Transcript Istota fizyki - skaczmarek.zut.edu.pl

Fizyka
Literatura:
K. Lichszteld I. Kruk, „Wykłady z fizyki”, Szczecin 2004
Czesław Bobrowski, „Fizyka – krótki kurs”, WNT 1998
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
1
Istota fizyki
Fizyka [jusiz - przyroda] badanie własności materii i
zjawisk fizycznych.
Zjawisko fizyczne - procesy przebiegające z udziałem
materii nieożywionej i zmiany zachodzące w tej materii, nie
prowadzące do zmian rodzaju substancji.
Obserwacja - badanie zjawiska w warunkach naturalnych.
Doświadczenie - badanie zjawiska w warunkach
laboratoryjnych.
Doświadczenia myślowe - omijamy kłopoty z doświadczeń
rzeczywistych.
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
2
Istota fizyki
Badanie zjawiska fizycznego.
I. Eksperyment - pomiar wielkości fizycznych.

Wielkość fizyczna - cecha ciała (zjawiska), definiowalna
i mierzalna.
Pomiar wielkości fizycznej - porównanie danej
wielkości z wielkością tego samego rodzaju przyjętą za
jednostkę.
Na wynik pomiaru mają wpływ:
• - precyzja przyrządów pomiarowych,
• - wybór techniki pomiarowej,
• - subiektywne oceny człowieka.
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
3
Istota fizyki
II. Szukanie związków funkcjonalnych między
wielkościami (formułowanie prawa fizycznego).
y=f(x1, x2, …, xn)
Wykres - obraz graficzny prawa fizycznego.
III. Objaśnienie przyczyn takiego przebiegu zjawiska.
Przybliżony charakter praw fizycznych.
Uniwersalność i niezmienniczość.
Zasada przyczynowości – takie same przyczyny
wywołują takie same skutki.
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
4
Wielkości fizyczne. Układ jednostek



Wielkości podstawowe – nie definiowane
Wielkości pochodne - definicje oparte na zależnościach
między nimi a wielkościami podstawowymi.
Wymiar wielkości:



[z]k  [a ]  [b]  [c]  ...



gdzie: [a], [b], [c] .... - wymiary wielkości podstawowych.
Jeżeli k = 1, to układ jest spójny.
Układ jednostek SI (fr. Systme International, 1960) minimalny zestaw wielkości, za pomocą których można
wyrazić wszystkie pozostałe wielkości fizyczne.
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
5
Przykład analizy wymiarowej

W gazie o gęstości  porusza się ze stałą prędkością v ciało o
poprzecznym rozmiarze D. Oszacować siłę oporu działającą na to
ciało.
[ F ] ~ [  ] a [v]b [ D]c ; [  ]  kgm3 ; [v]  m s1 ; [ D]  m
[kgm s 2 ]  kg a m 3a m b s b m c ;
1 a
1  3a  b  c
 2  b
b  2, a  1, c  2
F ~ v 2 D 2
24 2
v 2 D
v 2
F
D p d ; Re 
; pd 
; prawo Stokesa: F  6Dv
Re

