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66663周前
在物理学中有一条铁律似乎永不动摇,那就是守恒定律。比如能量守恒,就是能量只能从一种形式转化为另一种,但总量不变。当你踢足球时,肌肉的化学能转化为球的动能,同时产生热能和声能。如果计算前后总能量,它始终相等。 或者你开车时,汽油中的化学能可以转化为汽车的动能,而动能又可以转化为热能。但无论如何转换,如果将所有形式加总能量,总量始终不变。此外还有动量守恒,动量包括包括线性动量和角动量,它是质量乘以速度的乘积。在孤立系统中,总动量保持不变。 比如你在打台球时,白球撞击彩球,其动量转移给彩球,但前后总动量相等。类似的原理也适用于角动量,描述系统的总旋转。当然还有其他守恒定律,如电荷守恒,也就是系统的总电荷量不会改变。电荷可以转移,但不能被创造或消灭。 以及将质量与能量结合的质能守恒。但无论是哪种守恒,长期以来,人们只是观察到这些定律的存在,却不知其所以然。直到后来科学家引入对称性的概念,一切才变得清晰。 在物理学中,对称性不是指蝴蝶翅膀或镜像对称,而是指物理定律在某些变换下保持不变。比如你今天做实验,明天重复相同实验,结果必然一致,这就是时间平移对称性,物理定律不因时间推移而变。同样,你在地球的两个地方做相同实验,结果相同,这就是空间平移对称性,也就是说,定律不依赖于位置。 宇宙没有特殊地点或特殊时刻,规则处处时时一致,就像镜像或旋转后的图形在外观上保持不变一样。物理学家和数学家将这种性质称为系统在该变换下具有不变性。1918年德国数学家艾米诺特提出,只要存在这样的对称性,就必然存在一种对应的守恒量,这一理论如今被称为诺特定理。 比如时间平移对称性导致能量守恒,空间平移对称性导致动量守恒。那么为什么能量会守恒呢?我们知道,在宇宙中,能量驱动运动,产生热,点亮光芒,甚至维系物质结构。它能从动能转为热能,或从电能转为声能,但能量从不凭空出现或消失。 为什么能量守恒?这就是因为宇宙的时间对称性。如果能量突然出现或消失,就意味着某个特殊时刻,定律在那时改变了,这违反了时间对称。那么宇宙就会像有魔法时刻一样混乱,每一次实验都有所不同。而现实中实验随时重复,结果都会相同,因此能量总量永恒不变。 接下来,我们再说说空间对称与动量守恒。空间平移对称性意味着物理定律在任何地方都相同,无论是地球还是银河系,或者遥远的仙女座星系。假设平静的水面上有两艘船,船上各有一个人。当其中一个人把篮球扔给另
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《电与磁》 思维导图 电是能量的一种形式,由电子运动产生, 有静电由和电流两种。 电不仅能用来发热和发光, 还可以为各种机器提供能量。 磁是某些金属或矿石发出的看不见的自然力, 它能够吸引或者排斥某些物质 物质的烘磁性也源于电子的运动 那么电的本质是什么呢 物体由于某种原因,如摩擦、受热、化学变化等, 而失去一部分电子或获得额外电子时都会带电。 物体原来不带电,如果多了一些电子, 就带负电荷;如果缺少了一些电子,就带正电荷。 相同性质的电荷放在一起时彼此会排斥 不同性质的电荷放在一起时 会尽可能地向对方靠拢。 冬天有时候接触物体会被电一下 这就是静电 静电是由物体中的电子转移引起的。 当气球与布相摩擦时,电子就会由布转移到气球上, 气球就带有较多的负电荷。 而布因失去了较多的电子而带有正电荷了。 正负不同的电荷总是要相互吸引的, 于是布就会吸附在气球上 雷雨天我们能够看到闪电 这个属于自然界中的放电现象 雷雨天出现的电闪雷鸣,其实是一种大规模的放电现象。 当带正电的物体和带负电的物体靠近时, 正、负两种电荷互相吸引产生中和, 同时以闪电的形式释放出能量, 这种现象就是放电 打开我们的电器 导线内就会有电流形成 我们日常所使用的电是制造出来的, 它们是一种流动的电,称电流。 当电流不间断地向同一方向运动时, 它形成的是直流电。 交流电会不断地改换方向, 电流会在一个方向上产生出最大强度, 随后消失殆尽;而接着又会产生出最大强度来, 不过是在相反的方向上,然后又会消失殆尽。 这就是交流电的周期性 电器工作时使用的都是交流电 我们的地球存在着磁场 一些具有磁性的物体如磁铁,有一种无形的力, 既能把一些东西吸过来,又能排斥一些东西。 它所吸引的物体是有磁性的。 每个磁体在其靠近未端的地方都会有两极: 磁南极和磁北极。 不同磁极会相互吸引, 相同的磁极则会相互排斥 电也能生磁 科学研究表明:带电体周围的空间存在电场。 同样,磁体之间的相互作用也是通过磁场发生的。 电场和磁场都是物质存在的特殊形态, 看不见,摸不着,它们只有跟电荷或磁体发生作用时, 才表现出各自的特性
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