Vi startar en serie artiklar om problem och förlegade begrepp i skolans läroplan och inbjuder dig att spekulera om varför skolbarn behöver fysik, och varför det idag inte lärs ut som vi skulle vilja.

Varför studerar en modern skolbarn fysik? Antingen så att han inte blir uttråkad av sina föräldrar och lärare, eller så att han framgångsrikt kan klara Unified State Examen efter eget val, få det antal poäng som krävs och gå in på ett bra universitet. Det finns ett annat alternativ att ett skolbarn älskar fysik, men denna kärlek existerar vanligtvis på något sätt separat från skolans läroplan.

I något av dessa fall bedrivs undervisningen enligt samma schema. Den anpassar sig till systemet för sin egen kontroll - kunskap måste presenteras i en sådan form att den lätt kan verifieras. Det är därför som GIA- och Unified State Examination-systemen finns, och förberedelserna för dessa prov blir som ett resultat det huvudsakliga målet med träning.

Hur fungerar Unified State Exam in Physics i sin nuvarande version? Tentamens uppgifter sammanställs med hjälp av en speciell kodifierare, som innehåller formler som i teorin varje elev borde känna till. Det handlar om ett hundratal formler för alla delar av skolans läroplan – från kinematik till atomär kärnfysik.

De flesta av uppgifterna - cirka 80 % - syftar specifikt till att tillämpa dessa formler. Dessutom kan andra lösningsmetoder inte användas: om du har ersatt en formel som inte finns i listan får du inte ett visst antal poäng, även om svaret är korrekt. Och bara de återstående 20% är förståelseuppgifter.

Som ett resultat är huvudmålet med undervisningen att säkerställa att eleverna känner till denna uppsättning formler och kan tillämpa dem. Och all fysik handlar om enkel kombinatorik: läs villkoren för problemet, förstå vilken formel du behöver, ersätt de nödvändiga indikatorerna och få bara resultatet.

I elit- och specialiserade fysik- och matematikskolor är utbildningen naturligtvis uppbyggd annorlunda. Där, som när man förbereder sig för alla typer av olympiader, finns det ett element av kreativitet, och formlernas kombinatorik blir mycket mer komplex. Men det vi är intresserade av här är det grundläggande fysikprogrammet och dess brister.

Standarduppgifter och abstrakta teoretiska konstruktioner som en vanlig elev borde kunna försvinner mycket snabbt från sinnet. Som ett resultat, efter examen från skolan, kan ingen längre fysik - förutom den minoriteten som av någon anledning är intresserad av det eller behöver det som specialitet.

Det visar sig att vetenskapen, vars huvudsakliga mål var att förstå naturen och den verkliga fysiska världen, i skolan blir helt abstrakt och borttagen från mänskliga vardagliga erfarenheter. Fysik, precis som andra ämnen, lärs ut utantill, och när mängden kunskaper som behöver läras på gymnasiet ökar kraftigt blir det helt enkelt omöjligt att memorera allt.

Visuellt om "formel"-inställningen till lärande.

Men detta skulle inte vara nödvändigt om målet med lärandet inte var tillämpningen av formler, utan att förstå ämnet. Att förstå är i slutändan mycket lättare än att proppa.

Skapa en bild av världen

Låt oss till exempel se hur Yakov Perelmans böcker "Entertaining Physics" och "Entertaining Mathematics" fungerar, som lästes av många generationer av skolbarn och efterskolebarn. Nästan varje stycke i Perelmans "Fysik" lär dig att ställa frågor som varje barn kan ställa sig själv, utgående från elementär logik och vardagsupplevelse.

Problemen som vi ombeds lösa här är inte kvantitativa utan kvalitativa: vi behöver inte beräkna någon abstrakt indikator som effektivitet, utan fundera på varför evighetsmaskin omöjligt i verkligheten, är det möjligt att skjuta en kanon till månen; du måste genomföra ett experiment och utvärdera vad effekten av någon fysisk interaktion kommer att bli.

Ett exempel från "Entertaining Physics" från 1932: problemet med Krylovs svan, kräftor och gädda, löst enligt mekanikens regler. Resultatet (OD) ska dra vagnen i vattnet.

Med ett ord är det inte nödvändigt att memorera formler här - det viktigaste är att förstå vilka fysiska lagar föremålen i den omgivande verkligheten lyder. Det enda problemet är att kunskap av detta slag är mycket svårare att objektivt verifiera än förekomsten i ett skolbarns huvud av en exakt definierad uppsättning formler och ekvationer.

