z607.com 很多同学初中时很喜欢物理，觉得物理很简单也很有意思。但一到高中就感觉跟不上了，感觉跟自己以前认识的物理不是一个东西，不再那么直观，也不再那么简单有趣。
于是，在一些可以自由选择高考科目的地方，大量考生纷纷放弃物理，“弃考物理”曾一度成为热门话题而引发全国关注。
但是，物理学作为自然科学的基础学科，研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律。要铸大国重器，少了物理怎么行？要是都不学物理，那不用三体人，自己就把自己的科技树锁死了。
于是，许多地方改变了高考策略，改为理科生必选物理。
这种改变在长尾君看来无可厚非，理科生要是不学物理，那还叫啥子理科生？但是，追根溯源，我们还是得问：为什么很多原本喜欢物理的人，一到高中就不喜欢物理了？仿佛一到高中，物理就变得又难又无趣，跟初中物理不是一个物种似的。
其实，物理一直都是很美并且很有趣的。
但是，高中物理和初中物理的确有点不一样。如果不能及时认识到这点，还一直用初中物理的思维学习高中物理，那肯定会各种不适应，觉得物理又难又无趣，那就不好玩了。
在这篇文章里，长尾君就来跟大家好好聊一聊，一起看看高中物理跟初中物理到底有什么区别？看看如何理清高中物理框架，如何建立清晰的物理图像。
如果你初中刚毕业，希望你能迅速调整自己的思维；如果已经高二高三，希望这个对你重新理解物理，对你复习备考有帮助；如果还是初中生、小学生，打个预防针也不错~
01从定性到定量
高中物理和初中物理有一个非常大的不同：很多物理问题在初中只要你做定性的分析，到了高中就要你做定量的计算。
从定性分析到定量计算是一步非常大的跨越。
在初中，我们只需要定性地分析那些热学、光学、力学、电磁学的现象。
分析水为什么会变成冰和水蒸气？为什么会听到回声？为什么苹果往下落，水往低处流？为什么磁铁会同性相斥、异性相吸？为什么筷子在水里会折断？
这种定性分析跟日常生活联系得非常紧密。我们每学一点物理知识，就仿佛揭开了大自然某处的面纱，好奇心和求知欲在这个过程中得到了极大的满足。
这种初见物理的朦胧美，一如初见的恋人。人生若只如初见，那谁都可以跟物理谈恋爱。
恋爱期间我们可以靠对电、磁、力、热、光等领域的新鲜感来维持关系；婚后就要靠对柴米油盐酱醋茶、房贷、车贷精打细算来维系生活。
于是，进入高中，我们就要对力学、电磁学等领域进行精确的定量计算。
初中我们只要知道为什么苹果会往下落；高中就要能算出苹果1秒钟下落了多高，2秒后的速度是多少。
初中我们只要知道电荷同性相斥，异性相吸；高中我们就要知道两个电荷相距1米，它们的吸引力和排斥力到底有多大。
初中我们只要知道电荷在电场中会加速运动；高中我们就要算出电荷的运动的具体轨迹。
这样，大家明白从初中物理到高中物理到底发生什么了么？
是的，从恋人变成了夫妻。话题从以前的梦想环游世界，变成了计算下个月的房贷、车贷有多少，计算年终奖发多少可以去欧洲旅游。
现在你知道为什么很多人初中喜欢物理，到了高中就突然不喜欢物理了吧？没错，跟很多人想一直谈恋爱不想结婚一个道理~
但是，物理学是研究一切物质的运动形式和规律的学科，我们当然不能只满足于对物理现象做一些定性分析。
我们从自然界总结出了各种物理定律，再利用这些定律去改造自然。这可是一丁点差错都不能有的，必须进行精确的定量计算。
那么，做定量计算就不简单也不美了么？
如果我们可以算出每个物体的运动情况，对宇宙中所有物体的运动规律都了如指掌。这种开了上帝视角，这种宇宙万物尽在我心中的感觉，绝不是那种初见的朦胧感能比的。
