Czym zajmuje się fizyka?

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Czym zajmuje się fizyka?"

Magda Żukowska
6 lat temu
Przeglądów:

(struktura i funkcja organizmów) - chemia

prawa natury materia i jej oddziaływanie na

atomowego po cały Wszechświat http://www.if.pwr.

1 Czym zajmuje się fizyka? pok. 437 bud. A1 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 materia i jej oddziaływanie na najbardziej podstawowym poziomie: od jądra atomowego po cały Wszechświat Fizyka a postęp cywilizacyjny Internet, GPS Dyscypliny fizyki

2 Język fizyki Pojęcia fizyczne: np. przestrzeń, czas, siła, przyspieszenie, energia, temperatura, ładunek elektryczny; Modele fizyczne: punkt materialny, modele światła, model gazu idealnego, przybliżenia! * niekompletne lub niepoprawne (np. model heliocentryczny, model planetarny atomu) Prawa fizyczne: z eksperymentu lub teorii (np. pv=nrt, prawa Keplera) Fundamentalne zasady fizyczne: (np. względność ruchu, zachowanie energii; pędu) 3 Teorie fizyczne: kombinacje zasad, modeli i założeń (postulatów) pozwalające przewidywać wyniki doświadczeń (np.: teoria grawitacji Newtona) 4

3 Teoria fizyczna Rozwój praw fizyki Kombinacja zasad, modeli i założeń (postulatów) pozwalająca przewidywać wyniki doświadczeń np.: Teoria grawitacji Newtona Ogólna Teoria Względności Einsteina Teoria ewolucji Teoria Wielkiego Wybuchu Głębsze zrozumienie natury uproszczenie praw fizycznych Przykład: elektryczność i magnetyzm - Starożytność (bursztyn, magnes, kawałki żelaza) - XVII w. prawo Coulomba Czy istnieje teoria wszystkiego? - XIX w. Oersted, Ampere, Faraday, Maxwell (prawa elektromagnetyzmu) światło jako fala elektromagnetyczna

4 Sir Thomas Digges ( ) Nieskończony Wszechświat, zawierający nieskończenie wiele gwiazd Tycho Brahe i strona z jego książki De Stella Nova, pozycja nowej gwiazdy [1572]

5 Giordano Bruno ( ) Albert Einstein ( ) Wyobraźnia jest ważniejsza od wiedzy

6 Juliusz Verne

9 "Mamy XXI wiek. I gdzie, do diabła, są wszystkie te latające auta? Patrzę w niebo, nic nie widzę. Dlaczego?

10 Jeżeli na samym początku idea nie wydaje się absurdalna, nie ma dla niej żadnej nadziei [A.Einstein] Zdrowy rozsądek to zbiór przesądów, które musimy porzucić po 18 roku życia [A.Einstein]

11 1. Gdy wybitny, ale starszy uczony stwierdza, że coś jest możliwe, niemal na pewno ma rację. Gdy mówi, że coś jest NIEMOŻLIWE, najprawdopodobniej się myli. 2. Jedyny sposób, aby odkryć granice możliwości, to przekroczyć je i sięgnąć po niemożliwe. 3. Każde wystarczająco zaawansowane rozwiązanie techniczne jest nieodróżnialne od magii. Artur C. Clarke Fizyka zaawansowanych cywilizacji (zużycie energii) N. Kardaszew (antropolog) Cywilizacja typu 0 Cywilizacja typu 1 (energia planety, wulkanów, kontrola pogody, trzęsień ziemi, miasta na oceanach ) Cywilizacja typu 2 (10 9 razy silniejsza od typu 1; cała energia gwiazdy (słońca) Cywilizacja typu 3 (10 9 razy silniejsza od typu 2; zasoby galaktyki)

12 Michio Kaku Niemożliwości I rodzaju Obecnie niemożliwe, ale nie będące w sprzeczności z żadnymi znanymi prawami fizyki (w tym wieku, w przyszłym) Silniki na antymaterię Niemożliwości II rodzaju Rozwiązania techniczne na granicy naszego rozumienia świata fizycznego (jeśli w ogóle możliwe, to za tysiące lub miliony lat) Podróż w czasie, podróż przez tunele czasoprzestrzenne Niemożliwości III rodzaju Rozwiązania techniczne w sprzeczności ze znaną fizyką Lord Kelvin (1899) Radio nie ma przyszłości Cięższe od powietrza maszyny latające są niemożliwe Promienie X są oszustwem

