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10 Wichtige Ideen in der Physik

10 Wichtige Ideen in Physik - Dummies

Physik ist die wissenschaftliche Untersuchung der Grundregeln, die das Universum bestimmen. Weil Physiker gerne präzise sind, drücken sie ihre Ideen oft als mathematische Gleichungen aus. Was folgt, sind zehn der wichtigsten Ideen in der Physik. Diese Ideen haben tiefgreifende Auswirkungen darauf, wie Wissenschaftler das Universum und die Technologien, die Menschen täglich nutzen, betrachten.

Newtons zweites Gesetz

  • Worum es geht: Newtons zweites Gesetz beschreibt, wie Kräfte die Bewegung beeinflussen. Es besagt, dass die Beschleunigung jedes Objekts zunimmt, wenn die Nettokraft auf das Objekt zunimmt, und die Beschleunigung nimmt ab, wenn die Masse des Objekts zunimmt. Es wird allgemein als die Gleichung F netto = ma ausgedrückt.

  • Warum es wichtig ist: Newtons zweites Gesetz ist der Eckpfeiler der klassischen Mechanik. Ideen über Schwung, Arbeit und Energie kommen alle heraus. Wissenschaftler und Ingenieure verwenden Newtons zweites Gesetz, wenn sie die Bewegungen von Objekten betrachten, die von Molekülen über Autos bis hin zu Galaxien reichen.

Newtons universelles Gravitationsgesetz

  • Worum es geht: Newtons universelles Gravitationsgesetz besagt, dass die Gravitationskraft zwischen zwei Objekten mit der Masse zunimmt und mit der Entfernung abnimmt. Es wird präziser ausgedrückt mit der Gleichung F g = Gm 1 m 2 / r 2 mit m 1 und m 2 Massen, r der Abstand zwischen ihnen und G eine fundamentale Gravitationskonstante.

    Warum es wichtig ist:
  • Newtons universelles Gravitationsgesetz zeigte, dass die gleichen Gesetze der Physik, die den Fall eines Apfels bestimmen, auch die Bewegungen des Mondes und der Planeten bestimmen. Es begann die Suche nach Naturgesetzen, die präzise, ​​einfach auszudrücken und auf alle Teile des Universums gleichermaßen anwendbar waren. Bewahrung des Moments

Was es heißt:

  • Der Impuls eines Objekts ist die Masse des Objekts multipliziert mit seiner Geschwindigkeit. Das Gesetz der Impulserhaltung besagt, dass sich der Gesamtimpuls aller Objekte im Universum niemals ändert.

    Warum es wichtig ist:
  • Das Gesetz der Impulserhaltung hilft Ihnen, Kollisionen zwischen Objekten zu verstehen. Der Gesamtimpuls vor einer Kollision entspricht dem Gesamtimpuls nach einer Kollision. Sie können diese Tatsache verwenden, um zu verstehen, wie sich die Geschwindigkeiten von Objekten vor einer Kollision auf Geschwindigkeiten nach einer Kollision beziehen. Die Erhaltung des Impulses ist wichtig für Billard, Autounfälle und Kollisionen zwischen subatomaren Partikeln. Erhaltung des Drehimpulses

Was es sagt:

  • Sie können sich den Drehimpuls als die Gesamtdrehzahl eines Objekts vorstellen.Ein Objekt hat mehr Spin, wenn es sich schneller dreht oder mehr Masse hat. Die Erhaltung des Drehimpulses besagt, dass sich der Gesamtspin aller Objekte im Universum niemals ändert. Wenn ein Objekt seinen Spin reduziert, muss ein anderes Objekt seinen Spin erhöhen. Warum es wichtig ist:

  • Das Gesetz zur Erhaltung des Drehimpulses beschreibt die Physik rotierender Objekte und sich im Kreis bewegender Objekte. Es ist besonders wichtig in der Astronomie. Monde, Planeten, Sterne und Galaxien drehen sich alle, und Drehimpuls hilft Ihnen, all diese Rotation zu verstehen. Energieerhaltung

Worum es geht:

  • Man kann sich Energie als die Fähigkeit körperlicher Arbeit vorstellen. Das Gesetz der Energieerhaltung besagt, dass Energie niemals erzeugt oder zerstört werden kann. Sie kann nur übertragen und in verschiedene Formen umgewandelt werden. Warum das wichtig ist:

  • Das Gesetz der Energieerhaltung ist überall dort wichtig, wo Energie beteiligt ist. In Kraftwerken werden chemische und mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Küchengeräte wandeln elektrische Energie in thermische und mechanische Energie um. Automotoren wandeln chemische Energie in thermische und mechanische Energie um. In jedem dieser Fälle regelt das Energieerhaltungsgesetz die Prozesse. Maxwells Gleichungen

Was sie sagen:

