Započinjemo seriju članaka o problemima i zastarjelim pojmovima u školskom kurikulumu i predlažemo raspravu o tome zašto je školarcima potrebna fizika, a zašto se ona danas ne uči onako kako bismo željeli.

Zašto moderni student studira fiziku? Ili da mu roditelji i učitelji ne smetaju, ili da onda, kako bi uspješno položio ispit po svom izboru, osvoji potreban broj bodova i upiši se na dobro sveučilište. Postoji još jedna opcija da učenik voli fiziku, ali ta ljubav obično postoji nekako odvojeno od školskog programa.

U bilo kojem od ovih slučajeva nastava se izvodi po istoj shemi. Prilagođava se sustavu vlastite kontrole – znanje se mora prezentirati u takvom obliku da se može lako provjeriti. Za to postoji sustav GIA i Jedinstvenog državnog ispita, te kao rezultat toga priprema za te ispite postaje glavni cilj obuke.

Kako je Jedinstveni državni ispit iz fizike uređen u sadašnjoj verziji? Ispitni zadaci sastavljaju se prema posebnom kodifikatoru koji uključuje formule koje bi, teoretski, svaki student trebao znati. Riječ je o stotinjak formula za sve dijelove školskog programa – od kinematike do nuklearne fizike.

Većina zadataka – negdje oko 80% – usmjerena je upravo na primjenu ovih formula. Štoviše, ne mogu se koristiti druge metode rješavanja: zamijenio sam formulu koja nije na popisu - nisam dobio određeni broj bodova, čak i ako je odgovor konvergirao. A samo preostalih 20% su zadaci za razumijevanje.

Kao rezultat toga, glavni cilj nastave je osigurati da učenici poznaju ovaj skup formula i da ga mogu primijeniti. A sva fizika se svodi na jednostavnu kombinatoriku: pročitajte uvjete problema, shvatite koju formulu trebate, zamijenite potrebne pokazatelje i samo dobijete rezultat.

U elitnim i specijaliziranim školama fizike i matematike obrazovanje je, naravno, drugačije uređeno. Tu, kao iu pripremama za sve vrste olimpijada, postoji element kreativnosti, a kombinatorika formula postaje puno kompliciranija. Ali ovdje nas zanima osnovni program iz fizike i njegovi nedostaci.

Standardni zadaci i apstraktne teorijske konstrukcije koje bi običan školarac trebao znati vrlo brzo mu se erodiraju iz glave. Kao rezultat toga, nitko ne zna fiziku nakon završetka škole - osim manjine koja je iz nekog razloga zainteresirana za nju ili joj je potrebna u svojoj specijalnosti.

Pokazalo se da znanost, čiji je glavni cilj bilo poznavanje prirode i stvarnog fizičkog svijeta, u školi postaje posve apstraktna i udaljena od svakodnevnog ljudskog iskustva. Fizika se, kao i drugi predmeti, predaje krpanjem, a kada se u srednjoj školi količina znanja koje treba naučiti dramatično se poveća, postaje jednostavno nemoguće sve zapamtiti.

Jasno o "formulnom" pristupu učenju.

Ali to ne bi bilo potrebno da cilj učenja nije primjena formula, već razumijevanje predmeta. Razumijevanje je u konačnici puno lakše od nabijanja.

Formirajte sliku svijeta

Pogledajmo, na primjer, kako čitaju knjige Yakova Perelmana "Zabavna fizika", "Zabavna matematika", koje čitaju mnoge generacije školaraca i djece poslije škole. Gotovo svaki odlomak Perlmanove "Fizike" uči postavljati pitanja koja si svako dijete može postaviti, počevši od elementarne logike i svakodnevnog iskustva.

Zadaci koje nam se ovdje nudi da riješimo nisu kvantitativni, već kvalitativni: ne trebamo izračunavati neki apstraktni pokazatelj poput učinkovitosti, već razmišljati o tome zašto je vječni motor nemoguć u stvarnosti, je li moguće pucati iz topa u mjesec; trebate provesti eksperiment i procijeniti kakav će biti učinak bilo koje fizičke interakcije.

Primjer iz "Zabavne fizike" 1932: problem Krilovljevog labuda, rakova i štuke, riješen prema pravilima mehanike. Rezultant (OD) trebao bi odnijeti kolica u vodu.

Jednom riječju, ovdje nije potrebno pamtiti formule - glavna stvar je razumjeti kojim se fizičkim zakonima pokoravaju objekti okolne stvarnosti. Jedini je problem što je znanje ove vrste mnogo teže objektivno provjeriti nego prisutnost u glavi učenika točno definiranog skupa formula i jednadžbi.

Stoga se fizika za običnog studenta pretvara u dosadno zbijanje, au najboljem slučaju - neku vrstu apstraktne igre uma. Formiranje cjelovite slike svijeta u čovjeku uopće nije zadatak koji de facto obavlja suvremeni obrazovni sustav. U tom smislu, usput, ne razlikuje se previše od sovjetskog, što mnogi imaju tendenciju precijeniti (jer smo ranije navodno razvijali atomske bombe i letjeli u svemir, a sada znamo samo prodavati naftu).

