Fizyka I. Zaliczenie kursu. Podręczniki. Wykład 1 IŚ niestacj. / Fizyka 1. M.Mulak / IF PWr 1. Czym zajmuje się fizyka?

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Fizyka I. Zaliczenie kursu. Podręczniki. Wykład 1 IŚ niestacj. / Fizyka 1. M.Mulak / IF PWr 1. Czym zajmuje się fizyka?"

Witold Nowak
6 lat temu
Przeglądów:

1 Fizyka I Wydział Inżynierii Środowiska, rok 1 ISS3004W/C Maciej Mulak, dr inż. pok. 320 A1 Maciej.Mulak@pwr.wroc.pl Zaliczenie kursu Termin połówkowy (1/12/07) Termin 0: 19/01/08 (ostatni wykład)) Termin 1: (początek sesji) Termin 2: (poprawkowy, koniec sesji) egzamin pisemny (+ egzamin ustny) Rok. ak. 2007/08; semestr zimowy Wykłady (24h) 12 zjazdów Ćwiczenia rachunkowe (12h) 6 zjazdów *zwolnienia z egzaminu konieczność zaliczenia ćwiczeń rachunkowych Podręczniki D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Postawy fizyki, t. I-V, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 2003 ( (t.i-ii) J. Orear, Fizyka, t. I-II, WNT, Warszawa P.G. Hewitt, Fizyka wokół nas, PWN, Warszawa J. Walker, Postawy fizyki. Zbiór zadań, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa H.D. Young, R.A. Freedman, Sear s and Zemansky s University Physics with Modern Physics, Addison-Wesley, 2000 C. Bobrowski, Fizyka - krótki kurs, WNT, Warszawa * Czym zajmuje się fizyka? Różne poziomy opisu rzeczywistości: - nauki społeczne (zachowanie się grup ludzi) - psychologia (zachowanie jednostek) - biologia (struktura i funkcja organizmów) - chemia (kombinacje atomów) Cel fizyki: fundamentalne prawa natury leżące w podstawie wszystkich zjawisk. [materia i jej oddziaływanie na najbardziej podstawowym poziomie: od jądra atomowego po cały Wszechświat] Fizyka a postęp cywilizacyjny dyscypliny fizyki M.Mulak / IF PWr 1

) Modele: wygodne analogie lub reprezentacje układów fizycznych, np.

2 Język fizyki Pojęcia fizyczne: abstrakcyjne idee (np. przestrzeń) albo wielkości fizyczne (np.: długość, czas, przyspieszenie, siła, energia, temperatura, ładunek elektryczny; definicje operacyjne odnoszące się do naszych zmysłów (nie zawsze!) Modele: wygodne analogie lub reprezentacje układów fizycznych, np.: modele światła (promienie, fala, strumień molekuł); model gazu idealnego (małe sprężyste kuleczki), Ziemia jako punkt materialny; Model może być użyteczny nawet jeśli jest niekompletny bądź niepoprawny! (np.:model planetarny atomu) Prawa fizyczne: związki matematyczne pomiędzy wielkościami fizycznymi (z eksperymentu lub teorii) np: równanie stanu gazu doskonałego: pv=nrt; prawa Keplera; Fundamentalne zasady fizyczne: ogólne prawa obejmujące wiele dziedzin, np. : zasada względności ruchu, zasada zachowania energii; Teoria fizyczna Kombinacja zasad, modeli i założeń (postulatów) pozwalająca przewidywać wyniki doświadczeń np.: teoria grawitacji Newtona wyjaśnia spadanie jabłka na ziemię i ruch planet. Przykład: ruch kuli Arystoteles (ok. 340 p.n.e.): błędnie twierdził: kula w ruchu zatrzymuje się, coś musi podtrzymywać jej ruch Galileusz (ok. 1600): jeżeli brak tarcia, kula toczy się wiecznie; Dwie różne interpretacje! Obie do obronienia, ale to druga jest punktem zwrotnym w fizyce: początek teorii fizycznych. Teorie nie zawsze wynikały z eksperymentu (np. model heliocentryczny) Czy istnieje teoria wszystkiego? Rozwój praw fizyki Fizyka: nauka eksperymentalna Głębsze zrozumienie natury: uproszczenie praw fizycznych Przykład: elektryczność i magnetyzm - Starożytność (bursztyn, kawałki materiału, magnes, kawałki żelaza) - XVII w. prawo Coulomba - XIX w. Oersted, Ampere, Faraday, Maxwell (prawa elektromagnetyzmu) światło jako fala elektromagnetyczna Opis rzeczywistości fizycznej: mierzona przez instrumenty pomiarowe Powtarzalne eksperymenty wyniki pomiarów jako liczby rzeczywiste Ograniczenia pomiarowe: - dokładność: każdy pomiar obarczony błędem - zakres: fizyczny sens wielkości (np. rozmiar i wiek Wszechświata, skończona prędkość światła, zero bezwględne) Universum - C. Flammarion, Woodcut, Paris 1888 Mgławica Krab, czyli szczątki supernowej, która rozbłysła na niebie w 1054 roku. Opisali ją Chińczycy M.Mulak / IF PWr 2

