1.2: Upeo na Kiwango cha Fizikia

Last updated
Save as PDF

Page ID: 176787

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Malengo ya kujifunza

Eleza wigo wa fizikia.
Tumia utaratibu wa ukubwa wa kiasi.
Linganisha urefu uliopimika, wingi, na nyakati za muda kwa kiasi kikubwa.
Eleza mahusiano kati ya mifano, nadharia, na sheria.

Fizikia ni kujitolea kwa ufahamu wa matukio yote ya asili. Katika fizikia, tunajaribu kuelewa matukio ya kimwili kwa mizani yote—kutoka ulimwengu wa chembe za subatomiki hadi ulimwengu mzima. Licha ya upana wa somo hilo, sehemu ndogo za fizikia zinashiriki msingi wa kawaida. Mafunzo sawa ya msingi katika fizikia yatakuandaa kufanya kazi katika eneo lolote la fizikia na maeneo yanayohusiana na sayansi na uhandisi. Katika sehemu hii, tunachunguza upeo wa fizikia; mizani ya urefu, wingi, na wakati ambao sheria za fizikia zimeonyeshwa kuwa zinatumika; na mchakato ambao sayansi kwa ujumla, na fizikia hasa, inafanya kazi.

Upeo wa Fizikia

Angalia mwingine picha ya thumbnail. Galaksi ya Whirlpool ina mabilioni ya nyota binafsi pamoja na mawingu makubwa ya gesi na vumbi. Galaksi yake rafiki pia inaonekana upande wa kulia. Hii jozi ya galaxi iko maili bilioni trilioni (1.4 x 10 ²¹ mi) kutoka galaxi yetu wenyewe (inayoitwa Milky Way). Nyota na sayari zinazounda Galaxy ya Whirlpool zinaweza kuonekana kuwa jambo la mbali zaidi katika maisha ya kila siku ya watu wengi, lakini Whirlpool ni mwanzo mkubwa wa kufikiri juu ya nguvu zinazoshikilia ulimwengu pamoja. Vikosi vinavyosababisha Galaxy ya Whirlpool kutenda kama inavyofanya hufikiriwa kuwa vikosi sawa tunavyoshindana navyo hapa duniani, iwe tunapanga kutuma roketi angani au tu kupanga kupanga kuinua kuta kwa nyumba mpya. Mvuto unaosababisha nyota za galaksi ya Whirlpool kuzunguka na kuzunguka hufikiriwa kuwa sawa na kile kinachosababisha maji kutiririka juu ya mabwawa ya umeme ya maji hapa duniani. Unapoangalia nyota, kutambua majeshi huko nje ni sawa na yale hapa duniani. Kupitia utafiti wa fizikia, unaweza kupata ufahamu mkubwa wa ushirikiano wa kila kitu tunachoweza kuona na kujua katika ulimwengu huu.

Fikiria, sasa, kuhusu vifaa vyote vya teknolojia unayotumia mara kwa mara. Kompyuta, smartphones, mifumo ya nafasi ya kimataifa (GPSs), wachezaji MP3, na redio satellite inaweza kuja akilini. Kisha, fikiria juu ya teknolojia ya kisasa ya kusisimua zaidi uliyosikia katika habari, kama vile treni zinazopiga juu ya nyimbo, “nguo zisizoonekana” ambazo hupiga mwanga kuzunguka, na robots microscopic zinazopigana na seli za saratani katika miili yetu. Maendeleo haya yote ya msingi, ya kawaida au ya ajabu, yanategemea kanuni za fizikia. Mbali na kucheza jukumu kubwa katika teknolojia, wataalamu kama vile wahandisi, marubani, madaktari, wataalamu wa kimwili, umeme, na watayarishaji wa kompyuta hutumia dhana za fizikia katika kazi zao za kila siku. Kwa mfano, majaribio lazima aelewe jinsi nguvu za upepo zinavyoathiri njia ya kukimbia; mtaalamu wa kimwili lazima aelewe jinsi misuli katika mwili inakabiliwa na nguvu wanapohamia na kuinama. Kama utakavyojifunza katika maandishi haya, kanuni za fizikia zinahamasisha teknolojia mpya, za kusisimua, na kanuni hizi zinatumika katika kazi mbalimbali.