Prema poznavanju fizike, studenti se nakon diplome sada, kao i tada, dijele otprilike u dvije kategorije: oni koji je jako dobro znaju i oni koji je uopće ne znaju. Kod druge kategorije situacija se posebno pogoršala kada je vrijeme nastave fizike u 7-11 razredima smanjeno s 5 na 2 sata tjedno.

Većini školaraca doista nisu potrebne fizikalne formule i teorije (koje jako dobro razumiju), a što je najvažnije, ne zanima ih apstraktan i suhoparan oblik u kojem su sada predstavljeni. Kao rezultat toga, masovno obrazovanje nema nikakvu funkciju - potrebno je samo vrijeme i trud. Školarci nemaju ništa manje od učitelja.

Pažnja: pogrešan pristup podučavanju znanosti može biti razoran

Kada bi zadaća školskog programa bila formiranje slike svijeta, situacija bi bila potpuno drugačija.

Naravno, treba postojati i specijalizirana nastava u kojoj se podučava rješavanje složenih problema i dubinski se upoznaju s teorijom koja se više ne presijeca sa svakodnevnim iskustvom. Ali bilo bi zanimljivije i korisnije za običnog, “masovnog” školarca znati koji zakoni funkcioniraju u fizičkom svijetu u kojem živi.

Stvar se, naravno, ne svodi na to da školarci umjesto udžbenika čitaju Perelmana. Moramo promijeniti pristup podučavanju. Mnogi dijelovi (primjerice, kvantna mehanika) mogli bi se izbaciti iz školskog kurikuluma, drugi bi se mogli reducirati ili revidirati, ako ne zbog sveprisutnih organizacijskih poteškoća, temeljnog konzervativizma predmeta i obrazovnog sustava u cjelini.

Ali hajde da sanjamo malo. Nakon ovih promjena možda bi se povećala i opća društvena adekvatnost: ljudi bi manje vjerovali svakojakim torzijskim prevarantima koji nagađaju o "zaštiti biopolja" i "normalizaciji aure" uz pomoć jednostavnih uređaja i komadići nepoznatih minerala.

Sve te posljedice opakog obrazovnog sustava promatrali smo već 90-ih godina, kada su najuspješniji prevaranti čak koristili znatne iznose iz državnog proračuna, a promatramo i sada, iako u manjem obimu.

Slavni Grigory Grabovoi ne samo da je uvjeravao da može uskrsnuti ljude, već je i snagom misli uklonio asteroide sa Zemlje i "psihički dijagnosticiranih" vladinih zrakoplova. Patronizirao ga nije bilo tko, nego general Georgij Rogozin, zamjenik načelnika Službe sigurnosti pri predsjedniku Ruske Federacije.

Kako se pripremiti za ispit iz fizike? A treba li marljivom učeniku neka posebna obuka?

“Pet u školi fizike. Idemo na tečajeve. Što još čini? Uostalom, fizika nije književnost, gdje morate pročitati 100 knjiga prije nego što napišete esej. Ovdje je sve jednostavno: zamjenjujete brojeve u formuli - dobivate svoje bodove.

Tako se obično svađaju kratkovidni roditelji i učenici. "Radi reda" pohađaju pripremne tečajeve na sveučilištu. Mjesec dana prije ispita, obraćaju se mentoru: “Nauči nas prije ispita i pokaži nam kako riješiti tipične probleme.” I odjednom grom iz vedra neba - niske ocjene na ispitu iz fizike. Zašto? Tko je kriv? Možda tutor?

Ispada da školska petica iz fizike nije vrijedila ništa! Nije ga teško dobiti - pročitajte odlomak u udžbeniku, dignite ruku u razredu, napravite izvještaj na temu "Lomonosovljev život" - i gotovi ste. Ne predaju probleme fizike u školi., a ispit iz ovog predmeta gotovo se u cijelosti sastoji od zadataka.

Ispada da u školi praktički nema fizičkog eksperimenta. Učenik zamišlja kondenzator ili petlju sa strujom kako mu kaže njegova fantazija. Očito, svaka fantazija sugerira nešto drugačije.

Ispada da u mnogim školama u Moskvi uopće nema fizike. Učenici često govore: “Ali imamo povjesničara koji vodi fiziku. A naš fizičar je bio bolestan godinu dana, a onda je emigrirao.”

Fizika je bila negdje u dvorištu školskog obrazovanja! Odavno se pretvorio u sporedni predmet, nešto poput životne sigurnosti ili prirodne povijesti.
U školi s fizikom - prava katastrofa.

Naše društvo već osjeća posljedice ove katastrofe. Postoji akutni nedostatak stručnjaka - inženjera, graditelja, dizajnera. nesreće uzrokovane čovjekom. Nesposobnost osoblja da upravlja čak i opremom koja je izgrađena u sovjetsko doba. I pritom – preobilje ljudi s diplomama ekonomije, prava ili “marketinškog menadžera”.