Därför, för en vanlig student, förvandlas fysik till tråkigt propp, och i bästa fall till något slags abstrakt sinnespel. Att forma en helhetsbild av världen i en person är inte alls den uppgift som de facto utförs av det moderna utbildningssystemet. I detta avseende skiljer den sig förresten inte så mycket från den sovjetiska, som många tenderar att överskatta (eftersom vi tidigare, säger de, utvecklade atombomber och flög ut i rymden, men nu vet vi bara hur man säljer olja).

När det gäller kunskaper i fysik delas elever efter skolan nu som då in i ungefär två kategorier: de som kan det mycket väl och de som inte kan det alls. Med den andra kategorin förvärrades situationen särskilt när undervisningstiden för fysik i årskurserna 7-11 minskades från 5 till 2 timmar per vecka.

De flesta skolbarn behöver verkligen inte fysiska formler och teorier (som de förstår mycket väl), och viktigast av allt, de är inte intressanta i den abstrakta och torra form som de presenteras i nu. Som ett resultat fyller massutbildning ingen funktion - den tar bara upp tid och ansträngning. För skolbarn - inte mindre än för lärare.

Observera: Fel inställning till att undervisa naturvetenskap kan få förödande konsekvenser.

Om skolplanens uppgift var att bilda en världsbild skulle situationen vara en helt annan.

Naturligtvis bör det också finnas specialiserade klasser där de lär ut hur man löser komplexa problem och på djupet introducerar teori, som inte längre korsar vardagsupplevelsen. Men det skulle vara mer intressant och användbart för en vanlig, "vanlig" student att veta enligt vilka lagar den fysiska världen han lever i fungerar.

Saken går förstås inte på att skolbarn läser Perelman istället för läroböcker. Inställningen till undervisning behöver förändras. Många avsnitt (till exempel kvantmekanik) skulle kunna tas bort från skolans läroplan, andra skulle kunna förkortas eller revideras, om inte för de allestädes närvarande organisatoriska svårigheterna och den grundläggande konservatismen i ämnet och utbildningssystemet som helhet.

Men låt oss drömma lite. Efter dessa förändringar kanske den övergripande sociala adekvatheten skulle ha ökat: folk skulle ha mindre förtroende för alla typer av torsionssvindlare som spekulerar i att "skydda biofältet" och "normalisera auran" med hjälp av enkla anordningar och bitar av okända mineraler.

Vi observerade alla dessa konsekvenser av ett ondskefullt utbildningssystem redan på 90-talet, när de mest framgångsrika bedragarna till och med utnyttjade avsevärda summor från statsbudgeten, och vi ser dem nu, om än i mindre skala.

Den berömda Grigory Grabovoi försäkrade inte bara att han kunde återuppliva människor, utan också avledde asteroider från jorden med tankekraft och "extrasensoriskt diagnostiserade" regeringsflygplan. Han beskyddades inte av någon, utan av general Georgy Rogozin, biträdande chef för säkerhetstjänsten under Ryska federationens president.

Hur förbereder man sig för Unified State Exam in Physics? Och behöver en flitig elev någon särskild utbildning?

”Jag fick ett A i fysik i skolan. Vi går på kurser. Vad gör annars? Fysik är trots allt inte litteratur, där du behöver läsa 100 böcker innan du skriver en uppsats. Allt är enkelt här: du kopplar in siffrorna i formeln och du får dina poäng."

Så brukar kortsynta föräldrar och elever tänka. "För ordningens skull" går de förberedande kurser på universitetet. En månad före provet vänder de sig till handledaren: "Träna oss före Unified State Exam och visa oss hur man löser typiska problem." Och plötsligt, ur det blå - låga poäng på Unified State Exam i fysik. Varför? Vem är skyldig? Kanske en handledare?

Det visar sig att ett A i fysik i skolan inte var värt något! Det är inte svårt att få det - läs ett stycke i läroboken, räck upp handen i klassen, ge en rapport om ämnet "Life of Lomonosov" - och du är klar. De lär dig inte hur man löser fysikproblem i skolan., och Unified State Examination i detta ämne består nästan uteslutande av uppgifter.

Det visar sig att det praktiskt taget inte finns något fysiskt experiment i skolan. Eleven föreställer sig en kondensator eller en ram med ström på det sätt som hans fantasi säger till honom. Uppenbarligen föreslår allas fantasi något annat.

Det visar sig att det i många skolor i Moskva inte finns någon fysik alls. Studenter rapporterar ofta: ”Men vår fysikklass undervisas av en historiker. Och vår fysiker var sjuk i ett år och emigrerade sedan.”

Fysiken hamnade någonstans i marginalen av skolutbildningen! Det har länge förvandlats till ett sekundärt ämne, något som livssäkerhet eller naturhistoria.
Fysiken i skolan är en riktig katastrof.

