Начинаем серию статей о проблемах и устаревших концепциях в школьной программе и предлагаем порассуждать о том, зачем школьникам нужна физика, и почему сегодня её преподают не так, как хотелось бы.

Для чего современный школьник изучает физику? Или для того, чтобы ему не надоедали родители и учителя, или же затем, чтобы успешно сдать ЕГЭ по выбору, набрать нужное количество баллов и поступить в хороший вуз. Есть ещё вариант, что школьник физику любит, но эта любовь обычно существует как-то отдельно от школьной программы.

В любом из этих случаев преподавание ведётся по одинаковой схеме. Оно подстраивается под систему собственного контроля - знания должны преподноситься в такой форме, чтобы их можно было легко проверить. Для этого и существует система ГИА и ЕГЭ, а подготовка к этим экзаменам в результате и становится главной целью обучения.

Как устроено ЕГЭ по физике в его сегодняшнем варианте? Задания экзамена составляются по специальному кодификатору , куда входят формулы, которые, по идее, должен знать каждый ученик. Это около сотни формул по всем разделам школьной программы - от кинематики до физики атомного ядра.

Большая часть заданий - где-то 80% - направлена именно на применение этих формул. Причем другие способы решения использовать нельзя: подставил формулу, которой нет в списке - недополучил какое-то количество баллов, даже если ответ сошелся. И только оставшиеся 20% - это задачи на понимание.

В результате главная цель преподавательской работы сводится к тому, чтобы ученики знали этот набор формул и могли его применять. А вся физика сводится к несложной комбинаторике: прочитай условия задачи, пойми, какая формула тебе нужна, подставь нужные показатели и просто получи результат.

В элитарных и специализированных физико-математических школах обучение, конечно, устроено иначе. Там, как и при подготовке к всевозможным олимпиадам, присутствует какой-то элемент творчества, а комбинаторика формул становится намного сложнее. Но нас здесь интересует именно базовая программа по физике и её недостатки.

Стандартные задачи и абстрактные теоретические построения, которые должен знать обычный школьник, очень быстро выветриваются из головы. В результате физику после окончания школы уже никто не знает - кроме того меньшинства, которому это почему-то интересно или нужно по специальности.

Получается, что наука, главной целью которой было познание природы и реального физического мира, в школе становится донельзя абстрактной и удаленной от повседневного человеческого опыта. Физику, как и другие предметы, учат зубрёжкой, а когда в старших классах объём знаний, который необходимо усвоить, резко возрастает, всё зазубрить становится просто невозможно.

Наглядно о «формульном» подходе к обучению.

Но это было бы и необязательно, если бы целью обучения было не применение формул, а понимание предмета. Понимать - это, в конечном счёте, намного легче, чем зубрить.

Формировать картину мира

Посмотрим, к примеру, как работают книжки Якова Перельмана «Занимательная физика», «Занимательная математика», которыми зачитывались многие поколения школьников и после-школьников. Почти каждый параграф перельмановской «Физики» учит ставить вопросы, которые каждый ребенок может себе задать, отталкиваясь от элементарной логики и житейского опыта.

Задачки, которые нам здесь предлагают решить - не количественные, а качественные: нужно не подсчитать какой-то абстрактный показатель вроде коэффициента полезного действия, а поразмышлять, почему вечный двигатель невозможен в реальности, можно ли выстрелить из пушки до луны; нужно провести опыт и оценить, каким будет эффект от какого-либо физического взаимодействия.

Пример из «Занимательной физики» 1932 года: задача о крыловских лебеде, раке и щуке, решённая по правилам механики. Равнодействующая (OD) должна увлекать воз в воду.

Одним словом, заучивать формулы здесь не обязательно - главное понимать, каким физическим законам подчиняются предметы окружающей действительности. Проблема только в том, что знания такого рода куда сложнее поддаются объективной проверке, чем наличие в голове школьника точно определённого набора формул и уравнений.

Поэтому физика для обычного ученика оборачивается тупой зубрежкой, а в лучшем случае - некой абстрактной игрой ума. Формировать у человека целостную картину мира - совсем не та задача, которую де факто выполняет современная система образования. В этом отношении, кстати, она не слишком отличается от советской, которую многие склонны переоценивать (потому что раньше мы, мол, атомные бомбы разрабатывали и в космос летали, а сейчас только нефть умеем продавать).