Utaratibu wa msingi wa asili hufanya sayansi kwa ujumla, na fizikia hasa, ya kuvutia na ya kufurahisha kujifunza. Kwa mfano, mfuko wa chips na betri ya gari una sawa? Wote wana nishati ambayo inaweza kubadilishwa kwa aina nyingine. Sheria ya uhifadhi wa nishati (ambayo inasema kuwa nishati inaweza kubadilisha fomu lakini haijawahi kupotea) huunganisha mada kama vile kalori za chakula, betri, joto, mwanga, na chemchemi za kuangalia. Kuelewa sheria hii inafanya iwe rahisi kujifunza kuhusu aina mbalimbali nishati inachukua na jinsi yanahusiana na kila mmoja. Mada yanayoonekana yasiyohusiana yanaunganishwa kupitia sheria za kimwili zinazotumika, kuruhusu ufahamu zaidi ya kukariri orodha ya ukweli.

Sayansi ina nadharia na sheria ambazo ni ukweli wa jumla wa asili, pamoja na mwili wa maarifa wanaojumuisha. Wanasayansi wanaendelea kujaribu kupanua mwili huu wa ujuzi na kukamilisha usemi wa sheria zinazoelezea. Fizikia, inayotokana na phúsis ya Kigiriki, inayomaanisha “asili,” inahusika na kuelezea mwingiliano wa nishati, jambo, nafasi, na wakati wa kufunua taratibu za msingi zinazozingatia kila jambo. Wasiwasi huu wa kuelezea matukio ya msingi katika asili kimsingi hufafanua upeo wa fizikia.

Fizikia inalenga kuelewa ulimwengu unaozunguka katika ngazi ya msingi zaidi. Inasisitiza matumizi ya idadi ndogo ya sheria za upimaji wa kufanya hivyo, ambayo inaweza kuwa na manufaa kwa maeneo mengine yanayosuuza mipaka ya utendaji wa teknolojia zilizopo. Fikiria smartphone (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Fizikia inaeleza jinsi umeme unavyoingiliana na nyaya mbalimbali ndani ya kifaa. Maarifa haya husaidia wahandisi kuchagua vifaa vinavyofaa na mpangilio wa mzunguko wakati wa kujenga smartphone. Ujuzi wa fizikia msingi wa vifaa hivi unahitajika kupunguza ukubwa wao au kuongeza kasi yao ya usindikaji. Au, fikiria kuhusu GPS. Fizikia inaelezea uhusiano kati ya kasi ya kitu, umbali ambao unasafiri, na muda unaotumika kusafiri umbali huo. Unapotumia GPS katika gari, inategemea milinganyo ya fizikia ili kuamua muda wa kusafiri kutoka sehemu moja hadi nyingine.

Picha ya iPhone ya Apple inayoonyesha maelekezo kwenye ramani. — Kielelezo\(\PageIndex{1}\): iPhone ya Apple ni smartphone ya kawaida na kazi ya GPS. Fizikia inaelezea njia ambayo umeme inapita kupitia nyaya za kifaa hiki. Wahandisi hutumia ujuzi wao wa fizikia kujenga iPhone na vipengele ambavyo watumiaji watafurahia. Kipengele kimoja maalum cha iPhone ni kazi ya GPS. GPS inatumia milinganyo ya fizikia ili kuamua muda wa kuendesha gari kati ya maeneo mawili kwenye ramani.

Ujuzi wa fizikia ni muhimu katika hali za kila siku na pia katika fani zisizo za kisayansi. Inaweza kukusaidia kuelewa jinsi sehemu zote za microwave zinavyofanya kazi, kwa nini metali hazipaswi kuwekwa ndani yao, na kwa nini zinaweza kuathiri pacemakers. Fizikia inakuwezesha kuelewa hatari za mionzi na kutathmini hatari hizi kwa urahisi na kwa urahisi zaidi. Fizikia pia inaeleza sababu kwa nini radiator nyeusi gari husaidia kuondoa joto katika inji ya gari, na inaeleza kwa nini paa nyeupe husaidia kuweka ndani ya nyumba baridi. Vile vile, uendeshaji wa mfumo wa kupuuza gari pamoja na uhamisho wa ishara za umeme katika mfumo wa neva wa mwili wetu ni rahisi sana kuelewa wakati unafikiri juu yao kwa suala la fizikia ya msingi.

