博雅小学堂
给孩子受益终生的人文底色
文 | 赵智沉
7月7日，博雅小学堂物理课导师、谷歌工程师、密歇根大学高能理论物理学博士赵智沉，于回国间隙在上海三联书店、志达书店分享了一场特别精彩的讲座。
报名名额100人，最终现场来了200多位家长和孩子，有不少孩子直接席地而坐，只顾着听讲。导师赵智沉从物理学层面详细解读常见现象，生动阐释了生活中那些截然不同现象背后的共同原理，让大家对物理世界有了更全面的认识。
在讲座互动阶段，孩子们都十分踊跃的回答的问题，并提出自己对物理学习的疑惑。
整场讲座精彩纷呈，现场的中小学听众意犹未尽，大家都很期待在赵智沉老师的暑期课《给孩子的经典物理》课堂上再续精彩。
以下是本次讲座内容：
大家好，我是赵智沉。
我正在博雅小学堂教一门《给孩子的物理学》，讲述宏观的物理学知识，物理学基本的思想方法，物理学如何去看待世界，当今物理学的面貌和未来的发展方向等。
我是上海本地人，本科就读于北京大学物理系，之后在美国密歇根大学读了理论物理博士，我的专业是“弦论”，和《生活大爆炸》中谢尔顿做的是一样的。
我现在做的工作与机器人算法的研究相关，是一个非常有趣的方向。这是我平时做的一些机器人和木工，这是设计为会跳Michael Jackson舞步的小机器人。
我们今天的主题是“物理是给世界建模的普适方法”，我们为什么要学物理？
其实，在物理学家眼中，这个纷繁复杂的世界，背后的一些基本思想其实是高度一致的。
我们看到的一些截然不同的现象，是可以用统一的简单的模型来描述的。下面，我们来看一些例子。
斜面与螺纹
斜面：一种简单的机械。我们可以使用斜面完成很复杂的任务，轻松地运送重物。
金字塔：现代人对金字塔建造的猜想，是认为古埃及人通过斜面将石头运送上去。
螺纹：沿着螺旋线往上走，也是一种斜面。拧螺纹的时候，是沿着水平方向拧，产生的效果是竖直方向往下压的。
使用比较轻的力量，实现往下压得很紧的效果，这也是一种斜面的经典应用。
露珠与可乐瓶
露珠为什么是球形？不是方的、立方体呢？
这就要从水的构成说起了。水是由大量水分子构成的，水分子是有一个氧原子两个氢原子，紧密连接在一起的，整体是电中性的，不带电的。
但是越靠近氧原子的地方越带负电荷，越靠近氢原子的地方越带正电荷，所以尽管整体是中性的，但是这种电荷不均匀的分布，会形成一种松散的、互相吸引的结构。
看水的表面，内面的水分子受到四面八方的力，而表面的水分子受到的综合的力是往里的，这就会让水的表面产生往里收的倾向，导致水的表面也就越小。
大家都知道，在三维的物体里，球形的表面积是最小的。
对于水来说，它可以是各种形状，但只有当它是球体的时候，它的表面积是最小的，它能够达到表面的水分子收得最紧的效果，这就是自然界里水总是呈现球体的原理，液体表面张力产生的效果。
为什么易拉罐做成这种圆柱体的样子 ？
易拉罐是用金属皮做成的，在最初制作的时候，铝皮是非常贵的。制作者希望用比较小的材料，容纳更大的体积。
对相同的面积来说，圆形的周长是最小的，把易拉罐做成圆柱体，是最能够节省材料的。这和水为什么是球体的原因是很相似的。
周期振动
大家有看过法国科幻作家儒勒·凡尔纳写的《地心游记》吗？当时人们在想：有什么最快的方法能到达地球另外一头？
有人提出了“地心隧道”，直线运动距离最短，因为地心给表面的引力是直向地心的，如果有这样一条隧道，因为能量守恒，人到达另外一端速度为0。
但是如果另外一端没有接住，产生的结果就是不断地两边振荡，直到产生摩擦把所有力量消耗完，才会停下来。现实中，这是不可能的，因为地心温度很高，而且是液体。
不过，当一个物体在一个稳定中心的附近做周期性振荡，越往两边速度越慢，越往中心速度越快，譬如下图钟摆的摆球，和节拍器、秋千，所有这种运动我们称之为“简谐振动”。
用物理原理来讲，一个物体当它偏离平衡位置的时候，它会受到一个力，偏移距离越远产生的力越大，当这个力和偏移距离成正比的时候，并且方向总是指向平衡位置的话，它所产生的运动即是简谐振动。
波
波在生活中无处不在。地震是一种以“波”的形式传到地面的振动。
有两种传播方式，一种是纵波，振动的方向和传播的方向是一样的，另外一种是横波，是上下振动前后传播。
地震发生时，纵波是更快到来的，让人感觉上下震动，而横波稍慢一些，地面会左右晃动，当人们发现到纵波后及时预警，就能够避免一部分地震带来的损害。
共振——听觉
听觉是通过共振来实现的。
人的耳朵随时能够听到各种各样的声音，那为什么能够听到这些声音呢？
这是因为耳朵的构造，分为外耳、中耳、内耳。
内耳的最里面有数以百计的绒毛细胞，每一个绒毛细胞有固定的共振频率，当声音传到耳朵里时，每一个绒毛细胞会听到那一个频率所对应的声音，达到一种共振，再把信号传递到大脑神经里。
相当于有一百个小人在做垃圾分类，把相应的频率挑拣出来，每一个小人分到的都是特定的频率，然后把这个频率放大将信号传递到大脑中。
力的统一
物理学最根本的任务，就是用比较简单的方式，来描述这个复杂的世界。
牛顿最伟大的地方，不仅在于他发现万有引力定律，在于他发现支配苹果掉到地上的规律，和支配月球围绕地球旋转的规律是一样的。
自从牛顿开始，整个世界变得统一、变得有序了。他的发现给了人们强烈的信心，人类其实可以用简单而普适的方式来描述整个宇宙运行，而不是把他们割裂开来。
到后来，经典物理学有了蓬勃的发展，我们有了电学、热学、光学等等，20世纪又有了相对论、量子力学等，物理学在统一的过程中不断往前迈进。
我们希望能够用一套完整的理论，去描述世界上所有能够看到的现象。
而至今这个探索仍在继续，而我希望能够和大家一起探索这场旅程，欢迎大家来参加我在7月15日开始的《给孩子的物理课》。
今天的讲座就到这里了，再次感谢大家！
节选自赵智沉《那些看似截然不同的现象背后的共同原理》。
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