如果你把物理图像都看清楚了，把物理框架建起来了，你会发现高中物理的定量计算其实一点也不难（我以前在小号写过一篇《如何引导初中生做定量的物理计算？|长尾谈话录》，感兴趣的可以先看看）。
好，接下来，我们就回到物理学的起点，再重新认识一次物理。
02为什么会运动？
宇宙万物都在运动和变化之中，物理学就是要研究它们的运动变化规律，研究它们为什么会运动，怎样运动？
我们能看见物体，是因为光子跑到眼睛里来了；我们能听见声音，是因为声波通过空气传入了耳朵；我们能接听电话，是因为有电磁波在给我们传递信息；至于苹果熟了会下落，推下椅子，椅子就会动就更不用说了。
如果没有运动，世界将是一片死寂，那也没物理学啥事了。
既然运动是如此的普遍和显然，那物体为什么会运动呢？
咋一看，这个问题好像很好笑，但仔细一想，你会发现它远没有想象的那么简单和理所当然。
为什么苹果往下落，热气球却往天上飞？我推一下椅子，椅子就往前走，一松手椅子就停了，难道有外力物体才会动？一个铁球比一根羽毛落得更快，是因为铁球更重一些么？
这些问题是如此的平常，但回答起来却异常的困难。古希腊时期很多自然哲学家都思考过这些问题，但答案都不太令人满意。
比如你想，我推椅子，椅子就动了。这个好理解，通过接触传递力也很容易接受。
但是，苹果下落时，并没有东西跟它接触啊，为什么它还会运动呢？热气球上升时，也没有东西跟它接触，为什么它也跟着运动？
而且，为什么苹果往下运动，热气球却往上运动呢？难道说重物都往下落，轻物都往天上飞？
这里，肯定有些同学想说：苹果下落是因为受到了向下的引力，热气球上浮是因为受到了向上的浮力。
很多家长在回答孩子的问题时，也喜欢直接这样甩答案。这答案虽然没错，但它过于从天而降。孩子们通过这种答案只能获得一个零碎的知识点，无法了解背后的知识体系，也无法体会科学是如何建立起来的。
古希腊人对自然界进行了细致地分析和深入的哲学思考，最后形成了一套自洽的自然哲学体系。
在这个过程中，出力最多、处于核心地位的是亚里士多德，我们姑且把这一整套看待世界的观点称为亚里士多德世界观。
这套观点认为，地球是宇宙的中心，日月星辰都围着地球转。
地球上的物质由水、火、土、气四种基本元素组成。土元素天然会向宇宙中心运动（所以石头会掉下来），水元素也天然向宇宙中心运动，但这一趋势比土元素弱（所以水也会往下运动，但在土的上面），气元素天然向水和土以上运动（所以水里的气泡会往上面冒），火元素有一种天然远离宇宙中心的趋势（所以火在空气中向上燃烧）。
一个物体如果趋于静止，要么是组成这个物体的元素已经达到了它在宇宙中的自然位置（比如水和土到了地球中心），要么是被其他东西（如地球表面）挡住了。
一个静止的物体会一直保持静止，除非它有其它的运动来源（要么是自己趋于宇宙自然位置的运动，要么是外界给了力，比如我推桌子）。
其它观点我就不一一列举了，大家看了之后有什么感想？
你有没有感觉，虽然这些观点在今天看起来很“幼稚”，但它却是一套自洽的体系。它能把自己的话圆回来，不会自相矛盾；它也能解释为什么物体会运动，能比较好的解释古人看到的各种现象。
甚至，对小孩子来说，这一套更符合“常识”，更容易被理解和接受。
但是，这并不是科学，而是自然哲学，真正的科学此时还没有诞生。亚里士多德世界观还要统治欧洲近两千年，一直到伽利略的出现。
03伽利略的发现
伽利略认为，我们不能只对运动做定性的分析，还要做定量的计算。
我们应该用数学定量地描述物体的运动，再用实验去验证，而不再讨论诸如物体的目的、本性这种形而上，无法量化的东西。