Fizikia ni elementi muhimu ya taaluma nyingi muhimu na huchangia moja kwa moja kwa wengine. Kemia, kwa mfano—kwani inahusika na mwingiliano wa atomi na moleki-ina uhusiano wa karibu na fizikia atomiki na Masi. Matawi mengi ya uhandisi yanahusika na kubuni teknolojia mpya, taratibu, au miundo ndani ya vikwazo vinavyowekwa na sheria za fizikia. Katika usanifu, fizikia iko katika moyo wa utulivu wa miundo na inashiriki katika acoustics, inapokanzwa, taa, na baridi ya majengo. Sehemu za jiolojia zinategemea sana fizikia, kama vile dating mionzi ya miamba, uchambuzi wa tetemeko la ardhi, na uhamisho wa joto ndani ya Dunia. Baadhi ya taaluma, kama vile biofizikia na geofizikia, ni mahuluti ya fizikia na taaluma nyingine.

Fizikia ina maombi mengi katika sayansi ya kibiolojia. Katika ngazi ya microscopic, husaidia kuelezea mali ya seli na mazingira yao. Katika ngazi ya macroscopic, inaelezea joto, kazi, na nguvu zinazohusiana na mwili wa binadamu na mifumo yake mbalimbali ya chombo. Fizikia inashiriki katika uchunguzi wa matibabu, kama vile radiographs, imaging resonance magnetic, na vipimo ultrasonic mtiririko wa damu. Tiba ya kimatibabu wakati mwingine inahusisha fizikia moja kwa moja; kwa mfano, radiotherapy ya kansa hutumia mionzi Fizikia pia inaelezea matukio ya hisia, kama vile vyombo vya muziki vinavyofanya sauti, jinsi jicho linavyotambua rangi, na jinsi lasers zinavyosambaza habari.

Si lazima kujifunza maombi yote ya fizikia rasmi. Nini muhimu zaidi ni kujua sheria za msingi za fizikia na kuendeleza ujuzi katika mbinu za uchambuzi za kuitumia. Utafiti wa fizikia pia unaweza kuboresha ujuzi wako wa kutatua matatizo. Zaidi ya hayo, fizikia inabakia mambo ya msingi ya sayansi, hivyo hutumiwa na sayansi zote, na utafiti wa fizikia hufanya sayansi nyingine iwe rahisi kuelewa.

Kiwango cha Fizikia

Kutoka kwa majadiliano hadi sasa, ni lazima iwe wazi kwamba kukamilisha malengo yako katika nyanja yoyote mbalimbali ndani ya sayansi ya asili na uhandisi, msingi kamili katika sheria za fizikia ni muhimu. Sababu ya hili ni kwamba sheria za fizikia zinatawala kila kitu katika ulimwengu unaoonekana katika mizani yote inayoweza kupimika ya urefu, uzito, na wakati. Sasa, hiyo ni rahisi kutosha kusema, lakini kuja kuondokana na nini maana yake kweli, tunahitaji kupata kiasi kidogo. Kwa hiyo, kabla ya kuchunguza mizani mbalimbali ambayo fizikia inatuwezesha kuchunguza, hebu tuangalie kwanza dhana ya “utaratibu wa ukubwa,” ambayo tunatumia kukubaliana na safu kubwa za urefu, wingi, na wakati tunayozingatia katika maandishi haya (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).

