Podstawy Fizyki.pdf

Czym zajmuje si ħ fizyka?

Zapraszamy na wspóln Ģ wypraw ħ w Ļ wiat fizyki. Poka Ň emy w niej, Ň e otaczaj Ģ ce nas

przedmioty i zachodz Ģ ce zjawiska ogl Ģ dane przez pryzmat fizyki s Ģ ciekawsze i

podporz Ģ dkowane logicznym prawom. Spojrzymy równie Ň na nowe, rozwijaj Ģ ce si ħ szybko

obszary fizyki, które odkrywaj Ģ przed człowiekiem nieznane dot Ģ d mo Ň liwo Ļ ci.

Umiej ħ tne wykorzystanie praw fizyki stanowi

podstaw ħ rozwoju technicznego. Ju Ň od dawna prawa

te wykorzystywane były bardzo zr ħ cznie (patrz obok).

Dowody tego podziwiamy we wspaniałych budowlach

skonstruowanych przed wiekami.

Post ħ p techniczny wynika bezpo Ļ rednio z rozwoju

fizyki. Energia elektryczna, telefony komórkowe, płyty

kompaktowe, samoloty, statki kosmiczne, nowoczesne

metody radioterapii, nanotechnologie - wszystko to

opiera si ħ na odkryciach z dziedziny fizyki.

Rys. 0.0.1. Maszyny proste -

d Ņ wignia i koło w pracach

konstrukcyjnych przed dwoma

wiekami.

Fot. 0.0.1. Podbój kosmosu byłby niemo Ň liwy bez

wykorzystania wiedzy ze wszystkich niemal Ň e działów

fizyki. [Wi ņ , Nr7,1999r.]

Wła Ļ nie dlatego fizyka stanowi jeden z pierwszych przedmiotów nauczania na

Politechnice.

Nauka fizyki poprzedzona jest kursem matematyki, bowiem matematyka stanowi j ħ zyk i

narz ħ dzie fizyki. Z kolei, prawa fizyki wykorzystywane s Ģ w innych naukach przyrodniczych,

w zastosowaniach technicznych, a nawet w socjologii i ekonomii.

Fizyka zajmuje si ħ badaniem struktury i własno Ļ ci materii oraz zjawisk zachodz Ģ cych w

przyrodzie.

W zjawiskach fizycznych demonstruj Ģ si ħ własno Ļ ci materii wynikaj Ģ ce z jej struktury, fizyka

za Ļ formułuje prawa, które opisuj Ģ przebieg tych zjawisk w czasie i przestrzeni.

Wszystko, co wokół nas dzieje si ħ w czasie i przestrzeni stanowi przedmiot naszej obserwacji

i analizy zmierzaj Ģ cej do zrozumienia otaczaj Ģ cego nas Ļ wiata. Ró Ň norodno Ļę zachodz Ģ cych

zjawisk sprawia, Ň e dlatego nie wszystkie z nich mo Ň emy obserwowa ę bezpo Ļ rednio. Ich

rozpi ħ to Ļę przestrzenna i czasowa wykracza poza mo Ň liwo Ļ ci naszych oczu i czas Ň ycia

człowieka.

Skala przestrzenno-czasowa zjawisk fizycznych

Dla przedstawienia skali w jakiej zachodz Ģ zjawiska fizyczne popatrzmy na zakres w jakim

mieszcz Ģ si ħ podstawowe wielko Ļ ci charakteryzuj Ģ ce przebieg zjawisk - czas i przestrze ı .

Podobny przegl Ģ d mo Ň na byłoby zrobi ę dla wielu innych wielko Ļ ci jak, masa, temperatura,

ci Ļ nienie itp.

Zacznijmy od charakterystycznych rozmiarów

w skali makroskopowej. Wymie ı my (w

kilometrach) przybli Ň one warto Ļ ci kilku z nich:

długo Ļę równika - 40 tysi ħ cy, odległo Ļę do

Ksi ħŇ yca - 384 tysi Ģ ce, odległo Ļę do Sło ı ca -

150 milionów, odległo Ļę do najbli Ň szych

gwiazd, 4*10 13 , promie ı dost ħ pnej do

obserwacji cz ħĻ ci Wszech Ļ wiata - 1.5*10 23

kilometra.