这就意味着，伽利略放弃了古希腊以来的自然哲学传统，正式创立了以数学和实验为根基，以“描述自然现象”为任务，而不是尝试去“解释自然现象本质”的现代科学。
重物会下落，那我就看看它是怎么下落的，第1秒下落了多高，第2秒下落了多高，找找规律。
你说物体越重下落得越快，那我就来做实验，看看一个重铁球和一个轻铁球是不是如此。
你说所有的物体达到它的自然位置之后就会趋于静止，那我就来做实验看看到底是不是这么回事。
做了一堆实验之后，伽利略大惊失色，他发现事情根本不是原来想的那样。感觉靠不住，我们得用实验说话。
首先，伽利略从一系列斜坡实验中发现：一个物体是否运动，跟它有没有受力没有直接关系，运动不需要外力来维持。
他设计了一个光滑的斜坡，发现不管我从左边多高的地方放下小球，小球基本上都能回到右边相同高度的地方。
进一步，我们减小右边的坡度，让右边越来越平。那么，为了回到同样的高度，小球就得运动更远的距离。
最后，我把右边的斜坡完全放平，那右边就变成了一个平面，高度永远不变了。这样，无论小球运动多久，运动多远，都不可能再回到左边的高度。
永远回不到左边高度的意思是：小球会一直匀速直线运动下去（假设地面绝对光滑）。
这就像在溜冰场，地面越光滑，你就能一次性滑得越远。如果地面绝对光滑，你就会永远停不下来，直到碰到其它障碍物。
通过这个实验，伽利略发现运动本身并不需要力来维持，物体不受任何外力作用时也能保持匀速直线运动的状态。
那么，力的作用到底是什么呢？我用力推椅子，椅子的状态确实改变了，也确实好像是我用的力气越大，椅子的速度就越大。
伽利略针对这些问题做了进一步研究，最后发现：力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因。
也就是说，维持物体的运动不需要力，但改变物体的运动就需要力了，力还是非常有用的。
小钢球在绝对光滑的地面上能一直匀速直线运动，速度的大小和方向都不变。但如果我用力推小球，小球的速度就会改变。
伽利略的工作非常重要，他不仅开创了现代意义上的科学，指明了科学研究的基本方法。也身体力行，发现了大量物体运动的基本规律，给后人指明了方向。
04牛顿力学
接下来，牛顿就在这些工作的基础上，建立了一整套描述物体运动的理论。这就是大名鼎鼎的牛顿力学，也是高中物理的核心。
牛顿力学有三大运动定律，理解了伽利略的发现，你就会觉得这些定律非常自然。然后你会发现：通过这些定律，我们竟然真的可以描述物体的各种运动。
所谓定律，就是科学家通过做各种实验，从实验现象里总结出来的规律，它的正确性由实验保证。定律是无法通过数学公式“推导”或者“证明”出来的，那些证明出来的叫定理。
数学家会预设一些最基本的公理（比如欧式几何的5条几何公理），然后从这些公理出发，通过逻辑演绎证明各种定理，构建起一座座坚固的数学大厦。
因为数学并不用对现实世界负责，所以公理的选择具有相对的任意性。你可以选这几条作为公理，推出一套数学体系；也可以选那几条作为公理，推出另一套数学体系。
只要体系内部不自相矛盾，都是可以的。就像欧式几何和非欧几何虽然在第五公设针锋相对，但它们却可以和谐共存。
但是，物理学是要对现实世界负责的，所以根基不能随便选。它一定要符合实验，符合从自然界观测的结果。
而定律就是从各种实验现象里总结出来的规律。因此，有些物理学家就以定律为根基，建立了一套理论体系，比如牛顿力学。
还有一些物理学家以原理为根基建立了理论体系，比如爱因斯坦的相对论。甚至，整个物理学都可以从最小作用量原理导出来。