По знанию физики ученики после окончания школы сейчас, как и тогда, делятся примерно на две категории: те, кто знает её очень хорошо, и те, кто не знает совсем. Со второй категорией ситуация особенно ухудшилась, когда время преподавания физики в 7-11 классе сократилось с 5 до 2 часов в неделю.

Большинству школьников физические формулы и теории действительно не нужны (что они прекрасно понимают), а главное - неинтересны в том абстрактном и сухом виде, в котором они преподносятся сейчас. В итоге массовое образование не выполняет никакой функции - только отнимает время и силы. У школьников - не меньше, чем у учителей.

Attention: неправильный подход к преподаванию точных наук может иметь разрушительные последствия

Если бы задачей школьной программы было формирование картины мира, ситуация была бы совершенно иной.

Конечно, должны быть и специализированные классы, где учат решать сложные задачи и глубоко знакомят с теорией, которая уже не пересекается с повседневным опытом. Но обычному, «массовому» школьнику было бы интереснее и полезнее знать, по каким законам работает физический мир, в котором он живет.

Дело, конечно, не сводится к тому, чтобы школьники вместо учебников читали Перельмана. Нужно изменить сам подход к преподаванию. Многие разделы (например, квантовую механику) можно было бы изъять из школьной программы, другие - сократить или пересмотреть, если бы не вездесущие организационные трудности, принципиальный консерватизм предмета и образовательной системы в целом.

Но позволим себе немного помечтать. После этих изменений, может быть, повысилась бы и общая социальная адекватность: люди бы меньше верили всяческим торсионным аферистам, спекулирующим на «защите биополя» и «нормализации ауры» с помощью нехитрых приспособлений и кусков неведомых минералов.

Все эти последствия порочной системы образования мы уже наблюдали в 90-е, когда самые удачливые мошенники даже пользовались немалыми суммами из госбюджета, - наблюдаем и сейчас, хотя и в меньших масштабах.

Знаменитый Григорий Грабовой не только уверял, что может воскрешать людей, но и отводил астероиды от Земли силой мысли и «экстрасенсорно диагностровал» правительственные самолёты. Ему покровительствовал не кто-нибудь, а генерал Георгий Рогозин, заместитель начальника Службы безопасности при президенте РФ.

Как готовиться к ЕГЭ по физике? Да и нужна ли старательному ученику какая-то специальная подготовка ?

«В школе по физике пятерка. Ходим на курсы. Что еще надо? Ведь физика - не литература, где надо прочитать 100 книг, прежде чем написать сочинение. Здесь всё просто: подставишь числа в формулу - получишь свои баллы».

Так обычно рассуждают недальновидные родители и ученики. «Для порядка» посещают подготовительные курсы при вузе. За месяц до экзамена обращаются к репетитору: «Поднатаскайте нас перед ЕГЭ и покажите, как решать типовые задачи». И вдруг гром среди ясного неба – низкие баллы на ЕГЭ по физике. Почему? Кто виноват? Может быть, репетитор?

Оказывается, что школьная пятерка по физике ничего не стоила! Получить ее несложно – прочитай параграф в учебнике, подними руку на уроке, сделай доклад по теме «Жизнь Ломоносова», - и готово. В школе не учат решать задачи по физике , а ЕГЭ по этому предмету почти полностью состоит из задач.

Оказывается, что в школе практически нет физического эксперимента. Ученик представляет себе конденсатор или рамку с током так, как ему фантазия подскажет. Очевидно, каждому фантазия подсказывает что-то своё.

Оказывается, во многих школах Москвы вообще нет физики. Часто ученики сообщают: «А у нас физику ведет историк. А у нас физичка год болела, а потом эмигрировала».

Физика оказалась где-то на задворках школьного образования! Она давно превратилась во второстепенный предмет, что-то вроде ОБЖ или природоведения.
В школе с физикой – настоящая катастрофа .

Последствия этой катастрофы наше общество ощущает уже сейчас. Острая нехватка специалистов – инженеров, строителей, конструкторов. Техногенные аварии. Неспособность персонала управляться даже с тем оборудованием, которое построено в советское время. И в то же время – переизбыток людей с дипломами экономиста, юриста или «менеджера по маркетингу».