Vårt samhälle känner redan av konsekvenserna av denna katastrof. Det råder en akut brist på specialister - ingenjörer, byggare, designers. Mänskliga olyckor. Personalens oförmåga att använda även den utrustning som byggdes under sovjettiden. Och samtidigt finns det ett överflöd av personer med examen i ekonomi, juridik eller "marknadschef".

Många går in på ingenjörsspecialiteter bara för att det är låg konkurrens. "Det kommer inte att fungera på MGIMO, vi vill inte gå med i armén, så vi går till Moscow Aviation Institute, vi måste förbereda oss för Unified State Exam i fysik." Så de förbereder sig med svårighet, hoppar över klasser och undrar: varför löses inte dessa problem?

Detta gäller inte dig, eller hur?

Fysik är en riktig vetenskap. Skön. Paradoxal. Och mycket intressant. Det är omöjligt att "träna" här - du måste studera fysik själv som en vetenskap.

Det finns inga "standardiserade" Unified State Examination-uppgifter. Det finns inga magiska "formler" som du behöver ersätta något med. Fysik handlar om förståelse på idénivå. Detta är ett sammanhängande system av komplexa idéer om hur världen fungerar.

Om du bestämmer dig för att förbereda dig för Unified State Exam i fysik och gå in på ett tekniskt universitet, gör dig redo för seriöst arbete.

Här är några praktiska tips:

Tips 1.
Börja förbereda dig för Unified State Exam in Physics i förväg. Två år, det vill säga årskurs 10 och 11, är den optimala förberedelseperioden. Du kan fortfarande hinna göra något på ett läsår. Om du börjar två månader före tentamen, räkna med max 50 poäng.

Vi varnar dig omedelbart för att förbereda dig själv. Att lösa fysikproblem är en färdighet. Dessutom är detta en konst som bara kan läras under ledning av en mästare - en erfaren handledare.

Tips 2.
Fysik är omöjligt utan matematik. Om du har luckor i din matematiska förberedelse, fyll dem omedelbart. Du vet inte om du har dessa luckor? Lätt att kontrollera. Om du inte kan dekomponera en vektor i dess komponenter, uttrycka en okänd storhet från en formel eller lösa en ekvation, ta sedan upp matematik.

När allt kommer omkring, att lösa många Unified State Exam-problem i fysik slutar med att få ett numeriskt svar. Du behöver en icke programmerbar miniräknare med sinus och logaritmer. En kontorskalkylator med fyra steg eller en miniräknare på en mobiltelefon är inte lämplig.
Köp en icke-programmerbar miniräknare i början av din förberedelse för att bemästra den på automationsnivå. För varje problem du löser till slutet, det vill säga till det korrekta numeriska svaret.

Vilka böcker är bäst att använda för att förbereda sig för Unified State Exam in Physics?

1. Rymkevichs problembok.

Den innehåller många enkla uppgifter som är bra att träna på. Efter "Rymkevich" kommer formlerna ihåg av sig själva, och problemen i del A löses utan svårighet.

2. Några fler användbara böcker:
Bendrikov G. A., Bukhovtsev B. B., Kerzhentsev V. V., Myakishev G. Ya. Problem i fysik för dem som går in på universitet.
Bakanina L. P., Belonuchkin V. E., Kozel S. M. Samling av problem i fysik: För årskurs 10–11 med fördjupning i fysik.
Parfentyeva N. A. Samling av problem i fysik. 10–11 årskurs.

Det viktigaste. För att framgångsrikt förbereda dig för Unified State Exam in Physics måste du tydligt förstå varför du behöver det. När allt kommer omkring, inte bara för att klara Unified State Exam, registrera dig och komma ut ur armén?
Ett möjligt svar kan vara detta. Du måste förbereda dig för Unified State Exam in Physics för att bli en högt kvalificerad, eftertraktad specialist i framtiden. Dessutom kommer kunskaper om fysik att hjälpa dig att bli en verkligt utbildad person.

För att klara ett fysikprov måste du vara uppmärksam i klassen, studera nytt material regelbundet och ha en djup förståelse för de bakomliggande idéerna och principerna. För att göra detta kan du använda flera metoder och samarbeta med klasskamrater för att konsolidera kunskap. Det är också viktigt att vila bra och äta ordentligt innan tentamen, samt att hålla sig lugn under tentan. Har du pluggat ordentligt innan provet kommer du att klara det utan problem.

Steg

Hur du får ut det mesta av dina klassrumsaktiviteter

Börja studera materialet du täckte några dagar eller veckor före provet. Det är osannolikt att du klarar provet bra om du börjar förbereda dig för den sista kvällen. Schemalägg tid för att studera, granska och öva frågor några dagar eller till och med veckor före provet för att säkerställa att du har gott om tid att förbereda dig för det.

