Wprowadzenie do kursu fizyki

Transkrypt

1 Wprowadzenie do kursu fizyki Opracowano na podstawie książki D. C. Giancoli, Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, Third Edition, Prentice Hall 2003 Fizyka ( to najbardziej fundamentalna wśród innych nauka przyrodnicza. Na niej oparta jest cywilizacja ziemska. Zajmuje się strukturą materii oraz zjawiskami, w których biorą udział obiekty materialne. Dzieli się ją zazwyczaj na dwa działy: fizykę klasyczną i współczesną. Pierwsza z nich dotyczy: ruchu, płynów, ciepła, dźwięku, światła, elektryczności i magnetyzmu, a drugi: teorii względności, atomów, fazy skondensowanej (m.in. kryształów, półprzewodników, metali) jąder atomów, cząstek elementarnych i astrofizyki. Wiedza z zakresu podstawy fizyki jest kanonem kształcenia każdej osoby, która ma zamiar pracować i robić karierę zawodową w nauce, technice lub przemyśle technologicznym (nanotechnologii; patrz webstrony więcej za pomocą dowolnej przeglądarki internetowej i hasła wyszukiwania nanotechnologia). Odnosi się to w równej mierze do: fizyków, wszystkich inżynierów, chemików, astronomów, astrofizyków, matematyków, geologów, biologów. Fizyka jest podstawą działalności każdej nauki. Przykładowo inżynierowie projektujący systemy ogrzewcze (lub chłodzące) muszą znać prawa termodynamiki; inżynierowie projektujący urządzenia do medycznego obrazowania (tomografia komputerowa ( 1

2 ), endoskopy ( rezonans magnetyczny ( muszą znać prawa elektromagnetyzmu ( i fizyki współczesnej ( ; projektanci satelitarnych systemów pozycjonowania (GPS ( Galileo ( GLONASS ( muszą znać ogólną ( i szczególną teorię względności ( (bez uwzględnienia efektów przewidzianych tymi teoriami systemy satelitarnego pozycjonowania byłyby bezużyteczne; więcej w plikach PDF dostępnych na webstronie autora zawierających wykłady popularnonaukowe); wreszcie inżynierowie budownictwa muszą znać metody wyznaczania rozkładu sił w projektowanych budowlach, które mają być stabilne i bezpieczne; patrz ilustracje poniżej. 2

3 Akwedukt rzymski wybudowany 2000 lat temu. Inny przykład akweduktu rzymskiego wybudowanego 2000 lat temu. 3

4 Bazylika Sagrada Familia w Barcelonie; autor projektu Antoni Gaudi Golden Gate Bridge, zbudowany w 1937 roku; łączy miasto San Francisco z hrabstwem Marin nad cieśniną Golden Gate. 4

5 PetronasTwin Towers (bliźniacze wieże) w Kuala Lumpur stolicy Malezji. Jedna z największych bliźniaczych budowli świata. PetronasTwin Towers (bliźniacze wieże) w Kuala Lumpur stolicy Malezji. Jedna z największych bliźniaczych budowli świata; wysokość 452 m.. 5

6 Tajpej 101, Tajwan; wysokość 509 m. Pentominium (w budowie), Dubaj, Zjednoczone Emiraty Arabskie; wysokość Obok najwyższy budowany obecnie budynek; docelowa wysokość 819 m. Dubaj, Zjednoczone Emiraty Arabskie. 6

7 Projekt Sky Tower; budynek będzie najwyższym w Polsce i jednym z wyższych wieżowców Europy. Wieża będzie miała 258 metrów wysokości. 7

8 Sky Tower będzie obiektem wielofunkcyjnym. Na około 300 tys. m kw. powierzchni powstaną biura, apartamenty, galerie handlowe wraz z galerią sztuki, czteropoziomowy parking, a także kort tenisowy, baseny, centrum medyczne, prywatne przedszkole i boisko do minigolfa. Na samym szczycie mieszkańcy będą mogli podziwiać panoramę starówki z okien Sky Clubu, luksusowego baru dostępnego tylko dla nich i ich gości. 8