На инженерные специальности многие идут лишь потому, что там низкий конкурс. «В МГИМО не получится, в армию не хотим, значит, пойдем в МАИ, придется готовиться к ЕГЭ по физике». Вот и готовятся со скрипом, прогуливая занятия и удивляясь: почему это задачки не решаются?

К вам это не относится, правда?

Физика - это настоящая наука. Красивая. Парадоксальная. И очень интересная. «Натаскаться» здесь невозможно – надо изучать саму физику как науку.

Нет никаких «типовых» задач ЕГЭ. Нет волшебных «формул», в которые надо что-то подставить. Физика – это понимание на уровне идей. Это стройная система сложных идей о том, как устроен мир .

Если вы решили готовиться к ЕГЭ по физике и поступать в технический вуз – настраивайтесь на серьезную работу.

Вот несколько практических советов:

Совет 1.
Начинайте готовиться к ЕГЭ по физике заблаговременно. Два года, то есть 10 и 11 класс – оптимальный срок подготовки. За один учебный год еще можно успеть что-то сделать. А начнете за два месяца до экзамена – рассчитывайте максимум на 50 баллов.

Сразу предостерегаем от самостоятельной подготовки. Решать задачи по физике – это мастерство. Более того – это искусство, научиться которому можно только под руководством мастера – опытного репетитора.

Совет 2.
Физика невозможна без математики. Если у вас есть пробелы в математической подготовке – ликвидируйте их немедленно. Вы не знаете, есть ли у вас эти пробелы? Легко проверить. Если вы не можете разложить вектор по составляющим, выразить неизвестную величину из формулы или решить уравнение – значит, займитесь математикой .

Ведь решение многих задач ЕГЭ по физике заканчивается получением численного ответа. Вам нужен непрограммируемый калькулятор с синусами и логарифмами. Офисный калькулятор с четырьмя действиями или калькулятор в мобильном телефоне – не годится.
Купите непрограммируемый калькулятор в самом начале подготовки, чтобы освоить его на уровне автоматизма. Каждую задачу, которую решаете, доводите до конца, то есть до правильного численного ответа.

По каким книгам лучше всего готовиться к ЕГЭ по физике?

1. Задачник Рымкевича.

Он содержит много простых задач, на которых хорошо набивать руку. После «Рымкевича» формулы запоминаются сами собой, и задачи части А решаются без труда.

2. Еще несколько полезных книг:
Бендриков Г. А., Буховцев Б. Б., Керженцев В. В., Мякишев Г. Я. Задачи по физике для поступающих в ВУЗы.
Баканина Л. П., Белонучкин В. Е., Козел С. М. Сборник задач по физике: Для 10–11 классов с углубленным изучением физики.
Парфентьева Н. А. Сборник задач по физике. 10–11 класс.

Самое главное. Чтобы успешно готовиться к ЕГЭ по физике, надо четко осознавать, для чего вам это нужно. Ведь не только для того, чтобы сдать ЕГЭ, поступить и откосить от армии?
Возможный ответ может быть таким. Готовиться к ЕГЭ по физике надо для того, чтобы стать в будущем высококлассным, востребованным специалистом. Более того – знание физики поможет вам стать по-настоящему образованным человеком.

Чтобы успешно сдать экзамен по физике, необходимо быть внимательным на занятиях в классе, регулярно изучать новый материал и достаточно глубоко понимать основные идеи и принципы. Для этого можно использовать несколько методов и сотрудничать с одноклассниками, чтобы закрепить знания. Кроме того, важно хорошо отдохнуть и как следует перекусить перед экзаменом, а также сохранять спокойствие во время него. Если вы как следует учились перед экзаменом, то сможете сдать его без особых проблем.

Шаги

Как извлечь максимальную пользу из занятий в классе

Начните изучать пройденный материал за несколько дней или недель до экзамена. Вряд ли вы нормально сдадите экзамен, если начнете готовиться к нему в последний вечер. Запланируйте время для изучения и закрепления материала и решения практических заданий за несколько дней или даже недель до экзамена, чтобы успеть как следует подготовиться к нему.

• Постарайтесь как можно лучше усвоить необходимый материал, чтобы уверенно чувствовать себя во время экзамена.

1. Просмотрите темы, которые могут попасться на экзамене. Скорее всего, именно эти темы вы проходили в последнее время на уроках, и вам задавали по ним домашние задания. Просмотрите записи, которые вы вели в классе, и постарайтесь запомнить основные формулы и понятия, которые могут понадобиться при сдаче экзамена.