2
dla m alych predkosci ciala (Re  1)
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
6
Wielkości podstawowe (nie wymagają definicji, jednak
ich jednostki wymagają)
Długość
Masa
Czas
Natężenie prądu
Temperatura termodynamiczna
Ilość materii
Światłość
Metr (m)
Kilogram (kg)
Sekunda (s)
Amper (A)
Kelvin (K)
Mol
Kandela (cd)
Wielkości uzupełniające
Kąt płaski
Kąt bryłowy
Radian
Steradian
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
7
Definicje niektórych jednostek podstawowych
Metr – odległość, jaką światło przebywa w próżni w czasie 1/299 692 458
Sekundy; Kilogram – masa międzynarodowego wzorca kilograma;
Sekunda – odstęp czasu równy 9 192 631 770 okresów promieniowania
przejścia między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego
atomu cezu 133Cs; Amper – natężenie prądu stałego, który przepływając
w dwóch równoległych, odległych od siebie o 1 m, nieskończenie długich
Przewodnikach, o znikomo małym przekroju poprzecznym, wytwarza
między nimi siłę 2*10-7 N na każdy 1 m długości tych przewodników;
Kelvin – stopień termodynamicznej skali temperatur, w której temperaturze potrójnego punktu wody przypisano wartość 273,16 K; Mol – ilość
materii występująca, gdy ilość cząsteczek jest równa liczbie atomów
zawartych w masie 0,012 kg czystego nuklidu 12C; Kandela – światłość,
jaką ma w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie
monochromatyczne o częstości 5,4*1014 Hz, którego natężenie w tym
kierunku
jest równe 1/683 W/Sr
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
8
Definicje jednostek wielkości uzupełniających
Radian – kąt płaski zawarty między dwoma promieniami okręgu,
wycinającymi z niego łuk o długości równej promieniowi tego okręgu;
Steradian – kąt bryłowy o wierzchołku w środku sfery kulistej,
wycinający z niej czaszę o powierzchni równej kwadratowi jej promienia.
Jednostki wielokrotne lub podwielokrotne – przedrostki. Jednostki
pozaukładowe (z przyczyn historycznych) – angstrem 1Å=0,1 nm, fermi
1 fermi-1 femtometr
Przyczynami wszystkich procesów zachodzących w przyrodzie są
oddziaływania – sposoby w jakich jedne ciała wpływają na inne ciała.
Cztery oddziaływania: grawitacyjne – jedne masy na inne, silne –
wiązanie nukleonów w jądra atomowe, słabe – naruszają trwałość układu
Nukleonów (rozpad ), elektromagnetyczne – spoczywające i poruszające
się ładunki elektryczne
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
9
Oddziaływania fundamentalne
Oddziaływanie Źródło
Względne
natężenie
Zasięg
1. Grawitacyjne
masa
~10 -38
daleki
2. Słabe
cząstki
elementarne
~10 -15
bliski ~10 -18 m
3. Elektromagnetyczne
4. Silne (jądrowe)
ładunki
elektryczne
hadrony
~10 -2
daleki
1
bliski ~10 -15 m
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
10
Fizyka i inne nauki przyrodnicze
Astrofizyka i kosmologia - skala Układu Słonecznego i
Wszechświata
Geologia, oceanografia, meteorologia - skala planety
Biologia, biofizyka, biochemia - poziom organizmu i
komórki
Chemia - poziom atomu i cząsteczki
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
11
Fizyka i inne nauki przyrodnicze
Prawo stałych stosunków ilościowych - kształtowanie się
teorii atomistycznej.
Każda cząsteczka składa się z określonej liczby atomów. Masa atomów jest stała i w
reakcjach chemicznych nie ulega zmianie. Stosunki wagowe atomów w danej cząsteczce są
stałe bez względu na metody otrzymywania danego związku. Skład związku chemicznego jest
zawsze stały, tzn. stosunek wagowy pierwiastków wchodzących w skład określonego związku
chemicznego jest zawsze jednakowy.
Teoria kinetyczna gazów rozwinęła się w mechanikę
statystyczną.
Mechanika statystyczna - podstawy teorii kinetyki reakcji
chemicznych.
Termodynamika - energetyka reakcji chemicznych.
Technika - ułatwienie życia codziennego (narzędzia, broń,
transport itp.) i badań naukowych (przyrządy pomiarowe).
Medycyna - rentgen, tomografia, bomba kobaltowa, laser.
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
12
Granice poznania w fizyce
Granice wyznaczone dokładnością przyrządów
pomiarowych.
Granice wyznaczone przez prawa przyrody.
Fizyka relatywistyczna – ograniczenie prędkości.
Mechanika kwantowa – ograniczenie wyboru
wartości wielkości fizycznych (kwantowanie),
nierozróżnialność obiektów mikroskopowych.
Zasada nieoznaczoności – ograniczenie dokładności
równoczesnego pomiaru par wielkości sprzężonych
(położenie – pęd; energia – czas).
x  p  ; E  t  ;   h / 2 ; h  6.626*1034 J  s  stałt Plancka
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
13
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
14
http://www.planetary.org/html/society/advisors/
sagandot.html
Ziemia widziana z Voyagera 1 z odległości 6,4 bilionów
kilometrów
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
15
Nowe jednostki odległości
1 rok świetlny = 1 ly =
odległość jaką światło przebywa w ciągu 1 roku.
km
1 ly  3.1510 s  3 10