Fizyka: nauka eksperymentalna Opis rzeczywistości fizycznej mierzona przez instrumenty pomiarowe Powtarzalne eksperymenty wyniki pomiarów jako liczby rzeczywiste Ograniczenia pomiarowe: - dokładność:

rozmiar i wiek Wszechświata, skończona prędkość światła, zero bezwględne) Lista najpiękniejszych eksperymentów w całej nauce (George Johnson) 1. Galileo: jak poruszają się ciała 2. W. Harvey: krwioobieg 3.

13 Fizyka: nauka eksperymentalna 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) Lista najpiękniejszych eksperymentów w całej nauce (George Johnson) 1. Galileo: jak poruszają się ciała 2. W. Harvey: krwioobieg 3. I. Newton: czym jest kolor 4. A. Lavoisier: natura spalania 5. L. Galvani: elektryczność zwierzęca 6. M. Faraday: indukcja elektromagnetyczna 7. J. Joule: zachowanie energii 8. A. Michelson: prędkość światła 9. I. Pawłow: odruchy warunkowe 10. R. Millikan: ładunek elektronu Universum - C. Flammarion, Woodcut, Paris 1888 Mgławica Krab, czyli szczątki supernowej, która rozbłysła na niebie w 1054 roku. Opisali ją Chińczycy

NAJPIĘKNIEJSZE EKSPERYMENTY Robert P.Crease 1. Eratostenes (ok. 230 p.n.e.) pomiar obwodu Ziemi 2. Galileusz (1600) spadek swobodny 3.

Young (1801) interferencja światła na dwóch szczelinach 7. Foucault (1851) wahadło (ruch obrotowy Ziemi) 8. Millikan (1910) wyznaczenie ładunku elektronu 9.

14 NAJPIĘKNIEJSZE EKSPERYMENTY Robert P.Crease 1. Eratostenes (ok. 230 p.n.e.) pomiar obwodu Ziemi 2. Galileusz (1600) spadek swobodny 3. Galileusz (1600) ciała staczające się z równi pochyłej 4. Newton ( ) rozszczepienie światła za pomocą pryzmatu 5. Cavendish (1798) wyznaczenie stałej grawitacji G 6. Young (1801) interferencja światła na dwóch szczelinach 7. Foucault (1851) wahadło (ruch obrotowy Ziemi) 8. Millikan (1910) wyznaczenie ładunku elektronu 9. Rutherford (1911) odkrycie jądra atomowego 10.Davisson i Germer (1927) dyfrakcja elektronów na podwójnej szczelinie Archimedes (III w. p.n.e.) wyporność ciał Roemer (1676) pierwszy pomiar prędkości światła Joule (1843) - mechaniczny odpowiednik ciepła Michelson i Morley ( ) - prędkość światła i jej stałość Eddington (1919) - ugięcie światła gwiazd (dowód teorii Einsteina) Kot Schrödingera (1935) eksperyment myślowy Schrödingera Trinity ( ) pierwszy test jądrowej reakcji łańcuchowej Feynman (1986) - wyjaśnienie katastrofy wahadłowca Challenger Penzias, Wilson (1965) - odkrycie reliktowego promieniowania tła

15 Eratostenes, III w p.n.e. 29

16 Przełomowe eksperymenty Odkrywanie prawdy Moc przemiany myślenia Prostota, elegancja, naoczność (Eratostenes) Aspekt psychologiczny (zabawa, ciekawość, zaangażowanie) WSPÓŁCZESNE EKSPERYMENTY Ogromne koszty, korporacje naukowe, zalew danych, czasochłonność, hermetyczność (poza zasięgiem śmiertelnika..) Zderzenia cząstek (Wielki Zderzacz Hadronów) Sekwencjonowanie genomu Analizy astrofizyczne

współrzędnych ) Czas absolutny Skala czasu: od 10-43 s do 10 18 s Skala odległości:

17 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 34

18 Skala czasu Skala odległości sekundy Wiek Wszechświata (13,7 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, metry Promień Wszechświata Galaktyka Andromedy 2, Najbliższa gwiazda Proxima Centauri 4, Rok świetlny 9, Słońce 1, Księżyc 3, Rozmiar liniowy wirusów Atom wodoru Średnica protonu

JAK DUŻY JEST ATOM? Jak duży naprawdę jest Układ Słoneczny? G. D. Cassini (1625-1712) ok.