2. Читайте перед классными занятиями учебник. Заранее знакомьтесь с соответствующей темой, чтобы лучше усвоить материал во время урока. Многие физические принципы базируются на том, что вы изучали ранее. Определите те моменты, которые вам не ясны, и запишите вопросы, чтобы задать их учителю.

   • Например, если вы уже выучили, как определить скорость, вполне вероятно, что на следующем этапе вы узнаете о том, как вычислить среднее ускорение. Заранее знакомьтесь с соответствующим разделом учебника, чтобы лучше усвоить материал.

3. Решайте задачи дома. После каждого часа занятий в школе тратьте не менее 2–3 часов на то, чтобы запомнить новые формулы и научиться пользоваться ими. Такое повторение поможет вам лучше усвоить новые идеи и научиться решать задачи, которые могут встретиться на экзамене.

   • При желании можно засекать время, чтобы воспроизвести условия предстоящего экзамена.

4. Просматривайте и исправляйте свои домашние работы. Просматривайте выполненные домашние работы и старайтесь заново решить те задачи, которые вызвали у вас затруднения или были выполнены неправильно. Учтите, что многие преподаватели задают на экзамене те же вопросы и задания, которые встречались в домашних заданиях.

   • Следует просматривать даже правильно выполненные задания, чтобы закрепить пройденный материал.

5. Посещайте все занятия и будьте внимательны. В физике новые идеи и концепции строятся на предыдущих знаниях, поэтому так важно не пропускать уроки и регулярно заниматься, иначе можно отстать от других. Если вы не можете посетить занятие, обязательно достаньте его конспект и прочитайте соответствующий раздел в учебнике.

   • Если вы не можете посещать занятия из-за чрезвычайной ситуации или болезни, спросите у преподавателя, какой материал необходимо выучить.

6. Используйте карточки, чтобы лучше запомнить различные термины и формулы. Запишите на одной стороне карточки название физического закона, а на другой - соответствующую формулу. Попросите кого-нибудь громко прочесть название формулы, после чего постарайтесь правильно записать ее.

   • Например, можно написать на одной стороне карточки «скорость», а на второй указать соответствующую формулу: «v=s/t».
   • Можно написать на одной стороне карточки «второй закон Ньютона», а на второй указать соответствующую формулу: «∑F = ma».

7. Вспомните, что вызывало у вас наибольшие проблемы на прошлых экзаменах. Если вы уже писали контрольные работы или сдавали экзамены раньше, необходимо уделить особое внимание тем темам, которые вызывали у вас трудности. Таким образом вы подтянете свои слабые места и сможете получить более высокую оценку.

   • Это особенно полезно сделать перед финальными экзаменами, на которых оцениваются знания по многим разделам физики.

Как подготовиться накануне экзамена

1. Поспите в ночь перед экзаменом 7–8 часов . Необходимо как следует выспаться, чтобы легче вспоминать пройденный материал и находить правильные решения задач. Если вы будете зубрить всю ночь и не отдохнете, то на следующее утро плохо будете помнить то, что учили накануне.

   • Даже если экзамен запланирован на середину дня, лучше встать пораньше и заранее настроиться.
   • В физике требуется повышенное внимание и критическое мышление, поэтому лучше приходить на экзамен хорошо отдохнувшим и выспавшимся.
   • Соблюдайте привычный режим сна - это позволит вам закрепить полученные знания.

2. Как следует позавтракайте в день экзамена. На завтрак полезно есть продукты, богатые медленно усваиваемыми углеводами, например овсяные хлопья или хлеб из цельных зерен - это поможет эффективнее действовать во время экзамена. Следует также поесть белковой пищи, такой как яйца, йогурт или молоко, чтобы дольше оставаться сытым. И наконец, обеспечьте свой организм дополнительным зарядом энергии: завершите завтрак фруктами, в которых содержится много пищевых волокон, например яблоками, бананами или грушами.

   • Здоровый, сытный завтрак перед экзаменом поможет вам лучше вспомнить пройденный материал.

Основные формулы по физике, пояснения по формулам, школьная программа и дальнейшее обучение, помощь школьнику в изучении физики, практическое применение фо...

Основные формулы по физике по 9 класс. Все, что нужно знать!