9 Zniszczony dach hali sportowej Hartford Civic Center pod wpływem dużych opadów śniegu rankiem 18 I 1978 r. Odnowiono i otworzono 17 I 1980 r. Hartford, Connecticut, USA. Katastrofa budowlana na terenie Międzynarodowych Targów Katowickich 28 I 2006 r. około godziny 17:15, podczas trwania wystawy gołębi pocztowych, zawalił się dach hali Międzynarodowych Targów Katowickich (MTK) położonych na granicy Katowic, Chorzowa i Siemianowic Śląskich (województwo śląskie). W czasie katastrofy w hali znajdowało się około 700 osób, zwiedzających i wystawców. W jej wyniku zginęło 65 osób, a ponad 170 zostało rannych, w tym około 13 cudzoziemców Niemcy, Belgowie, Czesi, Słowak oraz Holender. Była to największa tego typu katastrofa we współczesnych dziejach Polski. 9

10 Widok na halę MTK chwilę po przybyciu słuŝb ratunkowych. Mówiąc najogólniej podstawowym celem każdej nauki, włączając w to fizykę, jest poszukiwanie porządku w obserwowanych zjawiskach zachodzących w otaczającym nas świecie. Nauka, w tym fizyka, nie jest kolekcjonowaniem opisów lub faktów. Nauka, a w szczególności fizyka, jest twórczą aktywnością, jest formułowaniem wiedzy o zjawiskach przyrodniczych, jest aktywną działalnością mającą na celu odkryciu prawidłowości w obserwowanych zjawiskach. Ważnym aspektem działalności naukowej jest obserwowanie zjawisk (zdarzeń), co w fizyce oznacza zaprojektowanie (zaplanowanie) i wykonanie eksperymentu. Od fizyka wymagana jest ponadto duża doza wyobraźni ( wyobraznia_jej_pojecie_i_rodzaje, oraz umiejętność abstrahowania ( tj. wskazania istotnych czynników wpływających na przebieg obserwowanego zjawiska i zaniedbywanie nieważnych. Przykładem są rozumowania Arystotelesa ( ) ( 10

11 Arystoteles, rzeźba Lizypa, Luwr oraz Galileusza ( ) ( ) Galileo Galilei ( ) 11

12 dotyczące ruchu ciała po płaszczyźnie poziomej. Arystoteles obserwując ciało popchnięte i poruszające się po płaszczyźnie poziomej, które wskutek tarcia zawsze zatrzymuje się, wysnuł wniosek: Naturalnym stanem każdego ciała jest stan spoczynku, tj. bezruch. Analizując to samo zjawisko Galileusz doszedł do innej konkluzji: Naturalnym stanem ruchu każdego ciała jest stan spoczynku, tj. bezruch, albo ruch jednostajny prostoliniowy. W swojej analizie wyników eksperymentu Galileusz, dzięki posiadanej umiejętności abstrahowania i dużej wyobraźni, zaniedbał/wykluczył (w wyobraźni) działanie sił oporu (w tym przypadku tarcia) i doszedł do bardzo ważnego i prawdziwego do dziś wniosku, który Isaac Newton ( ujął w postaci pierwszego prawa dynamiki ( Zauważmy, że stwierdzenie Galileusza jest rozszerzeniem konkluzji Arystotelesa. Jest to typowy paradygmat nauki: Nowe nie jest rogiem starego. Nowa wiedza jest uogólnieniem starszej. W nawiązaniu do pojęć abstrahowania i wyobraźni (imaginacji; warto w tym kontekście i miejscu przypomnieć utwór (piosenkę) Johna Lennona pt. Imagine, z albumu z 1971 r. Oto tekst utworu: Imagine there's no Heaven It's easy if you try No hell below us Above us only sky Imagine all the people Living for today Imagine there's no countries It isn't hard to do Nothing to kill or die for 12

13 And no religion too Imagine all the people Living life in peace You may say that I'm a dreamer But I'm not the only one I hope someday you'll join us And the world will be as one Imagine no possessions I wonder if you can No need for greed or hunger A brotherhood of man Imagine all the people Sharing all the world You may say that I'm a dreamer But I'm not the only one I hope someday you'll join us And the world will live as one Piosenka wykonanie autorskie dostępne w postaci videoklipu na stronie ma wymowę antyreligijną, antynacjonalistyczną, nonkonformistyczną i antykapitalistyczną. W 2004 r., magazyn muzyczny Rolling Stone uznał "Imagine" za trzecią piosenkę wszechczasów. 13

