Fizyka. II rok 2015/2016. Piotr Jaracz. Wyższa Szkoła Informatyki Stosowanej i Zarządzania PAN Warszawa

Transkrypt

1 Fizyka II rok 2015/2016 Piotr Jaracz Wyższa Szkoła Informatyki Stosowanej i Zarządzania PAN Warszawa

2 1. Co to jest fizyka Fizyka nauka, która bada ogólne własności materii, przestrzeni i czasu i formułuje prawa odnoszące się do zjawisk naturalnych /Encykl. Powsz. Larousse/.... dla potrzeb tego wykładu trochę inaczej: Fizyka (z gr. physiké, od phýsis natura, przyroda) to jedna z prób zrozumienia świata, oparta na faktach, badaniach eksperymentalnych i matematyce. Cele wykładu: m.in. zdobycie podstawowych umiejętności rozumowania (rozwijanie dociekliwości, krytycyzmu, formułowania hipotez i wniosków itp., poprzez poznawanie i używanie pojęć, narzędzi i metod nauk ścisłych). 2. Pomiar, wielkość fizyczna Problem Kupiliśmy pianino i musimy wnieść je do naszego mieszkania. Jak? Po schodach czy windą? Rozwiązanie intuicyjne: zakładamy, że instrument zmieści się w windzie i niesiemy go prosto do windy. Rozwiązanie fizyczne: mierzymy długość oraz szerokość kabiny windy i pianina; na podstawie wyników pomiarów podejmujemy odpowiednią decyzję. A gdy nie mamy przy sobie linijki lub taśmy mierniczej? 2

3 Jako miarki możemy użyć naszej stopy... Stawiając stopę za stopą przy pianinie oraz wzdłuż wewnętrznych krawędzi kabiny otrzymamy przybliżone rozmiary tych obiektów wyrażone w stopach. Podsumowanie Pomiar jest to porównywanie jakiejś właściwości obiektu lub zjawiska fizycznego ze wzorcem, prowadzące do przypisania tej właściwości liczby.... inaczej Właściwości (cechy) obiektów lub zjawisk fizycznych można określać ilościowo czyli mierzyć. Czy wszystkie? Nie tylko te, które sami wprowadzamy, uznając je za niezbędne do opisu fizycznego obiektu lub zjawiska. Właściwości obiektów lub zjawisk fizycznych, które możemy mierzyć nazywamy wielkościami fizycznymi Wzorce pomiaru długości Dawniej do mierzenia długości przedmiotów wykorzystywano to co było łatwo dostępne często swoje ciało. Wzorcem (jednostką) długości była np.: długość ziarna jęczmienia (!): potrojona stanowiła pierwowzór jednostki długości zwanej calem, odległość od łokcia do końca dłoni (tzw. łokieć), długość stopy (tzw. stopa). 3

4 Zalety: taki wzorzec mamy zawsze przy sobie, łatwo wyobrazić sobie wielkość przedmiotu. Wada: ludzie różnią się między sobą, a więc długości ich łokci czy stóp też się różnią. Rozwiązanie problemu: ujednolicić wzorce. Przykłady Na początku XVI wieku na terenach ówczesnej Rzeczypospolitej stosowano powszechnie, m.in: łokieć lwowski (71,69 cm) i łokieć krakowski (57,35 cm). Pomiędzy państwami istniały jeszcze większe różnice w przyjmowanych długościach łokcia, np. na początku XIX wieku funkcjonował: łokieć warszawski (59,6 cm), łokieć berliński w Prusach (66,7 cm), łokieć wiedeński w Austrii (77,9 cm),... ale, pomimo znaczących różnic, najczęściej przyjmowano podział łokcia na 2 stopy i 24 cale. Ostatecznie Łokieć został zarzucony (niejako zamiast niego wyłonił się jard 3 łokcie), a stopa i cal zostały poddane standaryzacji (patrz dalej). 4

5 3. Metryczny układ jednostek miar W okresie Rewolucji Francuskiej podjęto we Francji reformę miar i zdecydowano m.in. że nowe miary będą opierać się na stałych zjawiskach fizycznych a nie na (zmiennych) cechach ciała ludzkiego. Wprowadzono wtedy (1795) nową jednostką długości metr, zdefiniowaną jako: 1 metr jest to jedna dziesięciomilionowa część odległości między biegunem a równikiem Ziemi, wzdłuż południka ziemskiego przechodzącego przez Paryż. 1 Ustalono również, że wielokrotności oraz podwielokrotności metra (a za nim innych jednostek) będą oparte na dziesiętnym układzie liczbowym, zaś ich nazwy będą zawierać słowo metr (lub inna jednostka), poprzedzone przedrostkiem symbolizującym odpowiedni mnożnik. Ogólnie Metryczny układ jednostek (miar) jest to taki układ jednostek, w którym stosuje się wielokrotności i podwielokrotności wartości jednostek wyrażane w dziesiętnym układzie liczbowym. Niemetryczne układy jednostek (patrz dalej). 1 Poczynając od końca XIX w. wzorzec metra był jeszcze trzykrotnie zmieniany. 5