От Masterweb

05.06.2018 14:00

Физика - строгая техническая наука. Порой не у всех получается успевать в этой дисциплине в школьные годы. Тем более, что не каждый школьник обладает логическим и техническим складом ума, а физику в школе принуждают учить абсолютно каждого. Формулы из учебника могут не укладываться в голове. В данной статье мы рассмотрим основные формулы по физике по 9 класс по механике.

Механика

Начать стоит с самых основных и простейших законов в физике. Как известно, такая обширная тема, как механика состоит из трех параграфов:

1. Статика.
2. Динамика.
3. Кинематика.

Кинематика изучается в 10 классе, поэтому рассматривать ее в рамках данной статьи мы не будем.

Статика

Ее следует изучать последовательно, начиная с простых формул статики. А именно с формул давления, момента инерции тел вращения и момента силы. Формулы по физике 9 класса с пояснениями будут наглядно представлены ниже.

Давление - мера силы, действующая на площадь поверхности тела, измеряется в Паскалях. Давление рассчитывается отношением силы к площади, поэтому формула будет выглядеть максимально просто:

Момент инерции тел вращения - это мера инертности во вращательном движении тела вокруг себя самого, или, строго говоря, произведение массы тела на его радиус, возведенный в квадрат. Соответствующая формула:

Моментом силы (или как многие называют - вращательным моментом) называют силу, приложенную к твердому телу и создающую вращение. Это векторная величина, которая также может иметь отрицательный знак, измеряется в метрах умноженных на Ньютон. В каноничном представлении формула подразумевает собой произведение силы, приложенной к телу и расстояния (плечо силы), формула:

Динамика

Формулы по физике 7-9 класса с пояснениями по динамике - наш следующий этап. Собственно, это самый большой и самый значимый раздел механики. Все тела подвержены движению, даже находясь в состоянии покоя на них действуют некоторые силы, провоцируя на движение. Важные понятия, которые следует изучить перед вниканием в динамику - путь, скорость, ускорение и масса.

Первым делом, конечно же, стоит изучить законы Ньютона.

Первый закон Ньютона - это определение, не имеющее формулы. Он гласит, что тело либо находится в состоянии покоя, либо же движется, но только лишь после того, как все силы, сконцентрированные на нем, будут сбалансированы.

Второй и самый известный закон Ньютона гласит об ускорении тела в зависимости от приложенной к нему силе. В формуле также фигурирует масса объекта, к которому приложена сила.

Обратите внимание, что формула выше записана в скалярном виде - сила и ускорение в векторном могут иметь отрицательный знак, это нужно учитывать.

Третий закон Ньютона: сила действия равна силе противодействия. Все, что нужно знать из этого закона, это то, что каждая сила имеет в противовес такую же силу, только направленную в обратную сторону, таким образом соблюдается баланс на нашей планете.

Теперь же рассмотрим другие силы, действующие в рамках динамики, а это сила тяжести, упругости, трения и сила трения качения. Все они являются векторными и могут быть направлены в любые стороны, также в совокупности способны образовывать системы: складываться и вычитаться, умножаться или делиться. Если силы, направленные не параллельно друг другу, то в вычисления нужно будет использовать косинус угла между ними.

Формулы по физике 9 класса включают в свою программу также закон всемирного тяготения и космические скорости, которые каждый школьник должен знать.

Закон всемирного тяготения - это закон уже небезызвестного нам Исаака Ньютона, фигурирующий в его классической теории. По сути, он оказался революционным: закон утверждает, что любое тело, находящееся в гравитационном поле Земли, притягивается к его ядру. И это действительно так.

Космические скорости

Первая космическая скорость необходима для выхода на орбиту Земли (численно равна 7,9 км/с), а вторая космическая скорость нужна для преодоления гравитационного притяжения, чтобы выйти не только за орбиту, но и позволить объекту двигаться не по круговой траектории. Она равна 11,2 км/с соответственно. Важно, что обе космические скорости были преодолены человечеством, и благодаря им сегодня возможны полеты в космос. Формулы по физике по 9 класс не предполагают третью и четвертую космические скорости, однако они также существуют.