Kielelezo a inaonyesha azimio la juu skanning electron microscope picha ya filamu dhahabu. Kielelezo b kinaonyesha picha iliyoinuliwa ya phytoplankton na fuwele za barafu. Kielelezo c inaonyesha picha ya galaxi mbili. — Kielelezo\(\PageIndex{2}\): (a) Kutumia microscope ya skanning, wanasayansi wanaweza kuona atomi za mtu binafsi (kipenyo karibu ^{10 -10} m) ambazo hutunga karatasi hii ya dhahabu. (b) Tiny phytoplankton kuogelea kati ya fuwele ya barafu katika Bahari Antarctic. Zinatofautiana kutoka micrometers chache (1 μm ni 10 ^—6 m) hadi kiasi cha 2 mm (1 mm ni 10 ^—2 m) kwa urefu. (c) Galaksi hizi mbili za kugongana, zinazojulikana kama NGC 4676A (kulia) na NGC 4676B (kushoto), zinaitwa jina la utani la “Panya” kwa sababu ya mkia wa gesi inayotoka kila mmoja. Ziko miaka ya nuru milioni 300 kutoka Dunia katika kundinyota ya Coma Berenices. Hatimaye, galaxi hizi mbili zitaungana katika moja. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Erwinrossen; mikopo b: mabadiliko ya kazi na Prof Gordon Taylor, Chuo Kikuu cha Stony Brook; Mikusanyiko ya NOAA Corps; mikopo c: mabadiliko ya kazi na NASA, H.

Amri ya Ukubwa

Utaratibu wa ukubwa wa nambari ni nguvu ya 10 ambayo inakaribia kwa karibu zaidi. Hivyo, utaratibu wa ukubwa unamaanisha kiwango (au ukubwa) wa thamani. Kila nguvu ya 10 inawakilisha utaratibu tofauti wa ukubwa. Kwa mfano, 10 ¹, 10 ², 10 ³, na kadhalika, ni amri zote za ukubwa, kama ilivyo 10 ⁰ = 1, ^{10 -1}, 10 ^-2, na 10 ^-3. Ili kupata utaratibu wa ukubwa wa namba, fanya logarithm ya msingi-10 ya nambari na uizunguze kwa integer iliyo karibu, basi utaratibu wa ukubwa wa namba ni nguvu tu inayosababisha 10. Kwa mfano, utaratibu wa ukubwa wa 800 ni 10 ³ kwa sababu logi ₁₀ 800 ≈ 2.903, ambayo inazunguka hadi 3. Vile vile, utaratibu wa ukubwa wa 450 ni 10 ³ kwa sababu logi ₁₀ 450 ≈ 2.653, ambayo inazunguka hadi 3 pia. Hivyo, tunasema idadi 800 na 450 ni ya utaratibu sawa wa ukubwa: 10 ³. Hata hivyo, utaratibu wa ukubwa wa 250 ni 10 ² kwa sababu logi ₁₀ 250 ≈ 2.397, ambayo inazunguka hadi 2.

Njia sawa lakini ya haraka ya kupata utaratibu wa ukubwa wa namba ni kwanza kuandika kwa nukuu ya kisayansi na kisha angalia ili kuona kama sababu ya kwanza ni kubwa kuliko au chini ya\(\sqrt{10}\) = 10 ^0.5 ≈ 3. Wazo ni kwamba\(\sqrt{10}\) = 10 ^0.5 ni nusu kati ya 1 = 10 ⁰ na 10 = 10 ¹ kwenye kiwango cha msingi cha logi. Kwa hiyo, ikiwa sababu ya kwanza ni chini ya\(\sqrt{10}\), basi tunaizunguka hadi 1 na utaratibu wa ukubwa ni tu nguvu yoyote ya 10 inahitajika kuandika nambari katika notation ya kisayansi. Kwa upande mwingine, ikiwa sababu ya kwanza ni kubwa kuliko\(\sqrt{10}\), basi tunaizunguka hadi 10 na utaratibu wa ukubwa ni nguvu moja ya 10 ya juu kuliko nguvu zinazohitajika kuandika namba katika notation ya kisayansi. Kwa mfano, namba 800 inaweza kuandikwa kwa nukuu ya kisayansi kama 8 x 10 ². Kwa sababu 8 ni kubwa kuliko\(\sqrt{10}\) ≈ 3, tunasema utaratibu wa ukubwa wa 800 ni 10 ^{2 + 1} = 10 ³. Nambari 450 inaweza kuandikwa kama 4.5 x 10 ², hivyo utaratibu wake wa ukubwa pia ni 10 ³ kwa sababu 4.5 ni kubwa kuliko 3. Hata hivyo, 250 iliyoandikwa katika nukuu ya kisayansi ni 2.5 x 10 ² na 2.5 ni chini ya 3, hivyo utaratibu wake wa ukubwa ni 10 ².