6 Tab Przedrostki stosowane do oznaczania wielokrotności i podwielokrotności jednostek fizycznych w układzie metrycznym (np. układzie SI, patrz dalej). Nazwa przedrostka piko Skrót przedrostka p Znaczenie przedrostka (mnożnik) 1 1 0, nano mikro mili centy decy n m c d 1 1 0, , , , , deka da hekto h kilo k mega M giga G tera T

7 W ten sposób tworzy się, np.: 9 10 m = 1 nanometr = 1 nm 6 10 m = 1 mikrometr = 1 μm m = 10 m = 1 milimetr = 1 mm m = 1 centymetr = 1 cm, 1000 m = 1 kilometr = 1 km, 1 kg (kilogram) = 1000 g (gram), 1 hpa (hektopaskal) = 100 Pa (paskal), 1 GHz (gigaherc) = Hz, 1 ml (mililitr) = 0,001 l.,, W praktyce naukowej i technicznej są w użyciu również niemetryczne układy jednostek długości, wśród nich np. mila morska (w nawigacji morskiej) równa 1852 m, zdefiniowana jako długość łuku południka ziemskiego odpowiadającego jednej minucie kątowej (1/60 stopnia kątowego) koła ziemskiego wielkiego. Inne przykłady W niektórych krajach, m.in. w krajach anglosaskich, nadal (choć coraz rzadziej) używa się jednostek sprzed Rewolucji Francuskiej. Obecnie jednak zostały one poddane standaryzacji. I tak:, 7

8 1 cal = 25,4 mm, 1 1 stopa = 30,48 cm = jarda = 12 cali, 3 1 jard = 91,44 cm = 3 stopy = 36 cali. Współcześnie, w większości krajów przyjęto w metrologii tzw. układ SI (Système International d'unités Międzynarodowy Układ Jednostek Miar), zakładający 7 jednostek podstawowych dla wielkości fizycznych. Tab Jednostki podstawowe układu SI. Nazwa jednostki podstawowej Symbol Wielkość fizyczna podstawowa metr m długość kilogram kg masa sekunda s czas amper A natężenie prądu elektrycznego kelwin K temperatura termodynamiczna kandela cd światłość mol mol liczność materii Z tych jednostek można zbudować jednostki wszystkich innych, używanych w fizyce wielkości fizycznych. Powstają w ten sposób tzw. jednostki pochodne. Umożliwiają to równania definicyjne (definicje) wielkości fizycznych lub prawa fizyczne, które bada i wprowadza fizyka, łączące 8

9 między sobą wielkości fizyczne (patrz Pytania i Problemy, pkt. 8). W układzie SI dopuszczone są również jednostki pozaukładowe, np.: 1 h (godzina) = 3600 s, oraz 1 0 C, przy czym T [ 0 C] = T [K] 273,15. Układ SI jest metrycznym układem jednostek miar. Niemetryczny układ jednostek czasu tworzą, np.: 1 h = 60 min., 1 min. = 60 s, a jednostek długości: 1 jard 1 stopa 1 cal. 4. Wykresy Wykres jest formą prezentacji danych pomiarowych: przekazuje odbiorcy, w formie syntetycznej znaczną ilość informacji, pozwala na szybkie uchwycenie głównych cech badanego zjawiska fizycznego Tabela danych Podstawową (pierwotną) formą prezentacji danych z pomiarów fizycznych jest tabela. Przykład Tab Średnia miesięczna temperatura powietrza na Polskiej Stacji Polarnej Hornsund, Spitsbergen, Norwegia; w kolejnych miesiącach roku (na podstawie opracowania Rafała Kusia, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski). 9

10 Miesiąc TemperaturaT [ 0 C] I - 6,5 II - 7,1 III - 13,7 IV - 11,3 V - 2,7 VI 2,0 VII 4,6 VIII 4,7 IX 3,1 X - 0,9 XI - 5,6 XII - 4, Tworzenie wykresu Dane z tabeli przedstawiamy w formie graficznej przy pomocy wykresu, w którym przyjęto: oś pozioma - czas (kolejne miesiące); w fizyce czas, prawie zawsze, pokazywany jest na osi poziomej, oś pionowa - temperatura powietrza. 10

11 Rys Średnia miesięczna temperatura powietrza; Polska Stacja Polarna Hornsund, Spitsbergen,Norwegia. Język fizyki (terminologia) Wykres na Rys przedstawia, jak mówimy: zależność średniej miesięcznej temperatury powietrza od czasu, lub lepiej średnią miesięczną temperaturę powietrza w funkcji czasu. Dobre zasady tworzenia wykresu: 1. Skale wykresu tak dobrane, aby przedstawiane punkty pomiarowe znalazły się na całej powierzchni ograniczonej osiami; zakres osi nie musi zaczynać się w zerze. 2. Opis osi wykresu podanie nazw lub symboli wielkości fizycznych oraz jednostek układu miar w jakim zostały one wyrażone. 11

12 3. Podziałka niezbyt gęsta, z opisem w układzie (najczęściej). 4. Punkty pomiarowe zasadniczo nie powinno się ich łączyć linią łamaną; można narysować linię obrazującą tendencję zmian. 5. Opis wykres, a także tabela, powinny mieć tytuł (na wykresie) i/lub być opisane (pod wykresem). 6. Unikanie informacji zbędnych, np. obcych elementów graficznych czy tekstowych (czasem dodawanych przez programy komputerowe używane do tworzenia wykresów). 5. Opracowanie danych Dysponując przedstawionymi wyżej dwiema formami prezentacji danych dokonajmy elementarnego jak mówimy - opracowania danych....na podstawie tabeli Spostrzeżenie jakościowe (dotyczy trendów (tendencji) w zależności temperatury od czasu) Zauważamy, że temperatura na początku roku jest ujemna i maleje, po czym od kwietnia systematycznie rośnie, by następnie ponownie spadać. Spostrzeżenia ilościowe (dotyczy samych wartości temperatury) 12

13 Obliczamy (wskazujemy) minimalną ( 13,7 0 C) i maksymalną (4,7 0 C) miesięczną temperaturę powietrza. Wyznaczamy średnią roczną temperaturę. Zakładając, że chodzi o średnią arytmetyczną (są też inne średnie), z danych w tabeli: T i 12 Ti C na podstawie wykresu Dysponując wykresem możemy zauważyć istnienie istotnych zależności, trudnych do zaobserwowania na podstawie samej tylko tabeli danych: zauważamy, że spadek na początku roku (w marcu) jest gwałtowny, podobnie jak wzrost w maju, widzimy, wspomniany już wzrost temperatury w okresie od kwietnia do sierpnia. Najciekawsze dopiero przed nami!... Widzimy tendencję (trudną do zauważenia w tabeli) do utrzymywania się przez większą część roku temperatury w pobliżu 0 C 0. Na podstawie tego punktu opracowania danych możemy sformułować odważny a istotny wniosek hipotezę fizyczną, będącą w swej istocie celem każdych badań fizycznych 13

14 Dane pomiarowe zdają się wskazywać, że stacja polarna, na której dokonano pomiarów jest położona w pobliżu jakiegoś Dużego Zbiornika Wodnego, pełniącego rolę regulatora - stabilizatora temperatury! Prawdopodobnie stacja usytuowana jest niedaleko oceanu, a nie w głębi lądu (w tym wypadku wyspy Spitzbergen). Potwierdza się! A teraz ukoronowanie całego procesu badawczego!... Skoro nasza hipoteza (teraz już swego rodzaju teoria fizyczna) jest prawdziwa to możemy jej użyć do prognozowania jaką tendencję będzie miała temperatura w innych, położonych dalej od brzegów częściach wyspy Spitzbergen. Pytania i problemy 1. Co to jest wielkość fizyczna? Podaj i omów lub skomentuj dwa przykłady znanych ci wielkości fizycznych. 2. Czym jest pomiar fizyczny? Omów na czym polega pomiar wielkości fizycznej długość. 3. Średnica typowego włosa ludzkiego to ok. 100 m. Skomentuj możliwość pomiaru tej średnicy przy pomocy zwykłej linijki uczniowskiej. 14

15 4. Omów na czym polegała standaryzacja używanych pierwotnie jednostek długości cal? 5. W czym zawiera się istota metryczności układu jednostek miar? Podaj przykład. 6. Omów na przykładach wybrane metryczne i niemetryczne układy jednostek miar. 7. Podaj i omów znane ci jednostki podstawowe układu SI. 8. W układzie SI jednostka prędkości (m/s) jest jednostką pochodną, zbudowaną z jednostek podstawowych: długości (m) i czasu (s) na podstawie równania definicyjnego (definicji) prędkości. Co to za równanie? WSKAZÓWKA: jest to jednocześnie najprostsze prawo kinematyki, jedno z pierwszych praw mechaniki poznanych w szkole podstawowej. 9. Wyjaśnij znaczenie i podaj przykłady użycia przedrostków mega i giga wybranych jednostek miary. 10. Jak sądzisz, skąd pochodzi termin nanotechnologia? 11. Zapisz następujące liczby w postaci dziesiętnej (liczba dziesiętna lub ułamek dziesiętny): ,16 10 ; 2 10 ; 5 10 ; 5, Wskaż i uzasadnij rachunkiem, która wartość w każdej z poniższych par liczb jest większa: 15

16 a) 1 ma czy 0,01 A, b) 3 mm czy 300 m, c) 1,2 kg czy mg, d) 20 MW czy 2500 kw. 13. Wskaż i omów co najmniej jedną z cech wykresu danych, wyróżniających go w porównaniu z tabelą danych. 14. Podaj co najmniej trzy z tzw. dobrych zasad tworzenia wykresu. 15. Podaj najistotniejszą cechę charakterystyczną teorii fizycznej. 16