Вывод

В этой статье были рассмотрены основные формулы по физике по 9 класс. Их изучение открывает возможности школьнику познавать более сложные разделы физики, такие как электричество, магнетизм, звук или молекулярную теорию. Не зная механику, невозможно понять остальную физику, механика является основополагающей частью этой науки на сегодняшний день. Формулы по физике по 9 класс также необходимы для прохождения государственного экзамена ОГЭ по физике, их краткое содержание и написание обязан знать каждый выпускник 9-го класса, поступающий в технический колледж. Запомнить их не составляет труда.

Улица Киевян, 16 0016 Армения, Ереван +374 11 233 255

Ученые с планеты Земля используют массу инструментов, пытаясь описать то, как работает природа и вселенная в целом. Что они приходят к законам и теориям. В чем разница? Научный закон можно зачастую свести к математическому утверждению, вроде E = mc²; это утверждение базируется на эмпирических данных и его истинность, как правило, ограничивается определенным набором условий. В случае E = mc² - скорость света в вакууме.

Научная теория зачастую стремится синтезировать ряд фактов или наблюдений за конкретными явлениями. И в целом (но не всегда) выходит четкое и проверяемое утверждение относительно того, как функционирует природа. Совсем не обязательно сводить научную теорию к уравнению, но она на самом деле представляет собой нечто фундаментальное о работе природы.

Как законы, так и теории зависят от основных элементов научного метода, например, создании гипотез, проведения экспериментов, нахождения (или не нахождения) эмпирических данных и заключение выводов. В конце концов, ученые должны быть в состоянии повторить результаты, если эксперименту суждено стать основой для общепринятного закона или теории.

В этой статье мы рассмотрим десять научных законов и теорий, которые вы можете освежить в памяти, даже если вы, к примеру, не так часто обращаетесь к сканирующему электронному микроскопу. Начнем со взрыва и закончим неопределенностью.

Если и стоит знать хотя бы одну научную теорию, то пусть она объяснит, как вселенная достигла нынешнего своего состояния (или не достигла, ). На основании исследований, проведенных Эдвином Хабблом, Жоржем Леметром и Альбертом Эйнштейном, теория Большого Взрыва постулирует, что Вселенная началась 14 миллиардов лет назад с массивного расширения. В какой-то момент Вселенная была заключена в одной точке и охватывала всю материю нынешней вселенной. Это движение продолжается и по сей день, а сама вселенная постоянно расширяется.

Теория Большого Взрыва получила широкую поддержку в научных кругах после того, как Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили космический микроволновый фон в 1965 году. С помощью радиотелескопов два астронома обнаружили космический шум, или статику, которая не рассеивается со временем. В сотрудничестве с принстонским исследователем Робертом Дике, пара ученых подтвердила гипотезу Дике о том, что первоначальный Большой Взрыв оставил после себя излучение низкого уровня, которое можно обнаружить по всей Вселенной.

Закон космического расширения Хаббла

Давайте на секунду задержим Эдвина Хаббла. В то время как в 1920-х годах бушевала Великая депрессия, Хаббл выступал с новаторским астрономическим исследованием. Он не только доказал, что были и другие галактики помимо Млечного Пути, но также обнаружил, что эти галактики несутся прочь от нашей собственной, и это движение он назвал разбеганием.

Для того, чтобы количественно оценить скорость этого галактического движения, Хаббл предложил закон космического расширения, он же закон Хаббла. Уравнение выглядит так: скорость = H0 x расстояние. Скорость представляет собой скорость разбегания галактик; H0 - это постоянная Хаббла, или параметр, который показывает скорость расширения вселенной; расстояние - это расстояние одной галактики до той, с которой происходит сравнение.

Постоянная Хаббла рассчитывалась при разных значениях в течение достаточно долгого времени, однако в настоящее время она замерла на точке 70 км/с на мегапарсек. Для нас это не так важно. Важно то, что закон представляет собой удобный способ измерения скорости галактики относительно нашей собственной. И еще важно то, что закон установил, что Вселенная состоит из многих галактик, движение которых прослеживается до Большого Взрыва.

Законы планетарного движения Кеплера

На протяжении веков ученые сражались друг с другом и с религиозными лидерами за орбиты планет, особенно за то, вращаются ли они вокруг Солнца. В 16 веке Коперник выдвинул свою спорную концепцию гелиоцентрической Солнечной системы, в которой планеты вращаются вокруг Солнца, а не Земли. Однако только с Иоганном Кеплером, который опирался на работы Тихо Браге и других астрономов, появилась четкая научная основа для движения планет.