14 Strawberry Fields pomnik ku pamięci Johna Lennona w Central Parku (Nowy Jork). Obserwacje a następnie bardzo starannie wykonany eksperyment oraz pomiary wielkości fizycznych, to tylko jedna strona naukowej działalności. Druga strona to sformułowanie teorii ( ) wyjaśniającej/interpretującej wyniki doświadczeń/obserwacji. Należy podkreślić, że teoria nie jest wyprowadzana, nie wynika, nie wywodzi się bezpośrednio tylko z obserwacji. Obserwacje mogą pomóc odgrywając inspirującą rolę przy tworzeniu/formułowaniu teorii, które są akceptowane lub odrzucane w zależności od tego, czy są zgodne lub sprzeczne z wynikami doświadczeń/obserwacji. Największe i najważniejsze teorie można porównać do najsłynniejszych dzieł artystycznych w zakresie literatury lub malarstwa. W tym sensie są one ważnym składnikiem kultury. Ale teorie, w odróżnieniu od dzieł artystycznych, podlegają weryfikacji doświadczalnej. Teorie niezgodne z wynikami obserwacji są zarzucane, są nieważne i zapominane. Trudno jednak odrzucić i zapomnieć albo zaniedbać dzieła artystyczne Salvadora Dali, który ilustrował swój sposób rozumienia, pojmowana i odczuwania czasu na kilka sposobów pokazanych poniżej. 14

15 Odlew "Profil Czasu" Salvadora Dali. W 2008 r. odlew rzeźby "Profil czasu" wykonanej na podstawie obrazu "Uporczywość pamięci" został z inicjatywy Leszka Czarneckiego zakupiony za prawie 3 miliony dolarów przez spółkę LC Corp i umieszczony w Arkadach Wrocławskich we Wrocławiu. Rzeźba ma zostać później przeniesiona przed należący do korporacji wieżowiec Sky Tower. 15

16 The Persistence of Memory (Uporczywość pamięci); S. Dali (1931). Soft Watch at the Moment of First Explosion,

17 Profil czasu, S. Dali. 17

18 The Disintegration of the Persistence of Memory (Rozpad pamięciowej uporczywości). S. Dali (1954). Autumn Cannibalism (Jesienny kanibalizm), S. Dali. 18

19 Słonie, 1948 r. S. Dali. Galeria dział malarskich S. Dali na stronie Stwierdzenie o tym, że doświadczalne przetestowanie i potwierdzenie danej teorii (zgodność teorii z wynikami doświadczeń) jest dowodem na jej słuszność należy traktować z odpowiednią ostrożnością i sceptycyzmem. Każdy wynik pomiaru obarczony jest niepewnością ( nie istnieją idealne przyrządy pomiarowe mierzące z nieskończoną dokładnością 1. Teorii nie może potwierdzić pojedynczy eksperyment. Ze względu na to nie można być absolutnie pewnym słuszności jakiejkolwiek teorii. W tym miejscu warto dodać, że Karl Popper ( zwolennik 1 Takie przyrządy zapewne w ogóle nie istnieją. Pomiar dawałby wynik zawierający nieskończoną liczbę cyfr, których wyświetlenie trwałoby nieskończenie długo. Nawet gdyby zostały wyświetlone, to ich odczyt zajmowałby nieskończenie wiele czasu. Wszystko to prowadzi do absurdalnych wniosków, których nie będziemy tutaj dalej rozwijać. 19