Utaratibu wa ukubwa wa nambari umeundwa kuwa makadirio ya ballpark kwa kiwango (au ukubwa) wa thamani yake. Ni njia tu ya namba za mzunguko mara kwa mara kwa nguvu ya karibu ya 10. Hii inafanya kufanya mbaya hesabu ya akili na idadi kubwa sana na ndogo sana rahisi. Kwa mfano kipenyo cha atomi ya hidrojeni iko kwenye utaratibu wa m 10 ^-10, ilhali kipenyo cha Jua kiko kwenye utaratibu wa m 10 ⁹, hivyo itachukua takriban 10 ⁹ /10 ^{-10 = 10} ¹⁹ atomi za hidrojeni ili kunyoosha kote kipenyo cha Jua. Hii ni rahisi zaidi kufanya kichwani mwako kuliko kutumia maadili sahihi zaidi ya 1.06 x 10 ^-10 m kwa kipenyo cha atomi ya hidrojeni na 1.39 x 10 ⁹ m kwa kipenyo cha Jua, ili kujua kwamba itachukua atomi za hidrojeni 1.31 x 10 ¹⁹ ili kunyoosha kipenyo cha Jua. Mbali na kuwa rahisi, makadirio mabaya pia ni karibu kama taarifa kama hesabu sahihi.

Mipangilio inayojulikana ya Urefu, Misa, na Muda

Ukubwa wa ulimwengu na upana juu ya fizikia ambayo inatumika huonyeshwa na mifano mbalimbali ya urefu unaojulikana, raia, na nyakati (iliyotolewa kama amri ya ukubwa) katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\). Kuchunguza meza hii nitakupa hisia kwa mada mbalimbali iwezekanavyo katika fizikia na maadili ya namba. Njia nzuri ya kufahamu ukubwa wa viwango vya maadili katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\) ni kujaribu kujibu maswali rahisi ya kulinganisha, kama yafuatayo:

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Ni atomi ngapi za hidrojeni zinachukua ili kunyoosha kwenye kipenyo cha Jua?
Kuna protoni ngapi katika bakteria?
Ni shughuli ngapi zinazozunguka ambazo kompyuta ndogo inaweza kufanya siku 1?

Jibu: 10 ⁹ m/10 ^—10 m = 10 ¹⁹ atomi hidrojeni
Jibu b: 10 ^—15 kg/10 ^—27 kg = 10 ¹² protoni
Jibu c: 10 ⁵ s/10 ^—17 s = 10 ²² shughuli zinazozunguka

Katika kusoma Kielelezo\(\PageIndex{3}\), chukua muda wa kuja na maswali sawa ambayo yanakuvutia na kisha jaribu kujibu. Kufanya hivyo kunaweza kupumua maisha fulani karibu na meza yoyote ya namba.