原理并不是从某个具体实验总结出来的具体定律，而是大家从大量物理规律中总结出来的一些普遍成立的东西。这些原理对物理定律的形式有非常严格的限制，成了“管定律的定律”。
这样说，大家就明白牛顿的三大运动定律是什么地位了吧？它们是牛顿力学的根基，决定了牛顿力学的基本骨架。
下面，我们就来看看这三大定律到底都说了什么。
05牛顿第一定律
牛顿第一定律：物体在不受力，或者受到的合外力为0时，它将保持静止或者匀速直线运动（即速度的大小和方向都不变）。
牛顿第一定律也叫惯性定律，它告诉我们“运动并不需要力来维持”。如果物体受到的合外力为0，那它之前是什么速度，后面就依然是什么速度。
为什么它还有一个名字“惯性定律”呢？惯性在英文里跟惰性是同义词，就是懒的意思。
所以，惯性定律就是说所有的物体都很“懒”，像懒猪一样，都不愿意主动改变自己的运动状态。
如果我现在没动，那就打死不动，除非你用力推我；如果我现在有一个速度，那就一直以这个速度无脑前进，除非有力拦着我。
喜欢科幻电影的朋友肯定对这个画面不陌生：一个宇航员不小心弄断了连接飞船的绳子，然后大家就只能眼睁睁地看着这个宇航员以这个速度飘向太空深处。
因为太空中没有其它外力拦住他，所以他就只能遵守惯性定律“懒”下去，一直以这个速度飘走（虽然他是如此的不愿意）。
这也说明，没有力，宇航员照样可以运动，力的确不是维持物体运动的原因。
那么，力的作用到底是什么呢？伽利略在后半句里说了：力是改变物体运动状态的原因。
也就是说，虽然运动本身不需要力来维持，但是，如果你想改变运动状态，比如宇航员不想飘向太空深处，想回到飞船，这就需要一个外力来拉一把。
好，知道力可以改变物体的运动状态之后，我给你一定的力，你的速度能改变多少呢？
想要把这个账定量地算清楚，我们就需要牛顿第二定律。
06牛顿第二定律
怎么算呢？
首先，既然力可以改变物体的速度，那我们首先就得找一个物理量来描述物体速度的变化。比如，汽车现在的速度是2m/s，1秒后变成了4m/s，那它的速度就在1秒钟之内变化了4-2=2m/s。
为什么汽车的速度会变化呢？
当然是发动机的牵引力让汽车的速度发生了改变，换成马车就是马的拉力让车的速度改变了。既然速度发生了改变，那肯定就有什么力作用在它身上。
那么，力的大小跟速度的变化有什么关系呢？是力越大，速度的变化就越大么？
咋一看好像没问题。我用两匹马拉车，1秒内可以让马车加速2m/s；如果有四匹马，或许1秒内就能让马车加速4m/s。
但是，就算我只有一匹马，如果时间给够，比如60秒，那马车完全有可能增加更多的速度。
所以，光比速度的变化量是不公平的，我们还要限定时间：在一定的时间内（比如1秒钟）让物体的速度变化越大（也就是速度变化得越快），才能说明受到的力越大。
因此，我们有理由相信：合外力越大，物体的速度变化得越快。而单位时间内物体速度的变化量，正是加速度的定义。
也就是说，我们用加速度这个物理量来描述物体速度变化快慢的程度。
如果物体的速度不变，那它的加速度等于0；如果物体的速度在1秒内从2m/s增加到了4m/s，那它的加速度就是2m/s²；如果物体的速度在2秒内从1m/s增加到了7m/s，那么它的加速度就应该是（7-1）/2=3m/s²。
好，现在我们知道了：物体受到的合外力越大，它的速度变化得越快，加速度越大。
那么，还有其它影响加速度的因素么？同样是一匹马，一个拉自行车，一个拉大卡车，你觉得它们的加速度会一样么？
很显然，物体的加速度不仅跟合外力有关，还跟质量有关：质量越大，同等拉力下获得的加速度越小，反之越大。
有这样的铺垫，牛顿第二定律就呼之欲出了。