• Försök att förstå det nödvändiga materialet så bra som möjligt för att känna dig trygg under provet.

1. Gå igenom de ämnen som kan förekomma på provet. Troligtvis är dessa ämnen du nyligen har behandlat i klassen, och du har fått hemläxor om dem. Gå igenom anteckningarna du gjorde i klassen och försök komma ihåg de grundläggande formlerna och begreppen du kan behöva för att göra provet.

2. Läs läroboken före lektionen. Bekanta dig med det relevanta ämnet i förväg för att bättre förstå materialet under lektionen. Många fysiska principer är baserade på vad du har studerat tidigare. Identifiera eventuella punkter som är otydliga för dig och skriv ner frågor som du kan ställa till din lärare.

   • Till exempel, om du redan har lärt dig hur du bestämmer hastighet, är det troligt att du i nästa steg kommer att lära dig hur du beräknar medelacceleration. Läs det relevanta avsnittet i läroboken i förväg för att bättre förstå materialet.

3. Lös problem hemma. Efter varje timme i skolan, spendera minst 2-3 timmar på att memorera nya formler och lära dig hur man använder dem. Denna upprepning hjälper dig att bättre förstå nya idéer och lära dig hur du löser problem som kan dyka upp på provet.

   • Om så önskas kan du tajma dig själv att återskapa villkoren för det kommande provet.

4. Granska och korrigera dina läxor. Gå igenom gjorda läxor och försök att lösa de uppgifter som orsakade dig svårigheter eller som gjordes felaktigt. Observera att många lärare ställer samma frågor och uppgifter i tentamen som fanns i läxor.

   • Du bör granska även korrekt utförda uppdrag för att konsolidera materialet som omfattas.

5. Gå på alla klasser och var uppmärksam. Inom fysik bygger nya idéer och koncept på tidigare kunskaper, därför är det så viktigt att inte hoppa över lektioner och plugga regelbundet, annars kan man hamna efter andra. Om du inte kan delta i en lektion, se till att få dina anteckningar och läsa lämpligt avsnitt i din lärobok.

   • Om du inte kan delta i lektionen på grund av en nödsituation eller sjukdom, fråga din instruktör vilket material du behöver lära dig.

6. Använd flashcards för att hjälpa dig komma ihåg olika termer och formler. Skriv ner namnet på den fysiska lagen på ena sidan av kortet och motsvarande formel på den andra. Be någon läsa namnet på formeln högt och försök sedan skriva ner det korrekt.

   • Till exempel kan du skriva "hastighet" på ena sidan av kortet och ange motsvarande formel på den andra: "v=s/t".
   • Du kan skriva "Newtons andra lag" på ena sidan av kortet och på den andra ange motsvarande formel: "∑F = ma."

7. Kom ihåg vad som orsakade dig mest problem vid tidigare prov. Om du har skrivit prov eller tagit prov tidigare måste du vara särskilt uppmärksam på de ämnen som orsakat dig svårigheter. På så sätt kommer du att förbättra dina svaga områden och kunna få ett högre betyg.

   • Detta är särskilt användbart att göra innan slutprov, som bedömer kunskaper inom många fysikområden.

Hur man förbereder sig inför tentamen

1. Sov lite natten innan provet. 7–8 timmar . Det är nödvändigt att få tillräckligt med sömn för att göra det lättare att komma ihåg materialet du har täckt och hitta rätt lösningar på problem. Om du proppar hela natten och inte får tillräckligt med vila, kommer du nästa morgon inte minnas väl vad du studerade dagen innan.

   • Även om tentan är planerad till mitt på dagen är det bättre att vakna tidigt och förbereda sig i förväg.
   • Fysiken kräver ökad uppmärksamhet och kritiskt tänkande, så det är bättre att komma utvilad och välsov till tentan.
   • Behåll ditt vanliga sömnschema - detta gör att du kan konsolidera den förvärvade kunskapen.

2. Ät en god frukost på provdagen. Till frukost är det användbart att äta mat rik på långsamt smältbara kolhydrater, som havregryn eller fullkornsbröd - detta kommer att hjälpa dig att prestera mer effektivt under provet. Du bör också äta proteinmat som ägg, yoghurt eller mjölk för att hålla dig mätt längre. Slutligen, ge din kropp en extra energikick genom att avsluta din frukost med frukt som innehåller mycket fiber, som äpplen, bananer eller päron.

   • Att äta en hälsosam, mättande frukost innan ett prov kommer att hjälpa dig att bättre komma ihåg materialet du täckte.

Grundformler i fysik, formlerförklaringar, skolans läroplan och vidareutbildning, hjälpa elever att studera fysik, praktisk tillämpning av fysik...