Jedwali hili la amri ya ukubwa wa urefu, wingi na wakati ina nguzo tatu na safu kumi na tatu. Mstari wa kwanza ni mstari wa kichwa na huandika kila safu, “urefu katika mita (m),” “Misa katika kilo (kg),” na “wakati katika sekunde (s).” Chini ya safu ya “urefu wa mita” ni entries zifuatazo: 10 hadi chini ya mita 15 sawa na kipenyo cha proton; 10 hadi chini ya mita 14 sawa na kipenyo cha kiini kikubwa; 10 hadi chini ya mita 10 sawa na kipenyo cha atomi ya hidrojeni; 10 hadi chini ya mita 7 sawa na kipenyo cha virusi vya kawaida; 10 hadi chini ya 2 mita sawa na upana wa kidole cha pinky; 10 hadi mita 0 sawa na urefu wa mtoto wa miaka 4, na kuchora kwa mtoto kupima mwenyewe dhidi ya fimbo ya mita ni pamoja; 10 hadi mita 2 sawa na urefu wa uwanja wa mpira wa miguu; 10 hadi mita 7 sawa na kipenyo cha dunia; 10 hadi mita 13 sawa na kipenyo cha jua mfumo; 10 kwa 16 mita sawa umbali mwanga safari katika mwaka (mwaka mmoja mwanga); 10 kwa 21 mita sawa milky njia mduara; 10 kwa 26 mita sawa umbali na makali ya ulimwengu inayoonekana. Chini ya safu ya “Misa katika kilo” ni safu zifuatazo: 10 hadi -30 kilo sawa na wingi wa elektroni; 10 hadi -27 kilo sawa na wingi wa proton; 10 hadi -15 kilo sawa na wingi wa bakteria; 10 hadi -5 kilo sawa na molekuli ya mbu; 10 hadi kilo -2 sawa na wingi wa hummingbird; 10 kwa kilo 0 sawa na wingi wa lita moja ya maji, na kuchora kwa kiwango cha usawa na lita moja upande mmoja na kilo 1 kwa upande mwingine huonyeshwa; 10 hadi kilo 2 sawa na wingi wa mtu; 10 hadi kilo 19 ni sawa na wingi wa anga; 10 hadi kilo 22 sawa na wingi wa mwezi; 10 hadi kilo 25 sawa na wingi wa dunia; 10 kwa 30 kilo sawa na wingi wa jua; 10 kwa 53 kilo sawa na kikomo juu ya wingi wa ulimwengu inayojulikana. Chini ya safu ya “Muda katika sekunde” ni entries zifuatazo: 10 kwa sekunde -22 sawa na maana ya maisha ya kiini imara sana; 10 hadi sekunde -17 sawa na wakati wa operesheni moja inayozunguka katika kompyuta; 10 hadi -15 sekunde sawa na wakati wa oscillation moja ya mwanga inayoonekana; 10 hadi -13 sekunde ni sawa na wakati wa vibration moja ya atomi katika imara; 10 kwa sekunde -3 sawa na muda wa msukumo wa ujasiri; 10 hadi 0 sawa na wakati wa moyo mmoja, na kuchora kwa moyo na njama ya vurugu tatu huonyeshwa. Upeo wa pigo la kwanza ni kinachoitwa P. pigo inayofuata ni amplitude kubwa na muda mfupi. Mwanzo wa kunde ya pili ni kinachoitwa Q, kilele chake kinachoitwa R, na mwisho wake ni kinachoitwa S. kilele cha mapigo ya tatu kinachoitwa T. entries katika safu kuendelea kama ifuatavyo: 10 kwa sekunde 5 sawa na siku moja; 10 kwa sekunde 7 sawa na mwaka mmoja; 10 kwa sekunde 9 sawa na maisha ya binadamu; 10 hadi 11 sekunde sawa kumbukumbu historia ya binadamu; 10 kwa 17 sekunde sawa na umri wa dunia; 10 kwa 18 sekunde sawa na umri wa ulimwengu; — Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Jedwali hili linaonyesha amri za ukubwa wa urefu, wingi, na wakati.

Mifano ya ujenzi

Jinsi gani sisi kuja kujua sheria zinazosimamia matukio ya asili? Tunachotaja kama sheria za asili ni maelezo mafupi ya ulimwengu unaozunguka. Ni kauli za kibinadamu za sheria za msingi au sheria ambazo michakato yote ya asili hufuata. Sheria hizo ni za asili kwa ulimwengu; wanadamu hawakuziumba wala hawawezi kuzibadilisha. Tunaweza tu kugundua na kuelewa yao. Ugunduzi wao ni jitihada za kibinadamu sana, na mambo yote ya siri, mawazo, mapambano, ushindi, na tamaa inayotokana na jitihada yoyote ya ubunifu (Kielelezo 1.5). Jiwe la msingi la kugundua sheria za asili ni uchunguzi; wanasayansi lazima waeleze ulimwengu kama ilivyo, si kama tunavyofikiria kuwa.