Mnogi odlaze na inženjerske specijalitete samo zato što je mala konkurencija. "Neće ići u MGIMO-u, ne želimo u vojsku, pa ćemo ići u MAI, morat ćemo se pripremiti za Jedinstveni državni ispit iz fizike." Pa se uz škripu pripremaju, preskaču nastavu i pitaju se: zašto se ti zadaci ne rješavaju?

Ovo se ne odnosi na vas, zar ne?

Fizika je prava znanost. Lijep. Paradoksalno. I vrlo zanimljivo. Nemoguće je tu “potegnuti” – mora se proučavati i sama fizika kao znanost.

Ne postoje "tipični" USE zadaci. Ne postoje čarobne "formule" u kojima trebate nešto zamijeniti. Fizika je razumijevanje na razini ideja. To je koherentan sustav složenih ideja o tome kako svijet funkcionira..

Ako se odlučite pripremiti za ispit iz fizike i upisati tehničko sveučilište, uključite se u ozbiljan posao.

Evo nekoliko praktičnih savjeta:

Savjet 1.
Počnite se pripremati za ispit iz fizike unaprijed. Dvije godine, odnosno 10. i 11. razred, optimalno je razdoblje priprema. U jednoj akademskoj godini još uvijek možete imati vremena nešto učiniti. I počnite dva mjeseca prije ispita – računajte na maksimalno 50 bodova.

Odmah upozoravamo na samopripremu. Rješavanje problema iz fizike je vještina. Štoviše, to je umjetnost koja se može naučiti samo pod vodstvom majstora – iskusnog tutora.

Savjet 2.
Fizika je nemoguća bez matematike. Ako imate praznine u matematičkoj pripremi, odmah ih otklonite. Znate li imate li ove praznine? Lako provjeriti. Ako ne možete rastaviti vektor na komponente, izraziti nepoznatu vrijednost iz formule ili riješiti jednadžbu, onda napravite matematiku.

Uostalom, rješavanje mnogih problema USE u fizici završava brojčanim odgovorom. Potreban vam je neprogramabilni kalkulator sa sinusima i logaritmima. Uredski kalkulator s četiri koraka ili kalkulator u mobitelu nije dobar.
Kupite neprogramabilni kalkulator na samom početku treninga kako biste ga svladali na razini automatizma. Svaki problem koji rješavate dovedite do kraja, odnosno do točnog brojčanog odgovora.

Koje su knjige najbolje za pripremu za ispit iz fizike?

1. Rymkevichev zadatak.

Sadrži mnogo jednostavnih zadataka koje je dobro dohvatiti. Nakon "Rymkevicha" formule se pamte same, a problemi dijela A rješavaju se bez poteškoća.

2. Još neke korisne knjige:
Bendrikov G. A., Bukhovtsev B. B., Kerzhentsev V. V., Myakishev G. Ya. Problemi u fizici za kandidate za sveučilišta.
Bakanina L. P., Belonuchkin V. E., Kozel S. M. Zbirka zadataka iz fizike: Za razrede 10–11 s dubljim proučavanjem fizike.
Parfent'eva N. A. Zbirka zadataka iz fizike. 10-11 razred.

Najvažnija stvar. Da biste se uspješno pripremili za ispit iz fizike, morate jasno razumjeti zašto vam je potreban. Uostalom, ne samo da bi položili ispit, da bi ušli i družili se iz vojske?
Mogući odgovor bi mogao biti ovaj. Neophodno je pripremiti se za Jedinstveni državni ispit iz fizike kako biste u budućnosti postali visokokvalificirani, traženi specijalist. Štoviše, znanje fizike pomoći će vam da postanete istinski obrazovana osoba.

Da biste uspjeli na ispitu iz fizike, morate biti pažljivi u učionici, redovito učiti novo gradivo i dovoljno duboko razumjeti osnovne ideje i principe. Da biste to učinili, možete koristiti nekoliko metoda i surađivati ​​s kolegama iz razreda kako biste konsolidirali znanje. Osim toga, važno je dobro se odmoriti i dobro prigristi prije ispita, kao i ostati miran tijekom njega. Ako ste dobro učili prije ispita, možete ga položiti bez problema.

Koraci

Kako izvući maksimum iz nastave

Počnite proučavati gradivo koje ste pokrili nekoliko dana ili tjedana prije ispita. Malo je vjerojatno da ćete normalno položiti ispit ako se za njega počnete pripremati zadnje večeri. Zakažite vrijeme za proučavanje i konsolidaciju gradiva te rješavanje praktičnih problema nekoliko dana ili čak tjedana prije ispita kako biste se imali vremena pravilno pripremiti za njega.

• Pokušajte što bolje savladati potrebno gradivo kako biste se osjećali samopouzdano tijekom ispita.