Grundläggande formler i fysik för årskurs 9. Allt du behöver veta!

Från Masterweb

05.06.2018 14:00

Fysik är en strikt teknisk vetenskap. Ibland lyckas inte alla med denna disciplin under sina skolår. Dessutom har inte alla skolbarn ett logiskt och tekniskt sinne, och absolut alla tvingas lära sig fysik i skolan. Formler från en lärobok kanske inte passar i ditt huvud. I den här artikeln kommer vi att titta på de grundläggande formlerna i fysik för årskurs 9 mekanik.

Mekanik

Det är värt att börja med de mest grundläggande och enklaste lagarna inom fysiken. Som ni vet består ett så brett ämne som mekanik av tre stycken:

1. Statik.
2. Dynamik.
3. Kinematik.

Kinematik studeras i 10:e klass, så vi kommer inte att överväga det i den här artikeln.

Statik

Det bör studeras sekventiellt, börja med enkla statiska formler. Nämligen från formlerna för tryck, tröghetsmoment för rotationskroppar och kraftmoment. Formler för 9:e klass fysik med förklaringar kommer att presenteras tydligt nedan.

Tryck är ett mått på kraft som verkar på en kropps yta, mätt i pascal. Trycket beräknas av förhållandet mellan kraft och area, så formeln kommer att se så enkel ut som möjligt:

Tröghetsmomentet för rotationskroppar är ett mått på tröghet i en kropps rotationsrörelse runt sig själv, eller strängt taget produkten av kroppens massa och dess radie i kvadrat. Motsvarande formel är:

Kraftmomentet (eller som många kallar det, vridmomentet) är kraften som appliceras på en stel kropp och skapar rotation. Detta är en vektorstorhet, som också kan ha ett negativt tecken, och mäts i meter multiplicerat med Newton. I den kanoniska representationen innebär formeln produkten av den kraft som appliceras på kroppen och avståndet (kraftens arm), formeln:

Dynamik

Formler för fysik i årskurs 7-9 med förklaringar om dynamik är vårt nästa steg. Egentligen är detta den största och mest betydelsefulla delen av mekanik. Alla kroppar är föremål för rörelse, även när de är i vila, verkar vissa krafter på dem och provocerar rörelse. Viktiga begrepp att lära sig innan man fördjupar sig i dynamik är väg, hastighet, acceleration och massa.

Det första steget är förstås att studera Newtons lagar.

Newtons första lag är en definition utan formel. Det står att kroppen antingen är i vila eller rör sig, men först efter att alla krafter som koncentrerats på den är balanserade.

Newtons andra och mest kända lag säger att en kropp accelererar beroende på kraften som appliceras på den. Formeln inkluderar också massan av föremålet som kraften appliceras på.

Observera att formeln ovan är skriven i skalär form - kraft och acceleration i vektorform kan ha negativt tecken, detta måste beaktas.

Newtons tredje lag: handlingskraften är lika med reaktionens kraft. Allt du behöver veta från denna lag är att varje kraft har i motvikt samma kraft, bara riktad i motsatt riktning, och därmed upprätthåller balansen på vår planet.

Låt oss nu betrakta andra krafter som verkar inom ramen för dynamiken, och dessa är gravitation, elasticitet, friktion och rullande friktionskraft. Alla är vektorer och kan riktas i vilken riktning som helst, och tillsammans kan de bilda system: addera och subtrahera, multiplicera eller dividera. Om krafterna inte är riktade parallellt med varandra, måste cosinus för vinkeln mellan dem användas i beräkningarna.

Formler för fysik i 9:e klass inkluderar också i sitt program lagen om universell gravitation och kosmiska hastigheter, som varje elev bör känna till.

Den universella gravitationens lag är den redan välkände Isaac Newtons lag, som förekommer i hans klassiska teori. I själva verket visade det sig vara revolutionerande: lagen säger att varje kropp som ligger i jordens gravitationsfält attraheras till sin kärna. Och det är det verkligen.

Kosmiska hastigheter

Den första utrymningshastigheten är nödvändig för att komma in i jordens omloppsbana (numeriskt lika med 7,9 km/s), och den andra utrymningshastigheten behövs för att övervinna gravitationsattraktion för att inte bara gå utanför omloppsbana, utan också för att tillåta föremålet att röra sig i en icke-cirkulär bana. Det är lika med 11,2 km/s, respektive. Det är viktigt att båda kosmiska hastigheterna övervanns av mänskligheten, och tack vare dem är flygningar i rymden möjliga idag. Fysikformler för årskurs 9 innebär inte den tredje och fjärde kosmiska hastigheten, men de finns också.