Picha za Enrico Fermi and Marie Curie — Kielelezo\(\PageIndex{4}\): (a) Enrico Fermi (1901—1954) alizaliwa nchini Italia. Kwa kukubali Tuzo ya Nobel huko Stockholm mwaka 1938 kwa kazi yake juu ya radioactivity bandia iliyotengenezwa na nyutroni, alichukua familia yake Amerika badala ya kurudi nyumbani kwa serikali madarakani wakati huo. Alikuwa raia wa Marekani na alikuwa mshiriki kiongozi katika Mradi wa Manhattan. (b) Marie Curie (1867—1934) alitoa sadaka ya mali ya fedha ili kusaidia kufadhili utafiti wake mapema na kuharibu ustawi wake wa kimwili na yatokanayo na mionzi. Yeye ndiye mtu pekee kushinda tuzo za Nobel katika fizikia na kemia. Mmoja wa binti zake pia alishinda Tuzo ya Nobel. (mikopo a: Idara ya Nishati ya Marekani)

Mfano ni uwakilishi wa kitu ambacho mara nyingi ni vigumu sana (au haiwezekani) kuonyesha moja kwa moja. Ingawa mfano ni haki na vipimo vya majaribio, ni sahihi tu katika kuelezea mambo fulani ya mfumo wa kimwili. Mfano ni mfano wa Bohr wa atomi za elektroni moja, ambapo elektroni inaonyeshwa kama inazunguka kiini, sawa na njia ya sayari inayozunguka Sun (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)). Hatuwezi kuchunguza njia za elektroni moja kwa moja, lakini picha ya akili husaidia kueleza baadhi ya uchunguzi tunaweza kufanya, kama vile chafu ya mwanga kutoka gesi moto (atomiki spectra). Hata hivyo, uchunguzi mwingine unaonyesha kuwa picha katika mfano wa Bohr sio kweli atomi zinazoonekana kama. Mfano huo ni “sahihi,” lakini bado ni muhimu kwa madhumuni fulani. Wataalamu wa Fizikia hutumia mifano kwa madhumuni mbalimbali. Kwa mfano, mifano inaweza kusaidia fizikia kuchambua mazingira na kufanya hesabu au mifano inaweza kutumika kuwakilisha hali katika mfumo wa simulation ya kompyuta. Hatimaye, hata hivyo, matokeo ya mahesabu haya na uigaji haja ya kuwa mara mbili-checked na njia nyingine-yaani, uchunguzi na majaribio.

Mfano wa mfano wa Bohr wa atomi moja ya elektroni. Njia tatu za elektroni zinazowezekana zinaonyeshwa kama miduara ya makini inayozingatia kiini. Njia ni lebo, kutoka ndani hadi nje, n = 1, n = 2, na n = 3. Electroni inaonyeshwa kusonga kutoka obiti n=3 hadi obiti n=2, na kutoa fotoni na delta ya nishati E ni sawa na h f. — Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Ni mfano gani? Mfano wa Bohr wa atomi moja-elektroni unaonyesha elektroni inayozunguka kiini katika mojawapo ya njia kadhaa za mviringo zinazowezekana. Kama mifano yote, inakamata baadhi, lakini sio yote, vipengele vya mfumo wa kimwili.

Nadharia ya neno linamaanisha kitu tofauti na wanasayansi kuliko kile ambacho mara nyingi humaanisha wakati neno linatumiwa katika mazungumzo ya kila siku. Hasa, kwa mwanasayansi nadharia si sawa na “nadhani” au “wazo” au hata “hypothesis.” Maneno “ni nadharia tu” inaonekana haina maana na ya udanganyifu kwa wanasayansi kwa sababu sayansi imeanzishwa juu ya dhana ya nadharia. Kwa mwanasayansi, nadharia ni maelezo ya kupima kwa mifumo katika asili inayoungwa mkono na ushahidi wa kisayansi na kuthibitishwa mara nyingi na makundi mbalimbali ya watafiti. Baadhi ya nadharia ni pamoja na mifano ya kusaidia taswira matukio ilhali wengine hawana. Nadharia ya Newton ya mvuto, kwa mfano, hauhitaji mfano au picha ya akili, kwa sababu tunaweza kuchunguza vitu moja kwa moja na akili zetu wenyewe. Nadharia ya kinetiki ya gesi, kwa upande mwingine, ni mfano ambao gesi hutazamwa kama inaundwa na atomi na molekuli. Atomi na molekuli ni ndogo mno kuzingatiwa moja kwa moja na hisia zetu—hivyo, tunavichora kiakili ili tuelewe kile vyombo vinavyotuambia kuhusu tabia ya gesi. Ingawa mifano ni maana tu kuelezea mambo fulani ya mfumo wa kimwili kwa usahihi, nadharia inapaswa kuelezea masuala yote ya mfumo wowote unaoanguka ndani ya uwanja wake wa kuomba. Hasa, maana yoyote ya majaribio ya majaribio ya nadharia inapaswa kuthibitishwa. Ikiwa jaribio linaonyesha maana ya nadharia kuwa ya uongo, basi nadharia hiyo inatupwa nje au imebadilishwa vizuri (kwa mfano, kwa kupunguza kikoa chake cha kuomba).