Fot. 0.1.1. Odległo Ļę do tej galaktyki, to

około 100 milionów lat Ļ wietlnych, czyli ok.

10 21 km

Popatrzmy te Ň na skal ħ czasu wyra Ň on Ģ w

latach: okres obrotu Ziemi wokół własnej osi -

1/366, okres obrotu Ziemi wokół Sło ı ca 1,

okres obrotu Sło ı ca wokół Ļ rodka Galaktyki -

240 milionów, wiek Ziemi - 4.6 miliarda, wiek

Wszech Ļ wiata - około 15 miliardów.

Wybierzmy si ħ w drug Ģ "podró Ň Guliwera" tym razem w zakres rozmiarów i czasów

mikroskopowych.

Wymie ı my (w metrach) rz ħ dy

wielko Ļ ci kilku typowych rozmiarów :

grubo Ļę włosa - 10 -4 , Ļ rednica wirusa

ospy - 10 -7 , promie ı atomu - 10 -9 ,

promie ı j Ģ dra atomowego - 10 -14 ,

rozmiar elektronu - poni Ň ej 10 -18 .

Fot. 0.1.2. Cz Ģ stki wyemitowane w zderzeniu j Ģ der

atomowych. Zderzenie trwało około 10 -23 sekundy.

Zróbmy to samo dla typowych

warto Ļ ci czasów wyra Ň onych w

sekundach: mrugni ħ cie okiem - 0.15,

błysk lampy błyskowej - 0.001, czas

lotu elektronu w kineskopie - 10 -8 ,

najkrótsze błyski laserowe - 10 -15 , czas

zderze ı j Ģ drowych - 10 -23 sekundy.

Pokazali Ļ my tu przykłady rozpi ħ to Ļ ci obiektów i zjawisk fizycznych w czasie i przestrzeni.

Te najwi ħ ksze stanowi Ģ domen ħ astronomii, te najmniejsze - fizyki cz Ģ stek elementarnych.

Nie bez powodu wybrali Ļ my te dwie skrajno Ļ ci. Demonstruj Ģ one bowiem cech ħ , któr Ģ w

pierwszej lekcji naszego kursu chcemy bardzo mocno podkre Ļ li ę , mianowicie - jedno Ļę

fizyki . Wła Ļ nie badania w dziedzinie cz Ģ stek elementarnych mog Ģ w zasadniczy sposób

przyczyni ę si ħ do zrozumienia wielu zagadnie ı dotycz Ģ cych ewolucji Wszech Ļ wiata

poczynaj Ģ c od pierwszych chwil po Wielkim Wybuchu. Jedno Ļę fizyki oznacza równie Ň

uniwersalno Ļę praw fizycznych. Wielokrotnie w czasie naszego kursu b ħ dziemy to jeszcze

podkre Ļ la ę .

Uzyskiwanie informacji nieosi Ģ galnej bezpo Ļ rednio wymaga zarówno rozwoju metod

badawczych jak i urz Ģ dze ı pomiarowych o coraz to wi ħ kszej skali zło Ň ono Ļ ci. Rozwój

Ļ rodków komunikacji i telekomunikacji a tak Ň e wzrost kosztów budowanych urz Ģ dze ı

sprawia, Ň e coraz cz ħĻ ciej prace w dziedzinie fizyki do Ļ wiadczalnej ł Ģ cz Ģ wiele laboratoriów

z ró Ň nych krajów Ļ wiata. Przykładem mo Ň e by ę mi ħ dzynarodowa organizacja "European

Southern Observatory", która swe laboratoria pomiarowe zbudowała w górskich

miejscowo Ļ ciach Chile: Paranal i La Silla. Laboratoria te, to cała sie ę teleskopów, za Ļ

uzyskiwane rezultaty pomiarów opracowywane s Ģ w wielu krajach europejskich.

Fot.1.4. Fragment

obserwatorium w La Silla.

Laboratorium posiada 14

teleskopów optycznych i 15-

metrowy radioteleskop dla sub-

milimetrowych długo Ļ ci fal.

Wi ħ cej informacji mo Ň na

znale Ņę pod adresem:

http://www.eso.org

Jest mo Ň e paradoksalne, ale badanie najmniejszych składników materii - cz Ģ stek

elementarnych - wymaga konstruowania najwi ħ kszych urz Ģ dze ı pomiarowych, a

eksperymenty realizowane s Ģ przez zespoły zło Ň one z tysi ħ cy specjalistów z wielu krajów.

