменной статьей, и обеспечивать расширенный пользовательский интерфейс для глобальной аудитории журнала. Приглашаем авторов предоставить видео-аннотацию для публикации в своей статье. Статьи с видео-аннотацией помечаются символом. Дополнительную информацию об этой функции можно найти в руководстве по тезисам видео.

Квантовая физика может быть даже страшнее, чем вы думаете

Это центральный вопрос квантовой механики, и никто не знает ответа: что на самом деле происходит в суперпозиции — особые обстоятельства, в которых частицы кажутся находящимися в двух или более местах или сразу констатирует? В 2018 году группа исследователей из Израиля и Японии предложила эксперимент, который, наконец, позволил нам кое-что сказать наверняка о природе этого загадочного явления.

Их эксперимент был разработан, чтобы позволить ученым украдкой взглянуть на то, где объект — в данном случае частица света, называемая фотоном — на самом деле находится, когда он помещен в суперпозицию. И исследователи предсказывают, что ответ будет еще более странным и шокирующим, чем «два места одновременно».

Классический пример суперпозиции включает запуск фотонов в две параллельные щели в барьере. Одним из фундаментальных аспектов квантовой механики является то, что крошечные частицы могут вести себя как волны, так что частицы, проходящие через одну щель, «мешают» проходящим через другую, их волнистая рябь либо усиливает, либо нейтрализует друг друга, создавая характерный узор на экране детектора. .Однако странно то, что эта интерференция возникает, даже если одновременно выстреливается только одна частица. Кажется, что частица каким-то образом проходит через обе щели одновременно, мешая себе. Это суперпозиция.

И это становится еще более странным: измерение, через какую щель проходит такая частица, неизменно показывает, что она проходит только через одну, но тогда волнообразная интерференция («квантовость», если хотите) исчезает. Кажется, что сам акт измерения «разрушает» суперпозицию. «Мы знаем, что в суперпозиции происходит что-то подозрительное, — говорит физик Авшалом Элицур из Израильского института перспективных исследований.«Но вам не разрешено его измерять. Это то, что делает квантовую механику такой дьявольской ».

На протяжении десятилетий исследователи зашли в этот очевидный тупик. Они не могут точно сказать, что такое суперпозиция, не глядя на нее, но если они попытаются взглянуть на нее, она исчезнет. Одно из возможных решений, разработанное бывшим наставником Элицура, израильским физиком Якиром Аароновым, ныне работающим в Университете Чепмена, и его сотрудниками — предлагает способ сделать какие-то выводы о квантовых частицах перед их измерением.Подход Ааронова называется формализмом двух векторов состояний (TSVF) квантовой механики и постулирует, что квантовые события в некотором смысле определяются квантовыми состояниями не только в прошлом, но и в будущем. То есть TSVF предполагает, что квантовая механика работает одинаково как вперед, так и назад во времени. С этой точки зрения может показаться, что причины распространяются назад во времени, возникая после их следствия: это явление называется ретропричинностью.

Но не стоит понимать это странное понятие буквально.Скорее в TSVF, можно получить ретроспективное знание того, что произошло в квантовой системе, выбрав результат: вместо простого измерения того, где оказывается частица, исследователь выбирает конкретное место, в котором будет ее искать. Это называется поствыбором, и он предоставляет больше информации, чем любой безусловный просмотр результатов. Это связано с тем, что состояние частицы в любой момент оценивается ретроспективно в свете всей ее истории, вплоть до измерения.Странность возникает потому, что кажется, что исследователь — просто выбирая поиск определенного результата, — затем вызывает этот результат. Но это немного похоже на вывод о том, что если вы включите телевизор, когда запланирована ваша любимая программа, ваше действие заставит эту программу транслироваться в этот самый момент. «Принято считать, что TSVF математически эквивалентен стандартной квантовой механике, — говорит Дэвид Уоллес, философ науки из Университета Южной Калифорнии, специализирующийся на интерпретации квантовой механики.«Но это действительно приводит к тому, что можно увидеть такие вещи, которые иначе невозможно было бы увидеть».

Возьмем, к примеру, версию эксперимента с двумя щелями, разработанную Аароновым и его коллегой Львом Вайдманом из Тель-Авивского университета в 2003 году, которую они интерпретировали с помощью TSVF. Пара описала (но не построила) оптическую систему, в которой одиночный фотон действует как «заслонка», закрывающая щель, заставляя другой «пробный» фотон, приближающийся к щели, отражаться обратно тем же путем, которым пришел. Применяя постселекцию к измерениям зондирующего фотона, как показали Ааронов и Вайдман, можно было различить фотон затвора в суперпозиции, закрывающей обе (или даже произвольно много) щелей одновременно.Другими словами, этот мысленный эксперимент теоретически позволил бы с уверенностью сказать, что фотон затвора одновременно находится «здесь» и «там». Хотя эта ситуация кажется парадоксальной из нашего повседневного опыта, это один из хорошо изученных аспектов так называемых нелокальных свойств квантовых частиц, где исчезает само понятие четко определенного местоположения в пространстве.