s
 9.451012 km.
7
5
1 rok świetlny = 9.45
4
6.32x10 AU.
12
·10
km =
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
16
Odległość Słońce  Ziemia światło przebywa
w czasie:
L 15010 km
t 
 500s  8.33min.
5
c 3 10 km s
6
1 AU
1 jednostka astronomiczna = średnia
odległość Ziemi od Słońca.
Wartość liczbowa 1 AU=1.49 ·1011m.
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
17
1 pc=1 parsec=3.08·1016 m=3.26 ly
1 Mpc = 106 parsec=3.08 ·1022 m = 3.26 ·106 ly
jednostka
1 AU
1 ly
1 pc
1 Mpc
wartość w
metrach
1.49 ·1011 m
9.46 ·1015 m
3.08 ·1016 m
3.08 ·1022 m
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
18
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
19
http://www.space.com/scienceastronomy/astr
onomy/cosmic_light_010808.html
10-42 s Początek
czasoprzestrzeni
10-4 s Powstają nukleony i
antynukleony. Anihilacja
nukleonów i antynukleonów
wywołuje emisję fotonów.
Czasoprzestrzeń wypełnia
materia i światło.
60 s -
Powstają jądra helu.
300 000 lat Powstają atomy.
Fotony „wyswobadzają się” oddzielają się od materii.
Czasoprzestrzeń staje się
przeźroczysta dla światła. To
światło – Obecnie fotony
pochodzące z Wielkiego
Wybuchu mają energię ~10-4 eV.
Po raz pierwszy zostały one
zaobserwowane przez Arno
Penziasa i Roberta Wilsona w
1965 r. (Astr. Phys. J. 142 (1965)
419)
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
20
Czas
Chronos – czas obiektywny,
niezależny od nas, znany ze swej
równomierności. Czas mierzony
przez zegarki, czas eksperymentu
fizycznego.
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
21
Od 13 października 1967 roku, jego wzorzec,
sekunda jest zdefiniowana następująco:
Jedna sekunda to trwanie
9 192 631 770 okresów fali
elektromagnetycznej emitowanej lub
absorbowanej przez atom cezu o
liczbie masowej 133.
Tempus – czas odczuwany subiektywnie,
czas psychologiczny, ten, którego pomiar
odbywa się w naszym mózgu.
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
22
1 attosekunda
Ultrakrótkie impulsy laserowe – kilka attosekund
1 femtosekunda (procesy biologiczne, chemia)
Czas oddziaływania światła z siatkówką oka
człowieka ~200 fs.
1 pikosekunda
Najszybsze tranzystory pracują w zakresie
pikosekund.
1 nanosekunda
Mikroprocesor wewnątrz współczesnego
komputera w ciągu kilku nanosekund wykonuje
podstawowe operacje np. dodawania dwóch liczb.
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
23
1 sekunda
Czas trwania jednego uderzenia serca człowieka,
oraz 1 sekunda = czas trwania 9 192 631 770
okresów promieniowania elektromagnetycznego
emitowanego przez atom cezu.
1 minuta
Światło przebiega odległość Słońce – Ziemia
w ciągu 8. minut.
1 godzina
Światło z Plutona (ostatniej planety w naszym
układzie słonecznym) dociera do Ziemi w ciągu
5 godzin 20 minut.
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
24
1 dzień
1 obrót Ziemi trwa: 23 h 56’ 41”.
Ziemia zwalnia ze względu na grawitacyjne
oddziaływanie Księżyca.
1 rok
Ziemia wykonuje 1 okres obiegu wokół Słońca
i obraca się wokół osi 365,25 razy.
~1010 lat
Wiek naszego Wszechświata
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
25
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
26
Masy podstawowych składników materii,
v<<c:
30
me  10 kg,
 27
m p  10
mp
me
kg,
 10 .
3
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
27
Ziemia
5,97 · 1024 kg
Jowisz
1,9 · 1027 kg
Słońce
1,9 · 1030 kg
___________________________________________________________________________________________________________________________
1. Wstęp
28