20 krytycznego racjonalizmu zasugerował, aby daną teorię (ale także zdanie, twierdzenie, model, przypuszczenie) uznawać za naukową pod warunkiem, że jest możliwa jej falsyfikacja ( czyli wykazanie jej fałszywości. Zatem, jeśli nie istnieje sposób falsyfikacji danej teorii, to nie jest ona naukowa. Kiedy naukowiec próbuje zrozumieć określony zbiór zjawisk, to często posługuje się modelem. Model ( w sensie naukowym, to rodzaj analogii, umysłowe wyobrażenie pojedynczego procesu lub zjawiska fizycznego za pomocą pojęć, które są zrozumiałe i znane. Przykładowo: światło ( traktujemy jako falę ( choć nikt tych właściwości nie widział, jak to jest w przypadku fal na powierzchni wody. Gaz w naczyniu, balonie, powietrze w sali wykładowej modelujemy za pomocą obiektów punktowych cząsteczek poruszających się chaotycznie we wszystkich kierunkach. Ale tych cząsteczek nigdy nie widzimy. Głównym więc celem modelu jest danie nam przybliżonego umysłowego lub wizualnego obrazu zjawiska wówczas, gdy nie znamy, nie wiemy co naprawdę zachodzi. Teoria fizyczna dotyczy określonego zbioru zjawisk fizycznych, które opisuje zazwyczaj dość dokładnie. Podaje także przewidywania co do wyników zjawisk, których jeszcze nie zbadano doświadczalnie. Przykładem służy teoria o atomowej strukturze materii. Naukowcy nazywają prawem ( ) zwięzłe ale ogólne stwierdzenia dotyczące tego jak zachowuje się natura. Przykład 2 : prawo Ohma; 2 prawo: Ampère'a, prawo Archimedesa, prawo Avogadra, prawo Bernoulliego, prawo Biota-Savarta, prawo Boyle'a-Mariotte'a, prawo Bragga, prawo Charlesa,prawo Coulomba, prawo Curie, prawo Daltona, prawo Dulonga-Petita, prawo Faradaya, prawo Faradaya elektrolizy,prawo Faradaya indukcji elektromagnetycznej, prawo Fouriera, prawo Gaussa,prawo Gaussa (elektryczność), prawo Gaussa (magnetyzm), prawo Gay-Lussaca (gaz doskonały), prawo grawitacji, prawo Hagena-Poiseuille'a, prawo Hooke'a, prawo Hubble'a, prawo Joule'a, prawo Kirchhoffa, prawo Kirchhoffa pierwsze, prawo Kirchhoffa drugie, prawo Lamberta, prawo Lamberta-Beera, prawo Lenza, prawo Moseleya, prawo Ohma, prawo ostygania, prawo Pascala, prawo powszechnego ciążenia, 20

21 prawo Daltona, prawo Faradaya etc. Prawa często są zapisywane w postaci zależności między wielkościami fizycznymi. Odnosi się zazwyczaj do ściśle określonej i ograniczonej grupy zjawisk fizycznych Ale uwaga: Nigdy nie wiemy, czy dane prawo fizyczne jest absolutnie prawdziwe. Używamy praw, których prawdziwość potwierdziło szereg doświadczeń znając przy tym ograniczenia i zakres ich stosowalności. Przykładowo: zasady ( dynamiki Newtona są słuszne pod warunkiem, że prędkości obiektów poruszających się są znacznie mniejsze od prędkości światła. Będziemy jednak stosować wiele praw przyjmując milcząco ich prawdziwość. Ale będziemy otwarci na wszelkie nowe informacje, które mogą zmienić sens stosowanych praw albo je wręcz odrzucać. Prawa naukowe mają charakter opisowy i są odmienne od praw np. polityki lub zapisów prawa karnego, które mają naturę nakazową (znaki nakazu w prawie o ruchu drogowym), zalecającą (apele polityków o pokój na świecie, ogólnoświatowe rozbrojenie lub zaprzestanie produkcji broni masowego rażenia), określającą (przepisy kodeksu karnego definiujące rodzaje przestępstw i wysokości kar) lub regulaminową (np. przepisy o bezpieczeństwie i higienie pracy). Najogólniejszym rodzajem praw są zasady fizyczna, w języku angielskim używa się określenia physical principle ( ), które w odróżnieniu od pojęcia prawa fizycznego odnoszą się zazwyczaj do szerokiej klasy zjawisk i najczęściej nie są formułowane w postaci matematycznej. Przykładem są zasady: zachowania energii, pędu, momentu pędu, ładunku elektrycznego. Często używamy zamiennie pojęć prawa i zasady. Przykładowo mówimy drugie prawo Newtona albo druga zasada Newtona. Wrocław, 5 X 2008 Włodzimierz Salejda prawo promieniowania temperaturowego, prawo przesunięć (fizyka jądrowa), prawo rozpadu naturalnego, prawo rozpadu promieniotwórczego, prawo Stefana-Boltzmanna 21