Eksperyment myślowy Feynmana (cząsteczki wody) Ziarenko piasku w katedrze Intrygujące analogie (Lord Kelvin, ziarenka ryżu ) Rozmiar

19 JAK DUŻY JEST ATOM? Jak duży naprawdę jest Układ Słoneczny? G. D. Cassini ( ) ok.150 mln km od Ziemi Model 1: 100 mln (Eksperyment myślowy) Ziemia (15cm), Księżyc (3.5cm) w odl. 3.8m Słońce (14m) w odl. 1.5km! Eksperyment myślowy Feynmana (cząsteczki wody) Ziarenko piasku w katedrze Intrygujące analogie (Lord Kelvin, ziarenka ryżu ) Rozmiar atomu a długość fali świetlnej 37 do Plutona (6cm) 60km do najbliższej gwiazdy (ok. 14m średnicy). jak do Księżyca (!) Słońce 110x większe od Ziemi; ok. 10x większe od Jowisza 38

20 Droga Mleczna Słońc e Alfa Centauri Skala: redukcja do 130 km średnicy układ słoneczny: 2 mm szerokości.. 39

Skala obserwowanego Wszechświata 1: 80 000 po 500 latach Liczba

galaktyk w obserwowalnym Wszechświecie = 25 miliardów Liczba dużych

karłowatych w obserwowalnym Wszechświecie = 3.

bilionów (3 x 10 22 ) Teleskop Hubble'a (1995): "pusty" obszar nieba w

21 Skala obserwowanego Wszechświata 1: po 500 latach 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 za 500 lat? Głębokie Pole Hubble'a 42

22 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 jaką światło 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)

23 Układ metryczny Matematyka w fizyce Tera T Giga G 10 9 Mega M 10 6 Kilo k 10 3 Centy c 10-2 Mili m 10-3 Mikro 10-6 Nano n 10-9 Piko p Femto f Podstawowe prawa: elementarna algebra, geometria i trygonometria Rachunek różniczkowy i *całkowy (w ograniczonym zakresie) Funkcje i liczby (wartości stałe, zmienne, wartości chwilowe) Zapis formalny (9.1x10-31 kg) Wykresy Obliczenia Analiza wymiarowa jak pamiętać wzory Obliczenia szacunkowe Brzytwa Ockhama 45 46

Naukowe PWN, Warszawa 2003 (www.pwn.pl) (t.i-ii) J.

Hewitt, Fizyka wokół nas, PWN, Warszawa 2000. J.

24 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 Hyperphysics (interaktywny kurs fizyki w języku angielskim) 47 C. Bobrowski, Fizyka - krótki kurs, WNT, Warszawa K. Jezierski, B. Kołodko, K. Sierański, Zadania z rozwiązaniami. Część I. Skrypt do ćwiczeń z fizyki dla studentów I roku PWr, Oficyna Wyd. Scripta, Wrocław 2000.

Podobne dokumenty

Fizyka I. Zaliczenie wykładu. Termin I egzamin podstawowy, testowy 27 I 2010 r., sale 322 i 314 A1

Fizyka I. Zaliczenie wykładu. Termin I egzamin podstawowy, testowy 27 I 2010 r., sale 322 i 314 A1 Fizyka I Wydział Inżynierii Środowiska, kierunek Ochrona Środowiska, rok 1 Rok. akad. 2009/10, semestr zimowy, FZP1055W/C Maciej Mulak, dr inż. pok. 320 bud. A1 http://www.if.pwr.wroc.pl/~mmulak Maciej.Mulak@pwr.wroc.pl