Три закона планетарного движения Кеплера, сложившиеся в начале 17 века, описывают движение планет вокруг Солнца. Первый закон, который иногда называют законом орбит, утверждает, что планеты вращаются вокруг Солнца по эллиптической орбите. Второй закон, закон площадей, говорит, что линия, соединяющая планету с солнцем, образует равные площади через равные промежутки времени. Другими словами, если вы измеряете площадь, созданную нарисованной линией от Земли от Солнца, и отслеживаете движение Земли на протяжении 30 дней, площадь будет одинаковой, вне зависимости от положения Земли касательно начала отсчета.

Третий закон, закон периодов, позволяет установить четкую взаимосвязь между орбитальным периодом планеты и расстоянием до Солнца. Благодаря этому закону, мы знаем, что планета, которая относительно близка к Солнцу, вроде Венеры, имеет гораздо более краткий орбитальный период, чем далекие планеты, вроде Нептуна.

Универсальный закон тяготения

Сегодня это может быть в порядке вещей, но более чем 300 лет назад сэр Исаак Ньютон предложил революционную идею: два любых объекта, независимо от их массы, оказывают гравитационное притяжение друг на друга. Этот закон представлен уравнением, с которым многие школьники сталкиваются в старших классах физико-математического профиля.

F = G × [(m1m2)/r²]

F - это гравитационная сила между двумя объектами, измеряемая в ньютонах. M1 и M2 - это массы двух объектов, в то время как r - это расстояние между ними. G - это гравитационная постоянная, в настоящее время рассчитанная как 6,67384(80)·10 −11 или Н·м²·кг −2 .

Преимущество универсального закона тяготения в том, что он позволяет вычислить гравитационное притяжение между двумя любыми объектами. Эта способность крайне полезна, когда ученые, например, запускают спутник на орбиту или определяют курс Луны.

Законы Ньютона

Раз уж мы заговорили об одном из величайших ученых, когда-либо живущих на Земле, давайте поговорим о других знаменитых законах Ньютона. Его три закона движения составляют существенную часть современной физики. И как и многие другие законы физики, они элегантны в своей простоте.

Первый из трех законов утверждает, что объект в движении остается в движении, если на него не действует внешняя сила. Для шарика, который катится по полу, внешней силой может быть трение между шаром и полом, или же мальчик, который бьет по шарику в другом направлении.

Второй закон устанавливает связь между массой объекта (m) и его ускорением (a) в виде уравнения F = m x a. F представляет собой силу, измеряемую в ньютонах. Также это вектор, то есть у него есть направленный компонент. Благодаря ускорению, мяч, который катится по полу, обладает особым вектором в направлении его движения, и это учитывается при расчете силы.

Третий закон довольно содержательный и должен быть вам знаком: для каждого действия есть равное противодействие. То есть для каждой силы, приложенной к объекту на поверхности, объект отталкивается с такой же силой.

Законы термодинамики

Британский физик и писатель Ч. П. Сноу однажды сказал, что неученый, который не знал второго закона термодинамики, был как ученый, который никогда не читал Шекспира. Нынче известное заявление Сноу подчеркивало важность термодинамики и необходимость даже людям, далеким от науки, знать его.

Термодинамика - это наука о том, как энергия работает в системе, будь то двигатель или ядро Земли. Ее можно свести к нескольким базовым законам, которые Сноу обозначил следующим образом:

• Вы не можете выиграть.
• Вы не избежите убытков.
• Вы не можете выйти из игры.

Давайте немного разберемся с этим. Говоря, что вы не можете выиграть, Сноу имел в виду то, что поскольку материя и энергия сохраняются, вы не можете получить одно, не потеряв второе (то есть E=mc²). Также это означает, что для работы двигателя вам нужно поставлять тепло, однако в отсутствии идеально замкнутой системы некоторое количество тепла неизбежно будет уходить в открытый мир, что приведет ко второму закону.

Второй закон - убытки неизбежны - означает, что в связи с возрастающей энтропией, вы не можете вернуться к прежнему энергетическому состоянию. Энергия, сконцентрированная в одном месте, всегда будет стремиться к местам более низкой концентрации.