3 Gdzie się to wszystko dzieje? Klasyczne pojęcie przestrzeni i czasu Przestrzeń euklidesowa (kartezjański układ współrzędnych ) Czas absolutny Skala czasu: od s do s Skala odległości: od m do m Oszacowania skali czasu i odległości (np. 1 ns, 1 milion lat, 1 rok świetlny) Oszacowania innych wielkości fizycznych (szybka wycena towarów lub usług) zmysł inżynierski Obiekt Charakterystyczne czasy Czas trwania (s) Wiek Wszechświata (ok. 15 mld lat) Wiek Ziemi 1, Wiek ludzi 6, Rok 3, Doba 8, Okres drgań atomów w ciele stałym 1, Okres fali świetlnej 2, Czas Plancka 5, Lista 1 na ćwiczeniach rachunkowych Obiekt Charakterystyczne odległości Odległość (m) Promień Wszechświata Najodleglejsza galaktyka odkryta w lutym 2004 r 1, Galaktyka Andromedy 2, Najbliższa gwiazda Proxima Centauri 4, Rok świetlny 9, Słońce 1, Księżyc 3, Rozmiar liniowy wirusów Średnica atomu wodoru Średnica jądra atomu Średnica protonu Skala obserwowanego Wszechświata Liczba supergromad w obserwowalnym Wszechświecie = 10 milionów Liczba grup galaktyk w obserwowalnym Wszechświecie = 25 miliardów Liczba dużych galaktyk w obserwowalnym Wszechświecie = 350 miliardów Liczba galaktyk karłowatych w obserwowalnym Wszechświecie = 3.5 biliona Liczba gwiazd w obserwowalnym Wszechświecie = 30 miliardów bilionów (3 x ) Teleskop Hubble'a (1995): "pusty" obszar nieba w Wielkiej Niedźwiedzicy (10 dni). Jedno z najsławniejszych zdjęć współczesnej astronomii Głębokie Pole Hubble'a M.Mulak / IF PWr 3

gdzie rodzą się nowe gwiazdy Dlaczego mrówka może podnieść ciężar 50 razy

Dlaczego małe zwierzęta mają szybszy metabolizm od dużych?

naszej największej sąsiadce Dlaczego dinozaury miały małe głowy?

Czy inżynier może budować most po sprawdzeniu wytrzymałości modelu w skali

Galaktyka Karłowata Fornax, sąsiadka drogi mlecznej, oddalona o 600 tys.

masa a wymiary liniowe Wytrzymałość kości, siła mięśni V2 2L siła~s~l2 S -

4 Wykład 1 IŚ niestacj. / Fizyka 1 Problemy skali wokół nas Wielki słupy wodoru w Mgławicy Orła, gdzie rodzą się nowe gwiazdy Dlaczego mrówka może podnieść ciężar 50 razy przekraczający jej wagę? Dlaczego małe zwierzęta mają szybszy metabolizm od dużych? Niewielka galaktyka eliptyczna M32, która towarzyszy galaktyce Andromedy, naszej największej sąsiadce Dlaczego dinozaury miały małe głowy? Dlaczego wolimy obrać kilogram dużych niż kilogram małych ziemniaków? Czy inżynier może budować most po sprawdzeniu wytrzymałości modelu w skali 1:100, czyli ważne lekcje ze skalowania! Galaktyka Karłowata Fornax, sąsiadka drogi mlecznej, oddalona o 600 tys. lat świetlnych (trochę bliżej są Wielki i Mały Obłok Magellana) Objętość i masa a wymiary liniowe Wytrzymałość kości, siła mięśni V2 2L siła~s~l2 S - pole przekroju poprzecznego kości / mięśni R r V V1 3 πr R = = =8 V2 4 πr 3 r 3 8 kul! L ciężar~v~l3 siła ręki ciężar ręki ~1/L 1:L stosunek długości krawędzi 1:L2 stosunek pól powierzchni 1:L3 stosunek objętości L - charakterystyczny wymiar liniowy M.Mulak / IF PWr 4