В 2016 году физики Рио Окамото и Сигеки Такеучи из Киотского университета экспериментально подтвердили предсказания Ааронова и Вайдмана, используя световодную схему, в которой фотон затвора создается с помощью квантового маршрутизатора, устройства, которое позволяет одному фотону управлять маршрутом, пройденным другим.«Это был новаторский эксперимент, который позволил вывести одновременное положение частицы в двух местах», — говорит коллега Элитцура Элиаху Коэн из Оттавского университета в Онтарио.

Теперь Элицур и Коэн объединились с Окамото и Такеучи, чтобы придумать еще более ошеломляющий эксперимент. Они считают, что это позволит исследователям с уверенностью сказать что-то о местоположении частицы в суперпозиции в серии различных моментов времени — до того, как будет произведено какое-либо фактическое измерение.

На этот раз путь пробного фотона будет разделен на три части частичными зеркалами. На каждом из этих путей он может взаимодействовать с фотоном затвора в суперпозиции. Эти взаимодействия можно рассматривать как происходящие в прямоугольниках, обозначенных A, B и C, один из которых расположен вдоль каждого из трех возможных маршрутов фотона. Глядя на самоинтерференцию зондирующего фотона, можно ретроспективно заключить с уверенностью, что частица затвора находилась в заданном ящике в определенное время.

Эксперимент разработан таким образом, что зондирующий фотон может показывать интерференцию только в том случае, если он взаимодействует с фотоном затвора в определенной последовательности мест и времени, а именно, если фотон затвора в какой-то момент находился в обоих ящиках A и C ( t ₁ ), затем в более позднее время ( t ₂ ) только в C, а в еще более позднее время ( t ₃ ) как в B, так и в C. Окончательный знак — фотон затвора создал эту причудливую, противоречащую логике последовательность разрозненных появлений между коробками в разное время — идею, которую Элицур, Коэн и Ааронов предложили в качестве возможной в 2017 году для единственной частицы, распределенной по трем коробкам.«Мне нравится, как в этой статье вопросы о том, что происходит, формулируются в терминах всей истории, а не мгновенных состояний», — говорит физик Кен Уортон из Государственного университета Сан-Хосе, который не участвует в новом проекте. «Разговор о« государствах »- это давнее повсеместное предубеждение, тогда как полные истории, как правило, гораздо более богаты и интересны».

Это богатство, утверждают Элицур и его коллеги, и есть то, к чему TSVF дает доступ. Кажущееся исчезновение частиц в одном месте в одно время — и их повторное появление в другое время и в других местах — наводит на мысль о необычном видении процессов, лежащих в основе нелокального существования квантовых частиц.Через призму TSVF, говорит Элицур, это мерцающее, постоянно меняющееся существование можно понять как серию событий, в которых присутствие частицы в одном месте «отменяется» ее собственной «противоположной частицей» в том же месте. Он сравнивает это с идеей, предложенной британским физиком Полом Дираком в 1920-х годах, который утверждал, что частицы обладают античастицами, и, если их собрать вместе, частица и античастица могут аннигилировать друг друга. Сначала это понятие казалось просто способом выражения, но вскоре привело к открытию антивещества.Исчезновение квантовых частиц не является «аннигиляцией» в том же смысле, но в некотором смысле аналогично: эти предполагаемые двойники, утверждает Элицур, должны обладать отрицательной энергией и отрицательной массой, что позволяет им нейтрализовать свои аналоги.

Итак, хотя традиционный взгляд на суперпозицию «два места одновременно» может показаться достаточно странным, «вполне возможно, что суперпозиция — это совокупность состояний, которые еще более безумны», — говорит Элицур. «Квантовая механика просто сообщает вам их среднее значение.«Постселекция затем позволяет изолировать и исследовать только некоторые из этих состояний с большим разрешением», — предполагает он. Такая интерпретация квантового поведения была бы, по его словам, «революционной», потому что она повлекла бы за собой неизвестный до сих пор зверинец реальных (но очень странных) состояний, лежащих в основе противоречивых квантовых явлений.

Окамото и его коллеги в Киото уже провели предложенный эксперимент с использованием фотонов, но они все еще анализируют результаты. Тем не менее, говорит Коэн, «предварительные результаты хорошо согласуются с теорией.Он говорит, что японские исследователи сейчас вносят улучшения в установку, чтобы уменьшить погрешности.

А пока некоторые сторонние наблюдатели точно не ждут, затаив дыхание. «Эксперимент обязательно сработает, — говорит Уортон, но добавляет, что он никого ни в чем не убедит, поскольку результаты предсказываются стандартной квантовой механикой». Другими словами, не было бы веских причин интерпретировать результат с точки зрения TSVF, а не одного из многих других способов интерпретации исследователями квантового поведения.

Элицур соглашается, что их эксперимент можно было бы задумать с использованием общепринятого взгляда на квантовую механику, который преобладал несколько десятилетий назад, но этого никогда не было. «Разве это не хороший показатель надежности TSVF?» он спрашивает.