  • Maxwells Gleichungen beschreiben die Physik von Elektrizität, Magnetismus, wie sich Elektrizität und Magnetismus zueinander verhalten und wie Elektrizität und Magnetismus mit Licht und anderen Formen elektromagnetischer Strahlung (z. B. als Röntgenstrahlen). Maxwells Gleichungen erfordern etwas fortgeschrittene Mathematik: Alle vier müssen mit Vektor-Kalkül-Notation geschrieben werden. Warum sie wichtig sind:

  • Die Maxwell-Gleichungen bilden die theoretische Grundlage für alle modernen elektrischen Technologien, einschließlich Kraftwerken, Elektromotoren, Mikrofonen, Lautsprechern und jeder Art von drahtlosen Sendern oder Empfängern (einschließlich Mobiltelefone, Wi-Fi). und GPS). Einsteins Relativitätstheorie

Was es sagt:

  • Einstein hat gezeigt, dass der Raum, der Lauf der Zeit und die Masse nicht absolut sind. Stattdessen variieren alle drei in Abhängigkeit von Ihrer Geschwindigkeit. Zum Beispiel vergeht die Zeit für Sie langsamer, je schneller Sie reisen. Ihre Masse nimmt auch mit der Geschwindigkeit zu. Da Geschwindigkeiten immer relativ zu einem Bezugsrahmen gemessen werden, wird Einsteins Theorie typischerweise als Relativitätstheorie bezeichnet. Warum es wichtig ist:

  • Die berühmteste Gleichung der Physik, E = mc 2 , stammt aus Einsteins Relativitätstheorie. Diese Gleichung besagt, dass Energie gleich Masse multipliziert mit der Lichtquadratquadrate ist. Das bedeutet, dass Masse und Energie gleich sind, obwohl es viel Energie in nur 1 Kilogramm Masse gibt; 1 Kilogramm Masse entspricht etwa 90 Billiarden Joule Energie. Die Quantentheorie

Was es sagt:

  • Es ist naheliegend zu denken, dass Größen in der Physik irgendeinen Wert annehmen können. Zum Beispiel erwarten Sie, dass Sie eine Kraft von 1 N, 2 N oder irgendetwas dazwischen anwenden können (wie 1.4235N) zu einem Objekt. Die Quantentheorie besagt jedoch, dass dies nicht in allen Situationen der Fall ist. Zum Beispiel sind im Inneren des Atoms Größen wie Energie und Drehimpuls quantisiert , was bedeutet, dass diese Größen nur bestimmte diskrete Werte annehmen können. Warum es wichtig ist:

  • Die Quantentheorie ist heute ein wichtiger Teil des Verständnisses der atomaren Struktur. Ein Großteil der modernen Chemie und der subatomaren Physik basiert auf der Quantentheorie und hat tiefgreifende Auswirkungen auf die moderne Technologie. Zum Beispiel würden Transistoren, die Schlüsselkomponenten in modernen Computern sind, ohne Wissen der Wissenschaftler über die Quantentheorie nicht existieren. Die Schrödinger-Gleichung

Was es heißt:

  • Die Schrödinger-Gleichung besagt, dass das Universum letztlich auf der Wahrscheinlichkeit beruht. Zum Beispiel können Sie nicht genau wissen, wann ein instabiler Atomkern zerfällt. Sie können nur die Wahrscheinlichkeit kennen, mit der der Kern in einer bestimmten Zeit zerfällt. Wie die Quantentheorie ist die Schrödinger-Gleichung besonders wichtig innerhalb von Atomen. Warum es wichtig ist:

  • Newton legte eine wichtige Idee vor, als er seine Bewegungsgesetze entwickelte: Die grundlegenden Naturgesetze geben absolute und genaue Vorhersagen der beobachtbaren Realität. Schrödinger hat diesen Gedanken mit seiner Gleichung in Frage gestellt. Einige Wissenschaftler (einschließlich Schrödinger selbst) waren mit dieser Idee, dass das Universum auf Wahrscheinlichkeit basiert, grundsätzlich unbequem, und es gab eine Anzahl von (erfolglosen) Versuchen, neuere Theorien zu entwickeln, in denen das Universum absolut bestimmt werden würde. Das Standardmodell

Was es sagt:

  • Das Standardmodell beschreibt und prognostiziert alle fundamentalen (unteilbaren) Teilchen, die Sie heute beobachten können, sowie alle fundamentalen Kräfte außer der Schwerkraft. Es ist eine einheitliche Theorie, die Elektrizität, Magnetismus und Kernphysik einschließt. Das Standardmodell ist normalerweise kein Bestandteil von einführenden Physikkursen, aber einführende Physikstudenten sollten sich zumindest dessen Existenz bewusst sein. Warum es wichtig ist:

  • Das Standardmodell repräsentiert den Rand des wissenschaftlichen Verständnisses der Grundlagenphysik. Ein Großteil der Forschung in der Grundlagenphysik der letzten 50 Jahre (einschließlich des Large Hadron Colliders) bestand darin, die Vorhersagen des Standardmodells zu testen und nach Wegen zu suchen, um es zu verbessern.