Najwi ħ kszym w Ļ wiecie o Ļ rodkiem fizyki cz Ģ stek elementarnych jest CERN (European

Laboratory for Particle Physics). Dla ogarni ħ cia rozmiarów znajduj Ģ cego si ħ tam kompleksu

pomiarowego niezb ħ dne jest - zdj ħ cie lotnicze.

Wielko Ļ ci fizyczne i ich jednostki

Przygotujmy sobie warsztat pracy. Badane zjawiska fizyczne opisywa ę b ħ dziemy za

pomoc Ģ wielko Ļ ci fizycznych wyra Ň aj Ģ cych w sposób ilo Ļ ciowy własno Ļ ci materii i zjawisk.

Wielko Ļ ciom fizycznym przypisujemy liczby zwane ich warto Ļ ciami.

Wyró Ň niamy kilka typów wielko Ļ ci fizycznych.

Wielko Ļ ci skalarne s Ģ najprostsze i wyra Ň ane s Ģ ilo Ļ ciowo jedn Ģ liczb Ģ . Do skalarnych

wielko Ļ ci fizycznych zaliczamy np. mas ħ , czas, temperatur ħ , potencjał elektryczny.

Wielko Ļ ci wektorowe wyra Ň amy za pomoc Ģ n liczb ustawionych w okre Ļ lonej kolejno Ļ ci,

czyli uporz Ģ dkowanych. Liczby te nazywamy składowymi wektora. Liczba n odpowiada

wymiarowi przestrzeni, w której prowadzimy analiz ħ badanego zjawiska. Niekoniecznie musi

to by ę przestrze ı trójwymiarowa. Je Ļ li badane zjawisko z zało Ň enia zachodzi w płaszczy Ņ nie,

analiza nasza mo Ň e ograniczy ę si ħ do dwóch wymiarów, je Ļ li ruch odbywa si ħ wzdłu Ň linii

prostej - do jednego. W tzw. mechanice relatywistycznej analiz ħ prowadzi ę b ħ dziemy w

przestrzeni czterowymiarowej zwanej czasoprzestrzeni Ģ , a odpowiadaj Ģ ce tej przestrzeni

wektory nazywa ę b ħ dziemy czterowektorami. Pełne okre Ļ lenie wielko Ļ ci wektorowej

wymaga podania długo Ļ ci, kierunku i zwrotu wektora. Długo Ļę wektora okre Ļ la warto Ļę

wielko Ļ ci wektorowej. Do wielko Ļ ci wektorowych zaliczamy np. pr ħ dko Ļę , przyspieszenie,

sił ħ , nat ħŇ enie pola elektrycznego i magnetycznego, p ħ d, moment p ħ du itd.

Wielko Ļ ci tensorowe stosujemy do badania o Ļ rodków i zjawisk o cechach anizotropowych

czyli takich, których własno Ļ ci zale ŇĢ od kierunku w przestrzeni. Przedstawiamy je za

pomoc Ģ tablicy liczb, które zapisujemy w postaci macierzy. Za pomoc Ģ tensorów opisujemy

na przykład własno Ļ ci kryształów i o Ļ rodków ci Ģ głych. Takie wielko Ļ ci jak przewodno Ļę

elektryczna, przenikalno Ļę elektryczna i magnetyczna zale ŇĢ od kierunku wzgl ħ dem osi

krystalograficznych w kryształach - maj Ģ wi ħ c charakter tensorowy.

Wielko Ļ ci fizyczne wyra Ň amy ilo Ļ ciowo w postaci liczb, które informuj Ģ ile razy wynik

pomiaru jest wi ħ kszy, b Ģ d Ņ mniejszy, od warto Ļ ci przyj ħ tej umownie za jednostk ħ . Zawsze

wi ħ c podaj Ģ c warto Ļę dowolnej wielko Ļ ci fizycznej musimy jednoznacznie okre Ļ li ę w jakich

jednostkach wielko Ļę ta jest wyra Ň ona. Definicje i prawa fizyczne wi ĢŇĢ ze sob Ģ ró Ň ne

wielko Ļ ci, co umo Ň liwia wyra Ň enie jednej wielko Ļ ci za pomoc Ģ innych. Okazuje si ħ , Ň e

mo Ň na okre Ļ li ę zestaw kilku podstawowych wielko Ļ ci fizycznych i za ich pomoc Ģ wyrazi ę

inne. Ułatwia to bardzo działania na jednostkach przy opisie ilo Ļ ciowym zjawisk fizycznych.