1. Pregledajte teme koje bi se mogle pojaviti na ispitu. Najvjerojatnije su upravo te teme koje ste nedavno obrađivali na satu i zadali ste zadaću o njima. Pregledajte bilješke koje ste vodili na nastavi i pokušajte zapamtiti osnovne formule i koncepte koji će vam možda trebati za polaganje ispita.

2. Prije nastave pročitajte udžbenik. Unaprijed se upoznajte s relevantnom temom kako biste mogli bolje apsorbirati gradivo tijekom lekcije. Mnogi fizički principi temelje se na onome što ste prije proučavali. Identificirajte sve točke koje ne razumijete i zapišite pitanja koja ćete postaviti svom učitelju.

   • Na primjer, ako ste već naučili kako odrediti brzinu, vjerojatno ćete u sljedećem koraku naučiti izračunati prosječno ubrzanje. Unaprijed pročitajte odgovarajući dio udžbenika kako biste bolje razumjeli gradivo.

3. Riješite probleme kod kuće. Nakon svakog sata škole, provedite barem 2-3 sata pamteći nove formule i učeći ih koristiti. Ovo ponavljanje pomoći će vam da bolje upijete nove ideje i naučite kako riješiti probleme koji se mogu pojaviti na ispitu.

   • Ako želite, možete zabilježiti vrijeme za reprodukciju uvjeta nadolazećeg ispita.

4. Pregledajte i ispravite domaću zadaću. Pregledajte dovršenu domaću zadaću i pokušajte ponovno riješiti sve probleme koji su vam uzrokovali poteškoće ili nisu bili ispravno dovršeni. Imajte na umu da mnogi učitelji postavljaju ista pitanja i zadatke na ispitu koje su susreli u zadaći.

   • Čak i ispravno obavljene zadatke treba pregledati kako bi se objedinilo obrađeno gradivo.

5. Pohađajte sve tečajeve i budite oprezni. U fizici se nove ideje i koncepti grade na prethodnom znanju, zbog čega je toliko važno ne izostajati sa lekcija i redovito učiti, inače možete zaostati za drugima. Ako ne možete pohađati sat, svakako uzmite svoje bilješke i pročitajte odgovarajući odjeljak u svom udžbeniku.

   • Ako ne možete pohađati nastavu zbog nužde ili bolesti, pitajte svog učitelja koji materijal trebate naučiti.

6. Koristite kartice za bolje pamćenje raznih pojmova i formula. Napišite naziv fizikalnog zakona na jednoj strani kartice, a odgovarajuću formulu na drugoj. Neka netko pročita naziv formule naglas, a zatim ga pokušajte ispravno napisati.

   • Na primjer, možete napisati "brzinu" na jednoj strani kartice, a napisati odgovarajuću formulu na drugoj: "v = s / t".
   • Na jednoj strani kartice možete napisati "Newtonov drugi zakon", a na drugu odgovarajuću formulu: "∑F = ma".

7. Prisjetite se što vam je uzrokovalo najviše problema na prošlim ispitima. Ako ste već ranije pisali testove ili polagali ispite, posebnu pozornost trebate posvetiti onim temama koje su vam izazvale poteškoće. Na taj način ćete zategnuti svoje slabe točke i moći ćete dobiti veći rezultat.

   • Posebno je korisno to učiniti prije završnih ispita, kojima se ocjenjuje znanje iz mnogih područja fizike.

Kako se pripremiti za ispit

1. Spavajte noć prije ispita 7-8 sati . Potrebno je dovoljno naspavati se kako bi lakše zapamtili obrađeno gradivo i pronašli prava rješenja za probleme. Ako se nagurate cijelu noć i ne odmarate se, sljedećeg jutra nećete se dobro sjećati onoga što ste naučili dan prije.

   • Čak i ako je ispit zakazan za sredinu dana, bolje je ustati rano i pripremiti se unaprijed.
   • U fizici je potrebna povećana pažnja i kritičko razmišljanje, pa je na ispit bolje doći odmoran i odmoran.
   • Slijedite uobičajeni raspored spavanja - to će vam omogućiti da konsolidirate stečeno znanje.

2. Pojedite dobar doručak na dan ispita. Za doručak je dobro jesti hranu bogatu sporo probavljivim ugljikohidratima, poput zobenih pahuljica ili kruha od cjelovitih žitarica, kako biste učinkovitije obavili ispit. Također biste trebali jesti proteinsku hranu kao što su jaja, jogurt ili mlijeko kako biste dulje ostali siti. Konačno, dajte svom tijelu dodatni poticaj energije zaokružujući doručak voćem bogatim vlaknima kao što su jabuke, banane ili kruške.

   • Zdrav, obilan doručak prije ispita pomoći će vam da bolje zapamtite ono što ste naučili.

Osnovne formule iz fizike, objašnjenja formula, školski program i daljnje školovanje, pomoć studentu u proučavanju fizike, praktična primjena f...

Osnovne formule iz fizike za 9. razred. Sve što trebate znati!

Od Masterweba

05.06.2018 14:00

Fizika je rigorozna tehnička znanost. Ponekad ne uspijevaju svi održati korak u ovoj disciplini tijekom školskih godina. Štoviše, nema svaki učenik logičan i tehnički način razmišljanja, a fizika u školi je prisiljena podučavati apsolutno sve. Formule iz udžbenika možda neće stati u glavu. U ovom ćemo članku razmotriti osnovne formule iz fizike za 9. razred mehanike.

Mehanika

Vrijedno je početi s najosnovnijim i najjednostavnijim zakonima fizike. Kao što znate, tako opsežna tema kao što je mehanika sastoji se od tri odlomka:

1. Statika.
2. Dinamika.
3. Kinematika.

Kinematika se proučava u 10. razredu, pa je nećemo razmatrati u okviru ovog članka.

Statika

Treba ga proučavati uzastopno, počevši od jednostavnih formula statike. Naime, iz formula pritiska, momenta tromosti tijela okretanja i momenta sile. Formule za 9. razred fizike s objašnjenjima bit će jasno prikazane u nastavku.

Tlak je mjera sile koja djeluje na površinu tijela, mjerena u Pascalima. Tlak se izračunava kao omjer sile i površine, tako da će formula izgledati što jednostavnije:

Moment tromosti tijela okretanja je mjera tromosti u rotacijskom gibanju tijela oko sebe, ili, strogo govoreći, umnožak mase tijela i njegovog kvadrata polumjera. Odgovarajuća formula je:

Moment sile (ili, kako ga mnogi zovu, rotacijski moment) je sila koja se primjenjuje na kruto tijelo i stvara rotaciju. Ovo je vektorska veličina, koja također može imati negativan predznak, mjerena u metrima pomnoženim s Newtonom. U kanonskom prikazu, formula podrazumijeva umnožak sile primijenjene na tijelo i udaljenosti (rame sile), formula:

Dinamika

Formule iz fizike 7-9 razreda s objašnjenjima o dinamici - naš sljedeći korak. Zapravo, ovo je najveći i najznačajniji dio mehanike. Sva tijela su podložna kretanju, čak i u mirovanju, na njih djeluju neke sile, izazivajući kretanje. Važni koncepti koje treba naučiti prije razumijevanja dinamike su put, brzina, ubrzanje i masa.

Prvi korak je, naravno, proučavanje Newtonovih zakona.

Prvi Newtonov zakon je definicija bez formule. Kaže da tijelo ili miruje ili se kreće, ali tek nakon što se sve sile koncentrirane na njega uravnoteže.

Drugi i najpoznatiji Newtonov zakon kaže da ubrzanje tijela ovisi o sili koja se na njega primjenjuje. Formula također uključuje masu objekta na koji se primjenjuje sila.

Napominjemo da je gornja formula napisana u skalarnom obliku - sila i ubrzanje u vektoru mogu imati negativan predznak, to se mora uzeti u obzir.

Treći Newtonov zakon: sila djelovanja jednaka je sili reakcije. Sve što trebate znati iz ovog zakona je da svaka sila ima istu silu u opoziciji, samo usmjerenu u suprotnom smjeru, čime se održava ravnoteža na našem planetu.

Sada razmotrimo druge sile koje djeluju u okviru dinamike, a to su sila gravitacije, elastičnosti, trenja i sila trenja kotrljanja. Svi su vektorski i mogu se usmjeravati u bilo kojem smjeru, a zajedno mogu tvoriti sustave: zbrajati i oduzimati, množiti ili dijeliti. Ako sile nisu usmjerene paralelno jedna s drugom, tada će se u izračunu morati koristiti kosinus kuta između njih.

Formule iz fizike 9. razreda u svoj program uključuju i zakon univerzalne gravitacije i kozmičke brzine koje bi svaki učenik trebao znati.

Zakon univerzalne gravitacije je zakon Isaaca Newtona, nama već ozloglašenog, koji se pojavljuje u njegovoj klasičnoj teoriji. Zapravo, pokazalo se revolucionarnim: zakon kaže da svako tijelo koje se nalazi u Zemljinom gravitacijskom polju privlači svoju jezgru. I doista jest.

svemirske brzine

Prva kozmička brzina potrebna je za ulazak u Zemljinu orbitu (numerički jednaka 7,9 km/s), a druga kozmička brzina je potrebna za prevladavanje gravitacijske privlačnosti kako bi se otišlo ne samo izvan orbite, već i omogućilo pomicanje objekta u nekružnoj putanji. Jednaka je 11,2 km / s, respektivno. Važno je da je čovječanstvo prevladalo obje kozmičke brzine, a zahvaljujući njima danas su mogući letovi u svemir. Formule iz fizike za 9. razred ne podrazumijevaju treću i četvrtu kozmičku brzinu, ali one također postoje.

Zaključak

U ovom članku razmatrane su osnovne formule iz fizike za 9. razred. Njihov studij otvara mogućnosti studentima da nauče složenije dijelove fizike, kao što su elektricitet, magnetizam, zvučna ili molekularna teorija. Bez poznavanja mehanike nemoguće je razumjeti ostatak fizike, mehanika je danas temeljni dio ove znanosti. Formule iz fizike za 9. razred također su potrebne za polaganje državnog ispita iz fizike, njihov sažetak i pravopis mora znati svaki maturant 9. razreda koji upisuje tehničku školu. Nije teško zapamtiti ih.

Ulica Kievyan, 16 0016 Armenija, Yerevan +374 11 233 255

Znanstvenici s planeta Zemlje koriste mnoštvo alata kako bi pokušali opisati kako priroda i svemir u cjelini funkcioniraju. Da dolaze do zakona i teorija. Koja je razlika? Znanstveni zakon se često može svesti na matematičku izjavu, poput E = mc²; ova se izjava temelji na empirijskim podacima i njezina je istinitost, u pravilu, ograničena na određeni skup uvjeta. U slučaju E = mc² - brzina svjetlosti u vakuumu.

Znanstvena teorija često nastoji sintetizirati skup činjenica ili opažanja određenih pojava. I općenito (ali ne uvijek) postoji jasna i provjerljiva izjava o tome kako priroda funkcionira. Uopće nije potrebno svesti znanstvenu teoriju na jednadžbu, ali ona predstavlja nešto temeljno o funkcioniranju prirode.

I zakoni i teorije ovise o osnovnim elementima znanstvene metode, kao što su postavljanje hipoteza, provođenje eksperimenata, pronalaženje (ili nenalaženje) empirijskih dokaza i donošenje zaključaka. Uostalom, znanstvenici moraju biti u stanju replicirati rezultate ako eksperiment želi postati temelj za općeprihvaćeni zakon ili teoriju.

U ovom članku ćemo se osvrnuti na deset znanstvenih zakona i teorija s kojima se možete pozabaviti čak i ako, na primjer, ne koristite toliko često skenirajući elektronski mikroskop. Počnimo s eksplozijom, a završimo s neizvjesnošću.

Ako je vrijedno poznavati barem jednu znanstvenu teoriju, onda neka objasni kako je svemir dosegao svoje trenutno stanje (ili ga nije dostigao). Na temelju studija Edwina Hubblea, Georgesa Lemaitrea i Alberta Einsteina, teorija Velikog praska postulira da je svemir počeo prije 14 milijardi godina masivnim širenjem. U nekom trenutku, svemir je bio zatvoren u jednoj točki i obuhvaćao je svu materiju trenutnog svemira. Ovo kretanje traje do danas, a sam svemir se neprestano širi.

Teorija Velikog praska dobila je široku podršku u znanstvenim krugovima nakon što su Arno Penzias i Robert Wilson otkrili kozmičku mikrovalnu pozadinu 1965. godine. Koristeći radioteleskope, dva astronoma su otkrila kozmičku buku, ili statičku, koja se ne gubi tijekom vremena. U suradnji s istraživačem s Princetona Robertom Dickeom, par znanstvenika je potvrdio Dickeovu hipotezu da je izvorni Veliki prasak iza sebe ostavio nisko-razinu zračenja koje se može naći u cijelom svemiru.

Hubbleov zakon kozmičke ekspanzije

Zadržimo Edwina Hubblea na trenutak. Dok je 1920-ih bjesnila Velika depresija, Hubble je izvodio revolucionarna astronomska istraživanja. Ne samo da je dokazao da osim Mliječne staze postoje i druge galaksije, već je također otkrio da te galaksije jure od naše, pokret koji je nazvao povlačenjem.

Kako bi kvantificirao brzinu ovog galaktičkog kretanja, Hubble je predložio zakon kozmičke ekspanzije, zvani Hubbleov zakon. Jednadžba izgleda ovako: brzina = H0 x udaljenost. Brzina je brzina recesije galaksija; H0 je Hubbleova konstanta ili parametar koji pokazuje brzinu širenja svemira; udaljenost je udaljenost jedne galaksije do one s kojom se vrši usporedba.

Hubbleova konstanta je već neko vrijeme izračunata na različitim vrijednostima, ali trenutno je zaglavljena na 70 km/s po megaparsecu. Za nas to nije toliko važno. Važno je da je zakon prikladan način za mjerenje brzine jedne galaksije u odnosu na našu. I što je još važnije, zakon je utvrdio da se Svemir sastoji od mnogih galaksija čije se kretanje može pratiti do Velikog praska.

Keplerovi zakoni gibanja planeta

Stoljećima su se znanstvenici borili jedni protiv drugih i vjerskih vođa oko orbita planeta, posebno bez obzira kruže li se oko Sunca. U 16. stoljeću Kopernik je iznio svoj kontroverzni koncept heliocentričnog Sunčevog sustava, u kojem se planeti okreću oko Sunca, a ne oko Zemlje. Međutim, tek se Johannes Kepler, koji se oslanjao na rad Tycha Brahea i drugih astronoma, pojavio jasna znanstvena osnova za gibanje planeta.

