WYKŁADOWCA: dr Adam Czapla

Transkrypt

1 WYKŁADOWCA: dr Adam Czapla KATEDRA ELEKTRONIKI, paw. C-1, p. 311, III p. tel Wykład /2009, zima 1 ĆWICZENIA RACHUNKOWE PROWADZĄ: dr Adam CZAPLA dr Jarosław KANAK dr Edward KUSIOR dr Konstanty MARSZAŁEK mgr Zbigniew SOBKÓW dr Barbara SWATOWSKA Wykład /2009, zima 2 1

2 ZASADY ZALICZANIA PRZEDMIOTU: Obecność i aktywność na zajęciach (wykłady, ćwiczenia, laboratorium) Pozytywna ocena końcowa ( 3.0) z ćwiczeń rachunkowych i laboratorium Egzamin pisemny i ustny po każdym semestrze. Na ocenę końcową przedmiotu wpływają wszystkie oceny Wykład /2009, zima 3 MATERIAŁY DO WYKŁADU: TEKST WYKŁADU PODRĘCZNIKI: 1. D.Halliday, R. Resnick, J.Walker, Podstawy Fizyki, PWN W-wa, tomów (w skrócie HRW) 2. C.Kittel, W.D. Knight, M.A. Ruderman Mechanika, PWN W-wa 1975 Wykład /2009, zima 4 2

3 JAKIE KORZYŚCI PŁYNĄ ZE ZNAJOMOŚCI PRAW FIZYKI? Wykład /2009, zima 5 INTERPRETACJA CODZIENNYCH OBSERWACJI Czy prosta obserwacja zachodu Słońca na plaży może posłużyć do pomiaru wielkości Ziemi? Wykład /2009, zima 6 3

4 Czy prawdą jest, że upadek kota z dużej wysokości jest mniej niebezpieczny niż z małej? Wykład /2009, zima 7 Czy kula metalowa wyprzedzi piórko gdy oba te obiekty spadają swobodnie w próżni? Wykład /2009, zima 8 4

5 Matematyka: język fizyki Inżynieria Biologia Geologia Chemia Astronomia Rzeczywistość fizyczna Abstrakcja Wszechświat Wykład /2009, zima 9 Początki nowożytnej fizyki Zasady matematyczne filozofii naturalnej (1687) Czas absolutny, prawdziwy i matematyczny, sam z siebie i przez swą naturę upływa równomiernie bez związku z czymkolwiek zewnętrznym i inaczej nazywa się trwaniem... Przestrzeń absolutna, przez swą naturę, bez związku z czymkolwiek zewnętrznym, pozostaje zawsze taka sama i nieruchoma... Wykład /2009, zima 10 5

6 Szczególna teoria względności, 1905: czasoprzestrzeń Ogólna teoria względności, 1915: teoria grawitacji Wykład /2009, zima 11 Czym jest fizyka? Fizyka jest podstawową nauką przyrodniczą, zajmującą się badaniem najbardziej fundamentalnych i uniwersalnych właściwości materii i zjawisk w otaczającym nas świecie. Fizyka jest nauką, której celem jest badanie elementarnych składników materii oraz ich wzajemnych oddziaływań elementarnych. Wykład /2009, zima 12 6

7 Elementarne składniki materii Hipoteza o istnieniu atomów Demokryt (IV w. p.n.e.) Podstawowe składniki materii: Powietrze Ogień Ziemia Woda Wykład /2009, zima 13 Układ okresowy pierwiastków Wykład /2009, zima 14 7

8 Atom - podstawowy element materii? Czy możemy oglądać pojedyncze atomy? chmura elektronowa m Tak. AFM (Atomic Force Microscope) jądro (złożone z protonów i neutronów) Wykład /2009, zima 15 Czy proton lub neutron jest cząstką elementarną? wiązka elektronów proton Rozpraszanie nieelastyczne wiązki elektronów na protonach Kwarki? Wykład /2009, zima 16 8

9 Trzy generacje cząstek elementarnych kwarki i leptony (elektron, miuon i taon i ich neutrina) (Fermilab) Wykład /2009, zima 17 Wykład /2009, zima 18 9