牛顿第二定律：物体的加速度a跟物体受到的合外力F成正比，跟物体的质量m成反比，写成公式就是F=ma。
于是，我们就引出了牛顿力学里最重要的一个公式，整个高中物理都可以说是在学习F=ma在各种情况下的应用。
牛顿第二定律也让我们有了一个全新的视角来审视“质量”这个概念。
惯性定律不是说“万物都很懒”么？没有外力推，一个个都打死不改变自己的运动状态。
但是，虽然大家都很“懒”，但是“懒”也分三六九等。有的物体是轻微的懒，轻轻一推就改变了运动状态；有的是极品的懒，用八抬大轿都抬不动。
那么，如何判断一个物体是一丢丢懒，还是非常懒呢？答：根据质量。
因为牛顿第二定律告诉我们，一个物体的质量越大，同等外力下产生的加速度就越小，即运动状态变化得越慢，这不就是更懒的意思么？
所以，质量就成了一个衡量物体运动状态改变难易程度的物理量。质量越大，越胖，越不想动，想想好像真的好有道理。
从这个角度，大家再来感受一下牛顿第二定律F=ma：外力（F）想改变物体的运动状态（a），但质量（m）越大，物体越懒，越坚持自我，越难被外力（F）所改变。
所以，内心越强大，越难被外界的诱惑所改变；质量越巨大，越难被外力的压迫所改变~
最后，再顺带看一下牛顿第三定律。
牛顿第三定律：相互作用的两个物体作用力和反作用力大小相等，方向相反（牛顿的原话是“每一个作用都有一个相等的反作用”，并没有提到“力”。但因为我们在讨论牛顿力学，所以教材里就直接用作用力和反作用力来表述，方便理解）。
这很好理解，比如我用力推一下墙，就会感觉墙也用力推了一下我，这两个力大小相等，方向相反。
好，理解了牛顿的三大运动定律，就理解了牛顿力学的根基，然后就可以分析万物的运动情况了。
07物体如何运动？
宇宙万物到底是如何运动的？隐藏在运动背后的规律又是什么？之前有很多人回答过这些问题，但答案都不太令人满意。
现在，牛顿同学递交了他的答卷，一份令人非常满意的答卷。
答卷的主体就是牛顿三大运动定律，它的核心思想是：如果物体不受外力（或者合外力为0），它将一直保持原来的速度。如果合外力不为0，它的速度就会改变，即具有一定的加速度。想知道加速度到底是多少，就用牛顿第二定律F=ma去计算。
例如，为什么茶杯在桌子上静止不动？因为茶杯受到了一个向下的重力，和一个来自桌面的向上的支持力，这两个力大小相等方向相反。
因此，茶杯受到的合外力为0，所以茶杯就静止不动。
为什么我推一下椅子，椅子就动了呢？
因为我推椅子时，椅子在水平方向上受到了一个推力，合外力不为0。根据牛顿第二定律F=ma，这个合外力会让椅子产生一个加速度，于是椅子就动起来了。
为什么松手之后，椅子会慢慢停下来呢？
因为松手之后，推力没有了，椅子在水平方向上受到的合外力就只有来自地面的摩擦力（摩擦力一直都在，但之前比推力小）。摩擦力与椅子运动的方向相反，因此会产生一个让椅子减速的加速度，于是椅子就慢慢停了下来。
为什么苹果熟了会往下落呢？因为苹果没熟时，苹果受到了一个向下的重力和一个树枝向上的拉力，这两个力大小相等方向相反。所以，苹果受到的合外力为0，于是保持静止。
苹果熟了以后，树枝承受不了苹果的重量，就跟苹果分离了。于是，苹果受到的合外力就只有向下的重力。根据F=ma，苹果会有一个向下的加速度，因此苹果会加速往地面掉落。
为什么月亮会围着地球转呢？因为地球和月亮之间有一个万有引力，月亮受到的合外力就是这个引力。根据F=ma，月亮会有一个加速度，这个加速度不断改变速度的方向，让月亮围着地球转。
为什么电荷在电场中会运动呢？因为电荷在电场中会受到一个电场力，此时电荷受到的合外力就是这个电场力。根据F=ma，电荷会有一个加速度，于是电荷开始加速运动。