Slutsats

Den här artikeln diskuterade de grundläggande formlerna i fysik för årskurs 9. Deras studie öppnar möjligheter för studenten att lära sig mer komplexa delar av fysiken, såsom elektricitet, magnetism, ljud eller molekylär teori. Utan att kunna mekanik är det omöjligt att förstå resten av fysiken, mekanik är en grundläggande del av denna vetenskap idag. Formler i fysik för årskurs 9 krävs också för att klara det statliga provet OGE i fysik, deras sammanfattning och skrivandet måste vara känt av varje utexaminerad 9:e klass som går in på en teknisk högskola. Att komma ihåg dem är inte svårt.

Kievyan Street, 16 0016 Armenia, Jerevan +374 11 233 255

Forskare på planeten Jorden använder massor av verktyg för att försöka beskriva hur naturen och universum som helhet fungerar. Att de kommer till lagar och teorier. Vad är skillnaden? En vetenskaplig lag kan ofta reduceras till ett matematiskt påstående som E = mc²; detta uttalande är baserat på empirisk data och dess sanning är vanligtvis begränsad till en viss uppsättning villkor. I fallet med E = mc² - ljusets hastighet i vakuum.

En vetenskaplig teori försöker ofta syntetisera en uppsättning fakta eller observationer om specifika fenomen. Och generellt (men inte alltid) framkommer ett tydligt och testbart uttalande om hur naturen fungerar. Det är inte nödvändigt att reducera en vetenskaplig teori till en ekvation, men den representerar något fundamentalt om naturens funktion.

Både lagar och teorier är beroende av de grundläggande elementen i den vetenskapliga metoden, som att skapa hypoteser, genomföra experiment, hitta (eller inte hitta) empirisk data och dra slutsatser. När allt kommer omkring måste forskare kunna replikera resultat om ett experiment ska bli grunden för en allmänt accepterad lag eller teori.

I den här artikeln ska vi titta på tio vetenskapliga lagar och teorier som du kan fräscha upp till även om du till exempel inte använder ett svepelektronmikroskop så ofta. Låt oss börja med en smäll och avsluta med osäkerhet.

Om det finns en vetenskaplig teori värd att veta, låt den förklara hur universum nådde sitt nuvarande tillstånd (eller inte uppnådde det). Baserat på forskning utförd av Edwin Hubble, Georges Lemaitre och Albert Einstein, postulerar Big Bang-teorin att universum började för 14 miljarder år sedan med en massiv expansion. Vid någon tidpunkt var universum inneslutet vid en punkt och omfattade all materia i det nuvarande universum. Denna rörelse fortsätter till denna dag, och universum självt expanderar ständigt.

The Big Bang-teorin fick brett stöd i vetenskapliga kretsar efter att Arno Penzias och Robert Wilson upptäckte den kosmiska mikrovågsbakgrunden 1965. Med hjälp av radioteleskop har två astronomer upptäckt kosmiskt brus, eller statiskt, som inte försvinner med tiden. I samarbete med Princeton-forskaren Robert Dicke bekräftade forskarparet Dickes hypotes att den ursprungliga Big Bang lämnade efter sig lågnivåstrålning som kan detekteras i hela universum.

Hubbles lag om kosmisk expansion

Låt oss hålla Edwin Hubble en sekund. Medan den stora depressionen rasade på 1920-talet var Hubble pionjär inom astronomisk forskning. Han bevisade inte bara att det fanns andra galaxer förutom Vintergatan, utan han upptäckte också att dessa galaxer rusade bort från vår egen, en rörelse som han kallade recession.

För att kvantifiera hastigheten på denna galaktiska rörelse föreslog Hubble lagen om kosmisk expansion, även känd som Hubbles lag. Ekvationen ser ut så här: hastighet = H0 x avstånd. Hastighet representerar den hastighet med vilken galaxer rör sig bort; H0 är Hubble-konstanten, eller en parameter som indikerar den hastighet med vilken universum expanderar; avstånd är avståndet från en galax till den som jämförelsen görs med.

Hubble-konstanten beräknades till olika betydelser ganska länge, men är för närvarande fruset i 70 km/s per megaparsek. Det är inte så viktigt för oss. Det viktiga är att lagen ger ett bekvämt sätt att mäta hastigheten på en galax i förhållande till vår egen. Och vad som också är viktigt är att lagen slog fast att universum består av många galaxer, vars rörelse kan spåras tillbaka till Big Bang.

Keplers lagar för planetrörelse

I århundraden har forskare kämpat mot varandra och religiösa ledare om planeternas banor, särskilt om de kretsar runt solen. På 1500-talet lade Copernicus fram sitt kontroversiella koncept om heliocentrisk solsystem, där planeterna kretsar runt solen snarare än jorden. Det var dock först med Johannes Kepler, som byggde på Tycho Brahes och andra astronomers arbete, som en tydlig vetenskaplig grund för planetrörelser uppstod.