Наконец, третий закон - вы не можете выйти из игры - относится , самой низкой теоретически возможной температуре - минус 273,15 градуса Цельсия. Когда система достигает абсолютного нуля, движение молекул останавливается, а значит энтропия достигнет самого низкого значения и не будет даже кинетической энергии. Но в реальном мире достичь абсолютного нуля невозможно - только очень близко к нему подойти.

Сила Архимеда

После того как древний грек Архимед открыл свой принцип плавучести, он якобы крикнул «Эврика!» (Нашел!) и побежал голышом по Сиракузам. Так гласит легенда. Открытие было вот настолько важным. Также легенда гласит, что Архимед обнаружил принцип, когда заметил, что вода в ванной поднимается при погружении в него тела.

Согласно принципу плавучести Архимеда, сила, действующая на погруженный или частично погруженный объект, равна массе жидкости, которую смещает объект. Этот принцип имеет важнейшее значение в расчетах плотности, а также проектировании подлодок и других океанических судов.

Эвoлюция и естественный отбор

Теперь, когда мы установили некоторые из основных понятий о том, с чего началась Вселенная и как физические законы влияют на нашу повседневную жизнь, давайте обратим внимание на человеческую форму и выясним, как мы дошли до такого. По мнению большинства ученых, вся жизнь на Земле имеет общего предка. Но для того, чтобы образовалась такая огромная разница между всеми живыми организмами, некоторые из них должны были превратиться в отдельный вид.

В общем смысле, эта дифференциация произошла в процессе эволюции. Популяции организмов и их черты прошли через такие механизмы, как мутации. Те, у кого черты были более выгодными для выживания, вроде коричневых лягушек, которые отлично маскируются в болоте, были естественным образом избраны для выживания. Вот откуда взял начало термин естественный отбор.

Можно умножить две этих теории на много-много времени, и собственно это сделал Дарвин в 19 веке. Эволюция и естественный отбор объясняют огромное разнообразие жизни на Земле.

Общая теория относительности

Альберта Эйнштейна была и остается важнейшим открытием, которое навсегда изменила наш взгляд на вселенную. Главным прорывом Эйнштейна было заявление о том, что пространство и время не являются абсолютными, а гравитация - это не просто сила, приложенная к объекту или массе. Скорее гравитация связана с тем, что масса искривляет само пространство и время (пространство-время).

Чтобы осмыслить это, представьте, что вы едете через всю Землю по прямой линии в восточном направлении, скажем, из северного полушария. Через некоторое время, если кто-то захочет точно определить ваше местоположение вы будете гораздо южнее и восточнее своего исходного положения. Это потому что Земля изогнута. Чтобы ехать прямо на восток, вам нужно учитывать форму Земли и ехать под углом немного на север. Сравните круглый шарик и лист бумаги.

Пространство - это в значительной мере то же самое. К примеру, для пассажиров ракеты, летящей вокруг Земли, будет очевидно, что они летят по прямой в пространстве. Но на самом деле, пространство-время вокруг них изгибается под действием силы тяжести Земли, заставляя их одновременно двигаться вперед и оставаться на орбите Земли.

Теория Эйнштейна оказала огромное влияние на будущее астрофизики и космологии. Она объяснила небольшую и неожиданную аномалию орбиты Меркурия, показала, как изгибается свет звезд и заложила теоретические основы для черных дыр.

Принцип неопределенности Гейзенберга

Расширение теории относительности Эйнштейна рассказало нам больше о том, как работает Вселенная, и помогло заложить основу для квантовой физики, что привело к совершенно неожиданному конфузу теоретической науки. В 1927 году осознание того, что все законы вселенной в определенном контексте являются гибкими, привело к ошеломительному открытию немецкого ученого Вернера Гейзенберга.

Постулируя свой принцип неопределенности, Гейзенберг понял, что невозможно одновременно знать с высоким уровнем точности два свойства частицы. Вы можете знать положение электрона с высокой степенью точности, но не его импульс, и наоборот.

Позже Нильс Бор сделал открытие, которое помогло объяснить принцип Гейзенберга. Бор выяснил, что электрон обладает качествами как частицы, так и волны. Концепция стала известна как корпускулярно-волновой дуализм и легла в основу квантовой физики. Поэтому, когда мы измеряем положение электрона, мы определяем его как частицу в определенной точке пространства с неопределенной длиной волны. Когда мы измеряем импульс, мы рассматриваем электрон как волну, а значит можем знать амплитуду ее длины, но не положение.