Sheria inatumia lugha mafupi kuelezea muundo wa jumla katika asili inayoungwa mkono na ushahidi wa kisayansi na majaribio ya mara kwa mara. Mara nyingi, sheria inaweza kuelezwa kwa namna ya equation moja ya hisabati. Sheria na nadharia zinafanana kwa kuwa zote mbili ni kauli za kisayansi zinazotokana na nadharia zilizojaribiwa na zinaungwa mkono na ushahidi wa kisayansi. Hata hivyo, sheria ya wajibu kwa kawaida huhifadhiwa kwa taarifa mafupi na ya jumla ambayo inaelezea matukio katika asili, kama sheria kwamba nishati huhifadhiwa wakati wa mchakato wowote, au sheria ya pili ya Newton ya mwendo, ambayo inahusiana na nguvu (F), wingi (m), na kuongeza kasi (a) kwa equation rahisi F = ma. Nadharia, kinyume chake, ni taarifa ya chini ya mafupi ya tabia iliyozingatiwa. Kwa mfano, nadharia ya mageuzi na nadharia ya relativity haiwezi kuelezwa kwa ufupi wa kutosha kuchukuliwa sheria. Tofauti kubwa kati ya sheria na nadharia ni kwamba nadharia ni ngumu zaidi na yenye nguvu. Sheria inaelezea hatua moja ambapo nadharia inaelezea kundi zima la matukio yanayohusiana. Kauli ndogo zinazotumika kwa kawaida huitwa kanuni (kama vile kanuni ya Pascal, ambayo inatumika tu katika maji maji), lakini tofauti kati ya sheria na kanuni mara nyingi hazifanyiki kwa makini.

Mifano, nadharia, na sheria tunazozipanga wakati mwingine zinamaanisha kuwepo kwa vitu au matukio ambayo bado haijatambuliwa. Utabiri huu ni ushindi wa ajabu na ushindi wa nguvu za sayansi. Ni utaratibu wa msingi katika ulimwengu ambao huwezesha wanasayansi kufanya utabiri wa kuvutia kama huo. Hata hivyo, kama majaribio hayathibitishi utabiri wetu, basi nadharia au sheria ni sahihi, bila kujali ni kifahari au rahisi. Sheria haziwezi kamwe kujulikana kwa uhakika kabisa kwa sababu haiwezekani kufanya kila jaribio la kufikiriwa ili kuthibitisha sheria kwa kila hali inayowezekana. Wataalamu wa Fizikia hufanya kazi chini ya dhana kwamba sheria zote za kisayansi na nadharia ni halali mpaka mfano wa counterexample utazingatiwa. Ikiwa jaribio la ubora mzuri, linathibitishwa linapingana na sheria au nadharia iliyoanzishwa vizuri, basi sheria au nadharia lazima ibadilishwe au kupinduliwa kabisa. Utafiti wa sayansi kwa ujumla, na fizikia hasa, ni adventure sana kama utafutaji wa bahari uncharted. Uvumbuzi hufanywa; mifano, nadharia, na sheria zimeandaliwa; na uzuri wa ulimwengu wa kimwili unafanywa tukufu zaidi kwa ufahamu uliopatikana.

Template:TranscludeAutoNum