W Polsce stosujemy Mi ħ dzynarodowy Układ Jednostek, "SI". Podstawowymi jednostkami

tego układu s Ģ : jednostka długo Ļ ci (metr), masy (kilogram) i czasu (sekunda). Oprócz nich, za

podstawowe uwa Ň a si ħ jeszcze jednostki nat ħŇ enia pr Ģ du, Ļ wiatło Ļ ci, temperatury

bezwzgl ħ dnej oraz ilo Ļ ci materii.

Poni Ň ej wymienione s Ģ podstawowe jednostki układu SI. Podajemy jakiej wielko Ļ ci jednostka

dotyczy, jej nazw ħ i oznaczenie.

wielko Ļę fizyczna

nazwa jednostki oznaczenie

długo Ļę

metr

masa

kilogram

czas

sekunda

nat ħŇ enie pr Ģ du

amper

temperatura

bezwzgl ħ dna

kelwin

Ļ wiatło Ļę

kandela

ilo Ļę materii

mol

Kilka bli Ň szych informacji o jednostkach podstawowych.

Jednostka długo Ļ ci - Metr jest to długo Ļę drogi, któr Ģ Ļ wiatło przebywa w pró Ň ni w czasie

równym 1/299792458 sekundy.

Jednostka masy - Kilogram jest to masa wzorca wykonanego ze stopu platyny i irydu (stop

bardzo twardy i odporny na korozj ħ ) i przechowywanego w Mi ħ dzynarodowym Biurze Miar i

Wag w Sèvres koło Pary Ň a. Warto doda ę , Ň e jest to w przybli Ň eniu masa jednego litra czystej

wody w temperaturze 4 o C.

Jednostka czasu - Sekunda jest to przedział czasu równy 9 192 631 770 okresom

promieniowania emitowanego przy przej Ļ ciu pomi ħ dzy dwoma nadsubtelnymi poziomami

stanu podstawowego atomu cezu 133 Cs.

Jednostki innych wielko Ļ ci fizycznych, to jednostki pochodne . Tworzymy je wykorzystuj Ģ c

wzory definiuj Ģ ce wielko Ļ ci fizyczne lub wyra Ň aj Ģ ce prawa fizyki, które wi ĢŇĢ te jednostki z

jednostkami podstawowymi; dla przykładu: pr ħ dko Ļę to stosunek długo Ļ ci drogi do czasu,

wi ħ c jednostk Ģ pr ħ dko Ļ ci w układzie SI jest metr na sekund ħ .

Niekiedy u Ň ywamy jednostek jednej wielko Ļ ci dla wyra Ň enia innej. Dla przykładu, odległo Ļę

do gwiazd wyra Ň a si ħ cz ħ sto w latach Ļ wietlnych. W tym przypadku do okre Ļ lenia długo Ļ ci

u Ň yli Ļ my jednostki czasu wykorzystuj Ģ c znany zwi Ģ zek pomi ħ dzy drog Ģ , pr ħ dko Ļ ci Ģ i

czasem gdzie pr ħ dko Ļ ci Ģ jest pr ħ dko Ļę Ļ wiatła. Inny przykład, to wyra Ň anie masy w

jednostkach energii wykorzystuj Ģ c słynny wzór Einsteina . Mas ħ cz Ģ stek

elementarnych wyra Ň amy zazwyczaj w megaelektronowoltach ( MeV ). Znaj Ģ c warto Ļę

pr ħ dko Ļ ci Ļ wiatła i mas ħ w megaelektronowoltach, nietrudno jednak wyrazi ę j Ģ tak Ň e w

kilogramach. B ħ dzie to oczywi Ļ cie warto Ļę bardzo mała.

Zestawienie podstawowych i pochodnych jednostek układu SI, dla wielko Ļ ci fizycznych

omawianych w tym kursie, zawiera INDEX .

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: