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

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

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

Mateusz Skiba
7 lat temu
Przeglądów:

1 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. 40 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? M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 1 M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 2 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 IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 4 1

2 Gdzie się to wszystko dzieje? Klasyczne pojęcie przestrzeni i czasu Przestrzeń euklidesowa (kartezjański układ współrzędnych ) Czas absolutny Skala czasu: od 10-4 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, 10 8 Rok, Doba 8, Okres drgań atomów w ciele stałym 1, Czas Plancka 5, Lista 1 na ćwiczeniach rachunkowych M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 5 M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 6 Obiekt Charakterystyczne odległości Odległość (m) Promień Wszechświata Galaktyka Andromedy 2, Najbliższa gwiazda Proxima Centauri 4, Rok świetlny 9, Słońce 1, Księżyc, Rozmiar liniowy wirusów Średnica atomu wodoru Średnica jądra atomu Skala obserwowanego Wszechświata Liczba supergromad w obserwowalnym Wszechświecie = 10 milionów Liczba grup galaktyk w obserwowalnym Wszechświecie = 25 miliardów Liczba dużych galaktyk w obserwowalnym Wszechświecie = 50 miliardów Liczba galaktyk karłowatych w obserwowalnym Wszechświecie =.5 biliona Liczba gwiazd w obserwowalnym Wszechświecie = 0 miliardów bilionów ( 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 IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 7 M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 8 2

Problemy skali wokół nas Wielki słupy wodoru w Mgławicy Orła, gdzie rodzą się nowe gwiazdy Niewielka galaktyka eliptyczna M2, która towarzyszy galaktyce Andromedy, naszej największej sąsiadce

3 Problemy skali wokół nas Wielki słupy wodoru w Mgławicy Orła, gdzie rodzą się nowe gwiazdy Niewielka galaktyka eliptyczna M2, która towarzyszy galaktyce Andromedy, naszej największej sąsiadce Galaktyka Karłowata Fornax, sąsiadka drogi mlecznej, oddalona o 600 tys. lat świetlnych (trochę bliżej są Wielki i Mały Obłok Magellana) Dlaczego mrówka może podnieść ciężar 50 razy przekraczający jej wagę? Dlaczego małe zwierzęta mają szybszy metabolizm od dużych? 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! M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 9 M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 10 Objętość i masa a wymiary liniowe Wytrzymałość kości, siła mięśni V 2 2L siła~s~l 2 V 1 R r L S - pole przekroju poprzecznego kości / mięśni ciężar~v~l 4 πr V1 R = = = 8 V 4 2 r πr 8 kul! siła ręki ciężar ręki ~1/L 1:L stosunek długości krawędzi 1:L 2 stosunek pól powierzchni 1:L stosunek objętości L - charakterystyczny wymiar liniowy M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 11 M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 12

Skala a projekty inżynierskie Skala a budowa zwierząt kładka przez strumyk kartonowy model budynku papierowy sześcian 1cm wypełniony wodą most przez dużą rzekę rzeczywisty budynek papierowy sześcian

4 Skala a projekty inżynierskie Skala a budowa zwierząt kładka przez strumyk kartonowy model budynku papierowy sześcian 1cm wypełniony wodą most przez dużą rzekę rzeczywisty budynek papierowy sześcian 1m wypełniony wodą wytrzymałość ~ L 2 rośnie wolniej niż ciężar ~ L M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 1 M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 14 Metabolizm zwierząt Pozornie: Moc ~ L (obj. ukł. trawiennego lub płuc) Faktycznie: Moc ~ L 2 wydalanie ciepła ~ L 2 absorbcja przez układ trawienny ~ L 2 szybkość zaopatrywania tkanek w krew ~ L 2 (przekrój aorty) siła mięśni ~ L 2 Zwierzęta ciepłokrwiste potrzebują pożywienia proporcjonalnie do swojej powierzchni, nie do swojej wagi (przy określonej temperaturze ciała i otoczenia) M jedz ~Q~S Inne konsekwencje skali wielkości Grawitacja a duże obiekty (astronomiczne) 1cm 29 Pu 19 gramów 400 cm (9cm średnicy)! Grawitacja a małe obiekty: np.: nie jest groźna dla małych zwierząt! (mucha na suficie, nogi komarnic etc.) Napięcie powierzchniowe Oddychanie, trawienie, komunikacja z mózgiem Rozmiar jako wpływ środowiska (ewolucja) M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 15 M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład

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

5 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 M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 17 M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład 2 18 Skalary i wektory skalary: (masa, gęstość, temperatura, czas, etc) wektory: długość i kierunek! wymiary: liczby (długość + 2 kąty) r r Iloczyn skalarny A B = AB cos( Φ) Iloczyn wektorowy A B = nab sin( Φ) ˆ M.Mulak IFPWr IZ ZiM - rok 1 / Wykład

Podobne dokumenty

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

Fizyka I. Zaliczenie kursu. Podręczniki. Wykład 1 IŚ niestacj. / Fizyka 1. M.Mulak / IF PWr 1. Czym zajmuje się fizyka? Fizyka I Wydział Inżynierii Środowiska, rok 1 ISS3004W/C Maciej Mulak, dr inż. pok. 320 A1 Maciej.Mulak@pwr.wroc.pl http://www.if.pwr.wroc.pl/~mmulak Zaliczenie kursu Termin połówkowy (1/12/07) Termin