Keplerova tri zakona o gibanju planeta, razvijena početkom 17. stoljeća, opisuju kretanje planeta oko Sunca. Prvi zakon, koji se ponekad naziva i zakon orbita, kaže da se planeti okreću oko Sunca po eliptičnoj orbiti. Drugi zakon, zakon područja, kaže da linija koja povezuje planet i Sunce tvori jednaka područja u pravilnim razmacima. Drugim riječima, ako izmjerite područje stvoreno povučenom linijom od Zemlje do Sunca i pratite kretanje Zemlje 30 dana, površina će biti ista bez obzira na položaj Zemlje u odnosu na ishodište.

Treći zakon, zakon razdoblja, omogućuje vam da uspostavite jasan odnos između orbitalnog perioda planeta i udaljenosti do Sunca. Zahvaljujući ovom zakonu znamo da planet koji je relativno blizu Sunca, poput Venere, ima mnogo kraći period orbite od udaljenih planeta poput Neptuna.

Univerzalni zakon gravitacije

To bi moglo biti uobičajeno danas, ali prije više od 300 godina, Sir Isaac Newton je predložio revolucionarnu ideju: bilo koja dva objekta, bez obzira na njihovu masu, međusobno privlače gravitaciju. Taj zakon predstavlja jednadžba s kojom se mnogi školarci susreću u višim razredima fizike i matematike.

F = G × [(m1m2)/r²]

F je gravitacijska sila između dva objekta, mjerena u njutnima. M1 i M2 su mase dvaju objekata, dok je r udaljenost između njih. G je gravitacijska konstanta, trenutno izračunata kao 6,67384(80) 10 -11 ili N m² kg -2 .

Prednost univerzalnog zakona gravitacije je u tome što vam omogućuje izračunavanje gravitacijske privlačnosti između bilo koja dva objekta. Ova je sposobnost iznimno korisna kada znanstvenici, primjerice, lansiraju satelit u orbitu ili određuju tijek Mjeseca.

Newtonovi zakoni

Dok smo na temi jednog od najvećih znanstvenika koji je ikada živio na Zemlji, razgovarajmo o drugim poznatim Newtonovim zakonima. Njegova tri zakona gibanja čine bitan dio moderne fizike. I kao i mnogi drugi zakoni fizike, oni su elegantni u svojoj jednostavnosti.

Prvi od tri zakona kaže da pokretni objekt ostaje u pokretu osim ako na njega djeluje vanjska sila. Za lopticu koja se kotrlja po podu, vanjska sila može biti trenje između lopte i poda ili dječak koji udara loptu u drugom smjeru.

Drugi zakon uspostavlja odnos između mase objekta (m) i njegovog ubrzanja (a) u obliku jednadžbe F = m x a. F je sila koja se mjeri u njutnima. Također je vektor, što znači da ima usmjerenu komponentu. Zbog ubrzanja, lopta koja se kotrlja po podu ima poseban vektor u smjeru svog kretanja, a to se uzima u obzir pri izračunavanju sile.

Treći zakon je prilično smislen i trebao bi vam biti poznat: za svaku akciju postoji jednaka i suprotna reakcija. To jest, za svaku silu primijenjenu na predmet na površini, predmet se odbija istom silom.

Zakoni termodinamike

Britanski fizičar i pisac C.P. Snow jednom je rekao da je neznanstvenik koji ne poznaje drugi zakon termodinamike sličan znanstveniku koji nikada nije čitao Shakespearea. Snowova sada poznata izjava naglašavala je važnost termodinamike i potrebu da je poznaju čak i ljudi koji su daleko od znanosti.

Termodinamika je znanost o tome kako energija funkcionira u sustavu, bilo da se radi o motoru ili Zemljinoj jezgri. Može se svesti na nekoliko osnovnih zakona, koje je Snow opisao na sljedeći način:

• Ne možete pobijediti.
• Nećete izbjeći gubitke.
• Ne možete izaći iz igre.

Pogledajmo ovo malo. Ono što je Snow mislio rekavši da ne možete pobijediti je da, budući da se materija i energija čuvaju, ne možete dobiti jedno, a da ne izgubite drugo (tj. E=mc²). To također znači da trebate opskrbiti toplinom za pokretanje motora, ali u nedostatku savršeno zatvorenog sustava, dio topline će neizbježno pobjeći u otvoreni svijet, što će dovesti do drugog zakona.

Drugi zakon – gubici su neizbježni – znači da se zbog povećanja entropije ne možete vratiti u prijašnje energetsko stanje. Energija koncentrirana na jednom mjestu uvijek će težiti mjestima niže koncentracije.

