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在这里,动力臂小于阻力臂,手对浆施加的动力比水对浆的阻力大,但是手只要移动很小的距离,浆就可以在水中移动较大的距离。费力杠杆是用力换来了距离。
随着年龄增长,我们发现力与力臂的乘积其实是一个叫做力矩的东西。
杠杆平衡原理即为合力矩为零。
陀螺的转动,自行车的平衡,都与力矩有关。关于自行车平衡的原理,
在历经1935960小时,我们破解了自行车平衡的奥秘中,给出了详细的介绍。
对称性与守恒量
物理学中还有一个有意思的东西,就是对称性。
我们有着以对称为美的传统,大自然也喜欢对称的结构。宏观上,很多建筑和人为设计的东西都呈现出一定的对称性;微观上,原子结构,晶体结构也都呈现出某种平移或旋转对称性。
对称性在物理学的研究中有着举足轻重的作用。
物理学家最喜欢的东西就是对称,因为对称性可以降低系统的复杂程度,简化物理规律,这样看起来会更美,比如球形鸡。
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对称性往往对应着某一种守恒量。
例如,空间平移对称性对应着动量守恒;空间旋转对称性对应着角动量守恒;时间平移对称性对应着能量守恒。这些守恒关系都可以从拉氏量推导而来,这里不做过多赘述。
然而大自然并不总是对称的,当系统不再展现出某种对称性时,我们称之为对称性破却。对称性破却往往会带来新奇的物理现象。
电与磁
电磁现象有着悠久的历史。公元前600年左右,希腊人泰勒斯(Thales)就发现摩擦过的琥珀可以吸引羽毛等轻小物体的现象;在东汉时期,我国就有了关于“司南”的记载。
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在电磁学里面,“场”是一个很重要的概念。
在此之前关于力学的学习中,我们接触到了物体之间的相互作用力都是存在于直接接触的物体之间的。比如用手推木箱时,通过手和木箱的直接接触,把力作用在了箱子上。我们学摩擦力时也指出,两个接触面粗糙的物体之间有压力,且有相对运动趋势时,才会产生摩擦力。
但是电力(电荷之间的相互作用力)、磁力(如磁铁对铁块的吸引力)、万有引力这几种力的作用方式却有所不同。这几种力可以发生在相隔一定距离的物体之间,彼此之间不需要接触。
这并不是说明这些力是“超距作用”,而是由相应的“场”来作用的。凡是有电荷的地方,就会在自己周围的空间激发电场,电场对处在其中的任何其它电荷都有作用力,这就是电场力;磁场也类似,磁极或者电流会在自己周围的空间激发磁场,对于处在磁场中的任何电流或者磁极都会产生作用力。所以电场力和磁力其实是一种“近距”作用。