10 Wykład /2009, zima 19 Wykład /2009, zima 20 10

11 Wykład /2009, zima 21 Cztery fundamentalne oddziaływania: Oddziaływanie fundamentalne grawitacyjne elektromagnetyczne silne (jądrowe) słabe Natężenie względne 5, , Czas charakterystyczny w sek Wykład /2009, zima 22 11

12 Cząstki elementarne modelu standardowego są punktowe. Niosą one spin, masę, ładunek elektryczny, kolor. Kwarki są uwięzione w hadronach, dwa lub trzy kwarki, które są bezbarwne. Hadrony: protony i neutrony budują jądra Jądra i elektrony są elementami tworzenia atomów. Atomy są elementami tworzenia molekuł. Molekuły tworzą chmury molekularne z których utworzone są układy solarne. Układy solarne połączone są w większe obiekty - galaktyki Wykład /2009, zima 23 CHARAKTERYSTYKA ODDZIAŁYWAŃ Wykład /2009, zima 24 12

13 Oddziaływanie grawitacyjne: Odgrywa decydującą rolę w zjawiskach astronomicznych dużej skali (w makroświecie), tworzy układy związane: planetarne, gromady gwiazd, galaktyki. Jest najsłabsze ze wszystkich oddziaływań lecz długozasięgowe. Jest zawsze przyciągające. Źródłem pola grawitacyjnego jest masa grawitacyjna. Wykład /2009, zima 25 Prawo powszechnego ciążenia (Newtona) opisuje oddziaływanie grawitacyjne pomiędzy dwiema masami m 1 i m 2 umieszczonymi w odległości r siła m m F G r Stała uniwersalna G=(6,6720±0.0041) N m 2 kg -2 Wykład /2009, zima 26 13

14 Oddziaływanie elektromagnetyczne: Odgrywa decydującą rolę w mikroświecie, w zjawiskach, takich jak emisja i absorpcja światła, sprężystość, tarcie, spójność; leży u podstaw procesów chemicznych i biologicznych; jest odpowiedzialne za wiązanie jąder atomowych i elektronów w trwałe układy: atomy, cząsteczki, kryształy. Występuje pomiędzy ładunkami elektrycznymi lub pomiędzy momentami magnetycznymi. Jest stosunkowo silne i długozasięgowe. Wykład /2009, zima 27 Prawo Coulomba opisuje oddziaływanie elektrostatyczne dwóch ładunków punktowych Q 1 i Q 2 znajdujących w odległości r od siebie 1 F 4 o Q Q r siła Przenikalność elektryczna próżni ε o =(8, ± ) C 2 N -1 m -2 Wykład /2009, zima 28 14

15 Zadanie 1-1 Pokaż, że stosunek siły oddziaływania elektrostatycznego do siły oddziaływania grawitacyjnego między dwoma elektronami wynosi około Zadanie 1-2 Rozważmy dwie kulki żelazne o masie 1 g każda, umieszczone w odległości 1 m od siebie. Przypuśćmy, że w obu kulek usuwamy co miliardowy elektron, wobec czego kulki uzyskują pewien ładunek dodatni. Z jaką siłą będą się odpychały kulki? Wykład /2009, zima 29 Oddziaływanie silne (jądrowe): Powoduje wiązanie nukleonów w trwałe układy jądra atomowe. Ma charakter krótkozasięgowy (10-15 m). Leptony (elektron, neutrino) nie podlegają temu oddziaływaniu. Hadrony (proton, neutron), kwarki, gluony uczestniczą w tym wiązaniu. Wykład /2009, zima 30 15

16 Oddziaływanie słabe: Narusza trwałość układów nukleonów. Powoduje rozpad β jąder atomowych i wielu cząstek elementarnych. Prawdopodobnie ma charakter krótkozasięgowy (<10-18 m). Nie tworzy układów związanych. proton Rozpad β neutron elektron neutrino Wykład /2009, zima 31 PODSTAWOWE ODDZIAŁYWANIA- UNIFIKACJA Elektryczność Magnetyzm Światło Rozpad beta Neutrina Protony Neutrony Piony Grawitacja Ziemi Mechanika Nieba 1864 Maxwell Elektromagnetyzm 1971Glashow,Salam,Weinberg Elektrosłabe oddziaływ. Słabe oddziaływania 1965 Feynman,Gell-Mann, Lederman, Schwartz,Steiberg 1935 Yukawa Silne oddziaływania 1973 Gross,Politzer,Wilczek (Nobel 2004) Uniwersalna Grawitacja Czasoprzestrzeń Model Standardowy 1687 (Newton) 1916 (Einstein) 1976 Glashow,Georgi, Guth Ogólna Teoria Względności Wykład /2009, zima 32? 16

17 Teoria a eksperyment w fizyce Wykład /2009, zima 33 POMIAR Wykład /2009, zima 34 17

18 Fizyka opiera się na pomiarach wielkości fizycznych. Każdą wielkość fizyczną mierzymy porównując ją ze wzorcem. Mierzoną wielkość wyrażamy w określonych jednostkach. Jednostka to nazwa miary danej wielkości. Wzorzec zawiera dokładnie jedną (1,0) jednostkę wielkości. Wykład /2009, zima 35 Przykład pomiaru 0 1m 2m 3m 4m 5m 6m 7m 8m 9m 10m Wykład /2009, zima 36 18

19 Międzynarodowy układ jednostek SI W 1971 r., na XIV Konferencji Ogólnej ds. Miar i Wag dokonano wyboru siedmiu podstawowych wielkości fizycznych (nadając im jednostkę), tworząc w ten sposób układ SI (fr. Système Internationale): długość (metr) czas (sekunda) masa (kilogram) natężenie prądu elektrycznego (amper) temperatura termodynamiczna (kelwin) ilość substancji (mol) światłość (kandela) Wykład /2009, zima 37 Zadanie 1-3 Zapoznać się z treścią DODATKU A (podręcznik HRW tom I). Zwrócić szczególną uwagę na definicje jednostek podstawowych układu SI Zapamiętać jednostki i ich symbole a definicje przepisać (nie uczyć się na pamięć) Wykład /2009, zima 38 19

20 Jednostki pochodne Za pomocą jednostek podstawowych definiuje się wiele jednostek pochodnych: niuton (1N), dżul (1J), wat (1W), weber (1Wb), itd. Czy wiesz jakich wielkości fizycznych są to jednostki? Wykład /2009, zima 39 Sprowadzanie jednostek pochodnych do podstawowych Wybór wzoru, np. dla 1N - jednostki siły jest to F = ma przyspieszenie siła masa czyli [F] = [m] [a], gdzie symbol [ ] oznacza jednostkę zatem 1N = 1 kg m/s 2 Wykład /2009, zima 40 20

21 DEFINICJA Jeden niuton 1N jest to siła, jaka nadaje masie 1 kilograma przyspieszenie 1 m/s 2. Wykład /2009, zima 41 Stosując omówiony schemat zdefiniuj następujące jednostki: 1J 1 W Zadanie 1-4 Wykład /2009, zima 42 21

22 10-2 Zapis dużych i małych liczb Czynnik Przedrostek Symbol 10 9 giga G 10 6 mega M 10 3 kilo k centy 10-3 mili m 10-6 mikro μ 10-9 nano n piko p Wykład /2009, zima 43 c Przykłady m = 3, m = 3,56 Gm 0, s = 4, s = 4, s = 4, s = 0, s = 0,492 μs Wykład /2009, zima 44 22

23 Zadanie Zapoznaj się z tabelą przedrostków jednostek układu SI (Tab.1.2, HRW,I) 2. Odpowiedz na pytanie co to jest: 1fs =. 1 THz =. 1 am =. 3. Ile nanometrów ma 1 Gm? Ile EHz ma 1pHz? Wykład /2009, zima 45 Zamiana jednostek Mnożymy wynik pomiaru przez współczynnik przeliczeniowy, czyli równy jedności stosunek wielkości wyrażonej w różnych jednostkach, np. 1 min 60 s 60s 1 1 1min Wykład /2009, zima 46 23