Keplers Three Laws of Planetary Motion, som utvecklades i början av 1600-talet, beskriver planeternas rörelse runt solen. Den första lagen, ibland kallad banlagen, säger att planeterna kretsar runt solen i en elliptisk bana. Den andra lagen, områdenas lag, säger att en linje som förbinder en planet med solen bildar lika stora ytor med lika tidsintervall. Med andra ord, om du mäter området som skapas av en dragen linje från jorden till solen, och spårar jordens rörelse under 30 dagar, kommer området att vara detsamma oavsett jordens position i förhållande till ursprunget.

Den tredje lagen, lagen om perioder, tillåter oss att fastställa ett tydligt samband mellan planetens omloppsperiod och avståndet till solen. Tack vare denna lag vet vi att en planet som är relativt nära solen, som Venus, har en mycket kortare omloppstid än avlägsna planeter som Neptunus.

Den universella gravitationens lag

Detta kan vara par för kursen idag, men för mer än 300 år sedan föreslog Sir Isaac Newton en revolutionerande idé: vilka två objekt som helst, oavsett deras massa, utövar en gravitationsattraktion på varandra. Denna lag representeras av en ekvation som många skolbarn möter i gymnasiet i fysik och matematik.

F = G × [(m1m2)/r²]

F är gravitationskraften mellan två objekt, mätt i newton. M1 och M2 är massorna av de två objekten, medan r är avståndet mellan dem. G är gravitationskonstanten, för närvarande beräknad som 6,67384(80)·10−11 eller N·m2·kg−2.

Fördelen med den universella gravitationslagen är att den låter dig beräkna gravitationsattraktionen mellan två olika objekt. Denna förmåga är extremt användbar när forskare, till exempel, skjuter upp en satellit i omloppsbana eller bestämmer månens kurs.

Newtons lagar

Eftersom vi pratar om en av de största forskarna som någonsin levt på jorden, låt oss prata om Newtons andra berömda lagar. Hans tre rörelselagar utgör en väsentlig del av modern fysik. Och som många andra fysiklagar är de eleganta i sin enkelhet.

Den första av de tre lagarna säger att ett föremål i rörelse förblir i rörelse om det inte påverkas av en yttre kraft. För en boll som rullar på golvet kan den yttre kraften vara friktion mellan bollen och golvet, eller en pojke som slår bollen i en annan riktning.

Den andra lagen fastställer förhållandet mellan ett föremåls massa (m) och dess acceleration (a) i form av ekvationen F = m x a. F representerar kraft, mätt i newton. Det är också en vektor, vilket betyder att den har en riktningskomponent. På grund av acceleration har en boll som rullar på golvet en speciell vektor i rörelseriktningen, och detta tas med i beräkningen vid beräkning av kraften.

Den tredje lagen är ganska meningsfull och borde vara bekant för dig: för varje handling finns det en lika och motsatt reaktion. Det vill säga, för varje kraft som appliceras på ett föremål på ytan stöts föremålet bort med samma kraft.

Termodynamikens lagar

Den brittiske fysikern och författaren C. P. Snow sa en gång att en icke-vetenskapsman som inte kände till termodynamikens andra lag var som en vetenskapsman som aldrig hade läst Shakespeare. Snows nu berömda uttalande betonade vikten av termodynamiken och behovet av att även icke-vetenskapliga människor känner till det.

Termodynamik är vetenskapen om hur energi fungerar i ett system, vare sig det är en motor eller jordens kärna. Det kan reduceras till flera grundläggande lagar, som Snow beskrev enligt följande:

• Du kan inte vinna.
• Du kommer inte att undvika förluster.
• Du kan inte lämna spelet.

Låt oss förstå det här lite. Genom att säga att du inte kan vinna, menade Snow att eftersom materia och energi bevaras, kan du inte vinna det ena utan att förlora det andra (det vill säga E=mc²). Detta innebär också att du behöver tillföra värme för att driva motorn, men i avsaknad av ett perfekt stängt system kommer en del värme oundvikligen att strömma ut i den öppna världen, vilket leder till den andra lagen.

Den andra lagen - förluster är oundvikliga - innebär att du på grund av ökande entropi inte kan återgå till ditt tidigare energitillstånd. Energi koncentrerad på ett ställe kommer alltid att tendera till platser med lägre koncentration.