Skala a projekty inżynierskie Skala a budowa zwierząt kładka przez strumyk kartonowy

rzeczywisty budynek papierowy sześcian 1m 3 wypełniony wodą wytrzymałość ~ L 2 rośnie

(astronomiczne) 1cm 3 239 Pu 19 gramów 400 cm 3 (9cm średnicy)!

wymiar liniowy - Kolos z Rhodos - wielkość pudełka zapałek, a ilość zapałek - jak

5 Skala a projekty inżynierskie Skala a budowa zwierząt kładka przez strumyk kartonowy model budynku papierowy sześcian 1cm 3 wypełniony wodą most przez dużą rzekę rzeczywisty budynek papierowy sześcian 1m 3 wypełniony wodą wytrzymałość ~ L 2 rośnie wolniej niż ciężar ~ L 3 Inne konsekwencje skali wielkości Grawitacja a duże obiekty (astronomiczne) 1cm Pu 19 gramów 400 cm 3 (9cm średnicy)! Grawitacja a małe obiekty: np.: nie jest groźna dla małych zwierząt! (mucha na suficie, nogi komarnic etc.) Pułapki intuicji, czyli nieuzasadnione porównywanie wielkości fizycznej w oparciu o wymiar liniowy - Kolos z Rhodos - wielkość pudełka zapałek, a ilość zapałek - jak szybko pływa powiększona bakteria? - jak wysoko skacze powiększona pchła? Napięcie powierzchniowe Oddychanie, trawienie, komunikacja z mózgiem Rozmiar jako wpływ środowiska (ewolucja) M.Mulak / IF PWr 5

Jednostki Jak wyrazić wielkości fizyczne w liczbach? Potrzebujemy tylko kilku podstawowych jednostek! Wszystkie muszą mieć dokładne i powtarzalne wzorce.

6 Jednostki Jak wyrazić wielkości fizyczne w liczbach? Potrzebujemy tylko kilku podstawowych jednostek! Wszystkie muszą mieć dokładne i powtarzalne wzorce. Uwaga: fizyka nie może zależeć od układu odniesienia, tj. od jednostek opisujących pomiar! Jednostki podstawowe (SI) długość: metr (m); masa: kilogram (kg); czas: sekunda (s), temperatura: kelwin (K); prąd elektryczny: amper (A); światłość: kandela (cd); ilość substancji: mol Przykłady definicji: metr: odległość jakąświatło pokonuje w próżni w czasie 1/ s kilogram: masa wzorcowego walca (stop platyny i irydu) Jednostki pochodne. Analiza wymiarowa Każda wielkość fizyczna może być odniesiona do wielkości podstawowych: ta relacja określa WYMIAR. Przykłady: prędkość = (długość) 1 (czas) -1 [m/s] siła = (masa) 1 (długość) 1 (time) -2 [kg m/s 2 ] (np.: Niuton, Hz, Pa, Wat) Układ SI: [prędkość] = (metr) 1 (sekunda) -1 [niuton] = (kilogram) 1 (metr) 1 (sekunda) -2 *Układ CGS: [prędkość] = (centymetr) 1 (sekunda) -1 [dyna] = (gram) 1 (centymetr) 1 (sekunda) -2 Skalary i wektory skalary: (masa, gęstość, temperatura, czas, etc) wektory: długość i kierunek! 3 wymiary: 3 liczby (długość + 2 kąty) r r Iloczyn skalarny A B = AB cos( Φ) Iloczyn wektorowy A B = nab sin( Φ) ˆ M.Mulak / IF PWr 6

Podobne dokumenty

Język fizyki. Teoria fizyczna. Rozwój praw fizyki. Fizyka: nauka eksperymentalna

Język fizyki. Teoria fizyczna. Rozwój praw fizyki. Fizyka: nauka eksperymentalna Język fizyki Pojęcia fizyczne: abstrakcyjne idee (np. przestrzeń) albo wielkości fizyczne (np.: długość, czas, przyspieszenie, siła, energia, temperatura, ładunek elektryczny; definicje operacyjne odnoszące