Konačno, treći zakon – ne možete izaći iz igre – odnosi se na najnižu teoretski moguću temperaturu – minus 273,15 stupnjeva Celzija. Kada sustav dosegne apsolutnu nulu, kretanje molekula prestaje, što znači da će entropija dosegnuti najnižu vrijednost i neće biti niti kinetičke energije. Ali u stvarnom svijetu nemoguće je doseći apsolutnu nulu - samo vrlo blizu nje.

Arhimedova snaga

Nakon što je starogrčki Arhimed otkrio njegov princip uzgona, navodno je povikao "Eureka!" (Pronađen!) i trčao gol kroz Sirakuzu. Tako kaže legenda. Otkriće je bilo tako važno. Legenda također kaže da je Arhimed otkrio princip kada je primijetio da se voda u kadi diže kada je tijelo uronjeno u nju.

Prema Arhimedovom principu uzgona, sila koja djeluje na potopljeni ili djelomično potopljeni objekt jednaka je masi tekućine koju predmet istiskuje. Ovaj princip je od iznimne važnosti u izračunima gustoće, kao iu dizajnu podmornica i drugih prekooceanskih plovila.

Evolucija i prirodna selekcija

Sada kada smo uspostavili neke od osnovnih koncepata o tome kako je svemir nastao i kako fizički zakoni utječu na naš svakodnevni život, usmjerimo pozornost na ljudski oblik i otkrijmo kako smo došli do ove točke. Prema većini znanstvenika, sav život na Zemlji ima zajedničkog pretka. Ali da bi se stvorila tako velika razlika između svih živih organizama, neki od njih morali su se pretvoriti u zasebnu vrstu.

U općem smislu, ova diferencijacija se dogodila u procesu evolucije. Populacije organizama i njihove osobine prošle su kroz mehanizme kao što su mutacije. One s više osobina preživljavanja, poput smeđih žaba koje se kamufliraju u močvarama, prirodno su odabrane za preživljavanje. Odatle dolazi pojam prirodna selekcija.

Ove dvije teorije možete pomnožiti mnogo, mnogo puta, a zapravo je Darwin to učinio u 19. stoljeću. Evolucija i prirodna selekcija objašnjavaju ogromnu raznolikost života na Zemlji.

Opća teorija relativnosti

Albert Einstein bio je i ostao najvažnije otkriće koje je zauvijek promijenilo naš pogled na svemir. Einsteinov glavni proboj bila je izjava da prostor i vrijeme nisu apsolutni, a gravitacija nije samo sila koja se primjenjuje na objekt ili masu. Umjesto toga, gravitacija ima veze s činjenicom da masa iskrivljuje prostor i vrijeme (prostor-vrijeme).

Da biste to shvatili, zamislite da se vozite preko Zemlje u ravnoj liniji u smjeru istoka, recimo, sa sjeverne hemisfere. Nakon nekog vremena, ako netko želi točno odrediti vašu lokaciju, bit ćete mnogo južnije i istočno od svog izvornog položaja. To je zato što je zemlja zakrivljena. Da biste vozili ravno prema istoku, morate uzeti u obzir oblik Zemlje i voziti pod kutom malo sjevernije. Usporedite okruglu loptu i list papira.

Prostor je poprilično isti. Primjerice, putnicima rakete koja leti oko Zemlje bit će očito da lete pravocrtno u svemiru. Ali u stvarnosti, prostor-vrijeme oko njih se savija pod silom Zemljine gravitacije, zbog čega se kreću naprijed i ostaju u Zemljinoj orbiti.

Einsteinova teorija imala je ogroman utjecaj na budućnost astrofizike i kozmologije. Objasnila je malu i neočekivanu anomaliju u Merkurovoj orbiti, pokazala kako se svjetlost zvijezda savija i postavila teorijske temelje za crne rupe.

Heisenbergov princip nesigurnosti

Einsteinova ekspanzija relativnosti nas je naučila više o tome kako svemir funkcionira i pomogla je postaviti temelje za kvantnu fiziku, što je dovelo do potpuno neočekivane neugodnosti teorijske znanosti. Godine 1927. spoznaja da su svi zakoni svemira fleksibilni u određenom kontekstu dovela je do zapanjujućeg otkrića njemačkog znanstvenika Wernera Heisenberga.

Postulirajući svoj princip nesigurnosti, Heisenberg je shvatio da je nemoguće znati dva svojstva čestice istovremeno s visokom razinom točnosti. Možete znati položaj elektrona s visokim stupnjem točnosti, ali ne i njegov zamah, i obrnuto.

Kasnije je Niels Bohr došao do otkrića koje je pomoglo objasniti Heisenbergov princip. Bohr je otkrio da elektron ima kvalitete i čestice i vala. Koncept je postao poznat kao dualitet val-čestica i činio je osnovu kvantne fizike. Stoga, kada mjerimo položaj elektrona, definiramo ga kao česticu u određenoj točki u prostoru s neodređenom valnom duljinom. Kada mjerimo zamah, smatramo elektron valom, što znači da možemo znati amplitudu njegove duljine, ali ne i položaj.