Slutligen, den tredje lagen - du kan inte lämna spelet - hänvisar till den lägsta teoretiskt möjliga temperaturen - minus 273,15 grader Celsius. När systemet når absoluta nollpunkten stannar molekylernas rörelse, vilket innebär att entropin når sitt lägsta värde och att det inte ens kommer att finnas kinetisk energi. Men i den verkliga världen är det omöjligt att nå den absoluta noll - du kan bara komma väldigt nära det.

Arkimedes styrka

Efter att den forntida grekiske Arkimedes upptäckt hans princip om flytkraft, påstås han ha ropat "Eureka!" (Hittade det!) och sprang naken genom Syrakusa. Så säger legenden. Upptäckten var så viktig. Legenden säger också att Arkimedes upptäckte principen när han märkte att vattnet i ett badkar steg när en kropp var nedsänkt i det.

Enligt Archimedes princip om flytkraft är kraften som verkar på ett nedsänkt eller delvis nedsänkt föremål lika med massan av den vätska som föremålet förskjuter. Denna princip är av avgörande betydelse vid densitetsberäkningar såväl som vid konstruktion av ubåtar och andra oceangående fartyg.

Evolution och naturligt urval

Nu när vi har etablerat några av de grundläggande begreppen om hur universum började och hur fysiska lagar påverkar våra dagliga liv, låt oss rikta vår uppmärksamhet mot den mänskliga formen och ta reda på hur vi kom så långt. Enligt de flesta forskare har allt liv på jorden en gemensam förfader. Men för att en sådan enorm skillnad skulle uppstå mellan alla levande organismer, var några av dem tvungna att förvandlas till en separat art.

I en allmän mening inträffade denna differentiering genom evolutionsprocessen. Populationer av organismer och deras egenskaper har gått igenom mekanismer som mutationer. De med egenskaper som var mer fördelaktiga för överlevnaden, som bruna grodor, som är utmärkta på att kamouflera i träsket, valdes naturligt ut för att överleva. Det är härifrån termen naturligt urval kommer.

Du kan multiplicera dessa två teorier många, många gånger, och det är faktiskt vad Darwin gjorde på 1800-talet. Evolution och naturligt urval förklarar den enorma mångfalden av liv på jorden.

Allmän relativitetsteori

Albert Einstein var och förblir en stor upptäckt som för alltid förändrade vår syn på universum. Einsteins stora genombrott var påståendet att rum och tid inte är absoluta, och att gravitationen inte bara är en kraft som appliceras på ett objekt eller en massa. Tyngdkraften beror snarare på att massan böjer själva rummet och tiden (rum-tid).

För att tänka på detta, föreställ dig att du kör över jorden i en rak linje i östlig riktning, säg, från norra halvklotet. Efter ett tag, om någon vill bestämma din plats exakt, kommer du att vara mycket längre söder och öster om din ursprungliga position. Detta beror på att jorden är krökt. För att köra rakt österut måste du ta hänsyn till jordens form och köra i en vinkel något norrut. Jämför en rund boll och ett pappersark.

Utrymmet är ungefär samma sak. Till exempel kommer det att vara uppenbart för passagerare på en raket som flyger runt jorden att de flyger i en rak linje genom rymden. Men i verkligheten böjs rymdtiden runt dem av jordens gravitation, vilket gör att de både rör sig framåt och förblir i jordens omloppsbana.

Einsteins teori hade en enorm inverkan på framtiden för astrofysik och kosmologi. Hon förklarade en liten och oväntad anomali i Merkurius bana, visade hur stjärnljuset böjer sig och lade den teoretiska grunden för svarta hål.

Heisenbergs osäkerhetsprincip

Expansionen av Einsteins relativitetsteori lärde oss mer om hur universum fungerar och bidrog till att lägga grunden för kvantfysiken, vilket ledde till en helt oväntad pinsamhet för teoretisk vetenskap. År 1927 ledde insikten att alla universums lagar är flexibla i ett givet sammanhang till den tyske forskaren Werner Heisenbergs fantastiska upptäckt.

Genom att postulera sin osäkerhetsprincip insåg Heisenberg att det var omöjligt att känna till två egenskaper hos en partikel samtidigt med hög noggrannhet. Du kan veta positionen för en elektron med en hög grad av noggrannhet, men inte dess rörelsemängd, och vice versa.

Niels Bohr gjorde senare en upptäckt som hjälpte till att förklara Heisenbergs princip. Bohr upptäckte att elektronen har egenskaperna av både en partikel och en våg. Konceptet blev känt som våg-partikeldualitet och låg till grund för kvantfysiken. Därför, när vi mäter positionen för en elektron, definierar vi den som en partikel vid en viss punkt i rymden med en obestämd våglängd. När vi mäter en puls behandlar vi elektronen som en våg, vilket betyder att vi kan veta amplituden på dess längd, men inte dess position.