24 Przykłady 1. Zamienić 3 min na sekundy 60 s 1 min 3 min = (3 min) (1) = (3 min) = 180 s Wykład /2009, zima 47 Zadanie 1-6 Jednostką energii w układzie SI jest dżul [J]. W fizyce jądrowej oraz w fizyce ciała stałego korzysta się z jednostki elektronowolt (ev) gdzie 1 ev odpowiada energii uzyskanej przez elektron (jego ładunek w układzie SI wynosi 1,6*10-19 C) przebywający różnicę potencjału 1 volta. Zatem 1 (ev) = 1,6x (J) Proszę określić w dżulach energię odpowiadającą 2,5 ev (energia fotonów z zakresu widzialnego światła) oraz energię odpowiadającą 200 MeV (energia wyzwalana przy rozpadzie jądra uranu). Wykład /2009, zima 48 24

25 Rząd wielkości Rzędem wielkości nazywamy wykładnik potęgi liczby 10, gdy daną wielkość wyrażamy w ten sposób, że przed potęgą stoi cyfra z przedziału od 1 do 9. Przykład: A=2, B=7, Rząd: 4 Najbliższy rząd wielkości: 4 dla A i 5 dla B Wykład /2009, zima 49 Zadanie 1.6 c.d. Energię fotonu określa jego długość fali poprzez relację: E=h. c/ gdzie h jest stałą Plancka równą 6,626x10-34 (J. s), c prędkością światła równą 2,997x10 8 (m/s), natomiast długością fali dla tego fotonu. Proszę określić wartość długości fali w mikrometrach oraz rząd wielkości dla fotonów o energiach z zadania 1.6. Jaką ilość liczb znaczących przypisać można wyliczonej długości fali? Wykład /2009, zima 50 25

26 Zadanie 1-7 Największy na świecie kłębek sznurka ma promień około 2 m. Ile wynosi co do najbliższego rzędu wielkości całkowita długość sznurka w tym kłębku? Wykład /2009, zima 51 Cyfry znaczące i cyfry po przecinku Zaokrąglając liczbę 11,3516 do trzech cyfr znaczących otrzymujemy: 11,4 Liczby 3,15 i 3, mają ilość cyfr znaczących tę samą Wykład /2009, zima 52 26

27 Czym różnią się liczby? 35,6 3,56 0,00356 Mają tę samą liczbę cyfr znaczących lecz różnią się liczbą cyfr po przecinku Wykład /2009, zima 53 TEST 1 1. Jedna nanosekunda to: A) 10 9 s B) 10-9 s C) s D )10-10 s E) s 2. Jeden gram jest to: A) 10-6 kg B) 10-3 kg C) 1 kg D )10 3 kg E) 10 6 kg 3. (5.0 x 10 4 ) x (3.0 x 10-6 ) = A) 1.5 x 10-3 B) 1.5 x 10-1 C) 1.5 x 10 1 D ) 1.5 x 10 3 E) 1.5 x 10 5 Wykład /2009, zima 54 27

28 TEST 1P 4. (5.0 x 10 5 ) + (3.0 x 10 6 ) = A) 8.0 x 10 5 B) 8.0 x 10 6 C) 5.3 x 10 5 D ) 3.5 x 10 5 E) 3.5 x Liczba cyfr znaczących w liczbie wynosi: A) 2 B) 3 C) 4 D ) 5 E) 6 6. Walec o promieniu podstawy 2.3 cm i wysokości 1.4 cm ma całkowitą powierzchnię równą: A) 1.7 x 10-3 m 2 B) 3.2 x 10-3 m 2 C) 2.0 x 10-3 m 3 D ) 5.3 x 10-3 m 2 E) 7.4 x 10-3 m 2 Wykład /2009, zima 55 PODSUMOWANIE: 1.Fizyka to wielkie teorie ale nie tylko. 2.Fizyka opiera się na pomiarach. 3.Wynik pomiaru podajemy jako rozsądną liczbę (z odpowiednią dokładnością) wraz z jednostką. Wykład /2009, zima 56 28