为什么会潮起潮落？因为月亮对海水有一个吸引力，这个吸引力会给海水提供一个加速度。当地球转动时，这个加速度也会跟着变化，于是……
这些例子我可以给你无限列举下去，但是你发现没有，我用来解释物体为何这样运动的“套路”都是一样的：都是先看物体受到了什么力，把合外力F找出来，再利用F=ma求出物体的加速度a，最后根据加速度分析物体的运动情况。
来来去去就这三板斧，一套组合拳包打天下，这就是牛顿力学。
08从运动到受力
所以，大家现在明白为什么牛顿第二定律F=ma这么重要了么？
因为这个公式的左边代表了物体的受力情况（合外力F），右边代表了物体的运动情况（加速度a），F=ma则把物体的受力情况和运动情况紧密地联系在了一起。
物理学要研究万事万物的运动情况，牛顿第二定律F=ma告诉你：小伙子，想知道物体是怎么运动的吗？那就去看看它受到了什么力吧。我传你一套祖传秘籍F=ma，只要你告诉我它受到了什么力，我就能告诉你它将如何运动。
有了牛顿第二定律的神助攻，我们研究万事万物如何运动的宏伟目标，就变成了研究万事万物都受到了什么力。
那么，世界上都有些什么力呢？面对各种各样的力，我们又要如何研究呢？
答案是：先分类，再各个击破。
我们先对所有的力逐一盘问：你导致物体的运动状态发生了这样的改变，你是什么力？
就像提着一袋垃圾走向分类垃圾桶时，经常也会收到的问候一样：你是什么垃圾？
然后，我们就坐在力的分类桶前面开始审查：你让苹果加速下落，是引力，去1号桶；你让月亮围着地球转，还是引力，也去1号桶；你让杯子无法穿透桌面掉下去，是支持力，本质上是电磁力，去2号桶；你让原子核里的质子、中子没有因为电磁斥力散架，是强力，去3号桶……
科学家就这样对各种运动现象逐一考察，找出它们背后的力，然后对这些力进行分类。
最后你猜结果怎么着？
最后，大家惊奇地发现：只要4个桶，不用成百上千，也不要十个八个，只要4个桶就能把人类迄今为止发现的所有力都装进去。
什么意思？意思就是我们对各种力进行分类，发现力的数量虽然多，但种类却很少，只有区区4种（不过科学家还是觉得多，他们巴不得只有1种才好），这4种力分别是：引力、电磁力、强力、弱力。
这就非常有意思了。
你看啊，牛顿第二定律告诉我们：如果你想研究物体的运动情况，就去分析它的受力情况。知道了受力情况，就能通过F=ma求出它的加速度，进而知道它的运动情况。
一开始看到这段话，很多人可能觉得这是在转移矛盾，觉得这无非就是把锅从运动情况甩到受力情况这边来了，并没有实质性地解决问题。
但是，我现在告诉你：虽然物体的运动情况很复杂，但决定物体运动的力，却只有屈指可数的4种。
这样，问题的性质就从根本上发生了变化：如果总共只有4种力，那我完全可以把它们一个个弄清楚啊，毕竟4个又不多。
深入研究4种力，回报是掌握一切物体的运动情况，这买卖，太值了！
当然，你可能会疑惑：真的只要4种力就能搞定一切？有那么便宜？我读书少，你不要骗我。
科普人不打诳语，不仅如此，我还有一个更好的消息：虽然我们说有4种力，即引力、电磁力、强力、弱力。但是，强力和弱力只在原子核级别才有显著作用，日常生活中一般感觉不到它们的存在，高中物理也不会讲。
于是，你在高中会碰到的所有力，就只有引力和电磁力两种。怎么样？4种变2种，有没有双十一五折大甩卖的感觉？
接下来，我们就来仔细看看这两种力，看看为什么说日常生活中只能感觉到引力和电磁力。
09什么是引力？
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