Instytut Fizyki FIZYKA I Notatki do wykładów dla I roku Wydziału Inżynierii Środowiska PWr Studia dzienne I stopnia Semestr zimowy, rok akademicki 2007/08 Autor: dr hab. inż. Włodzimierz Salejda, prof. nadzw. PWr e-mail: wlodzimierz.salejda@pwr.wroc.pl tel.sł.3202020 strona domowa: http://www.if.pwr.wroc.pl/ wsalejda Wrocław, październik 2007 r.
WYKŁAD 0 Fizyka a postęp cywilizacyjny Wiedza i technologia to główne siły napędowe postępu cywilizacyjnego obserwowanego obecnie w krajachwysokorozwiniętycheuropy,dalekiegowschoduiamerykipółnocnej 1.Wprocesietymznaczącą rolę odgrywa wiedza fizyczna, ponieważ osiągnięcia fizyki nowożytnej(od XVI wieku) przyczyniły się w decydującej mierze do dokonania najważniejszych wynalazków i spowodowały wiele istotnych wydarzeń w historii. Do najważniejszych wynalazków zaliczamy wynalezienie: baterii elektrycznej(1800), lodówki(1850), silnika benzynowego(1885), samolotu(1903), tranzystora(1948), sztucznego satelity(1957), minikomputera(1960). W grupie najważniejszych wydarzeń należy odnotować udoskonalenie silnika parowego przez Jamesa Watta(1775), uruchomienie masowej produkcji samochodów przez Henry Forda(1903) oraz zrzucenie bomb atomowych na Japonię(1945). W rozwoju nauki i techniki wiodącą rolę odgrywały badania podstawowe i odkrycia dokonane przez fizyków takich, jak: Galileo Galilei(1564 1642), Isaac Newton(1645 1727), Dmitrij Mendelejew (1834 1907), Ernest Rutherford(1871 1937), Albert Einstein(1879 1953), Niels Bohr(1885 1962), Edwin Powell Hubble(1889 1953), Werner Heisenberg(1901 76), Edwin Schrödinger(1887-1961), Enrico Fermi(1901 54) oraz Richard Feynman(1918 1988). Mechanika kwantowa była pierwszą i najważniejszą rewolucją naukową XX wieku, która utorowała drogę rewolucji informatycznej i rewolucji w biologii molekularnej. Prace w zakresie kwantowej fizyki ciała stałego zaowocowały wynalezieniem tranzystora(1948, John Bardeen(1908 1991), Walter Hauser Brattain(1902 87), William Shockley(1910 89)), co pociągnęło za sobą opracowanie technologii litograficznych, technik produkcji obwodów scalonych, skonstruowanie procesorów oraz mikroprocesorów. W 2000 roku nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali prekursorzy rewolucjiinformatycznej:zhoresalferov 2 (1930),HerbertKroemer 3 (1928)iJackKilby 4 (1923).Dwaj pierwsi zostali uhonorowani za pionierskie prace nad półprzewodnikowymi heterostrukturami stosowanymi obecnie w superszybkich urządzeniach elektronicznych i optoelektronicznych, a J. Kilby za wynalezienie układów scalonych(co zainicjowało, trwający do dzisiaj, proces ich miniaturyzacji; mikroprocesory firm Intel i AMD zawierają obecnie ponad 30 milionów tranzystorów upakowanych napowierzchniniewiększejod1cm 2.).Osiągnięciaipracewyżejwymienionychnoblistówstworzyły podstawy fizyczne, na których oparty jest obecny przemysł komputerowy. W roku 2001 Erica Cornella, Wolfganga Ketterle i Carla Wiemana wyróżniono nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za otrzymanie nowego czysto kwantowego stanu materii kondensatu Bosego-Einsteina 5 ibadanianadjegoniecodziennymiwłaściwościami. LauretaminagrodyNoblazfizykiw2003r.zostaliAleksyAbrikosov 6,VitalijGinzburgorazAnthonyLeggett 7,którychuhonorowanozapionierskiwkładdoteoriinadprzewodnictwainadciekłości. 1 PatrztakżerozdziałzatytułowanyOcalinasnaukazamieszczonypodkoniectegoopracowania. 2 Opracowałpodstawyfizycznedziałanialaserapółprzewodnikowego(1963),któryzbudowałiuruchomiłw 1970 roku na heterozłączu GaAs GaAlAs. 3 Twórcainżynieriiszczelinyenergetycznej.tj.materiałówpółprzewodnikowychzezmiennąszczelinąenergetyczną, której początki sięgają roku 1957. 4 Wspówynalazcaukładówscalonych,którychkoncepcjawysuniętazostaław1958roku.ObokJ.Kilbyzawspółwynalazcę układów scalonych uznawany jest Robert Noyce(zmarł w 1990 roku), który zainicjował ich produkcję w technologii planarnej na bazie krzemu(zamiast germanu). 5 Wbardzoniskichtemperaturachatomymetalialkalicznychkondensująwstankawntowy. 6 Nazaproszenieprof.JerzegoCzerwonki,ówczesnegodyrektoraInstytutuFizyki,gościłweWrocławiu.Szerzejpisze o tym J. Czerwonko w broszurze pt. Goście naszego Instytutu(w najweselszym baraku obozu), Oficyna Wydawnicza PWr, 2004. 7 Nazaproszenieprof.JerzegoCzerwonki,ówczesnegodyrektoraInstytutuFizyki,przebywałmiwsiącweWrocławiu. Opisuje to J. Czerwonko w broszurze pt. Goście naszego Instytutu(w najweselszym baraku obozu), Oficyna Wydawnicza PWr, 2004. 2
Warto zwrócić uwagę, że wymienione wyżej wybrane nagrody Nobla dotyczą badań podstawowych w zakresie fizyki fazy skondensowanej. A. Einstein w latach 1916 17 sformułował kwantową teorię promieniownia. Umożliwiło to skonstruowanie masera w 1958 roku dla mikrofal(charles Townes(1915) i Arthur Schawlow(1921)) i lasera w 1962 roku(teodor Maiman). Wynalazki te przyczyniły się to do rozwoju technik światłowodowych, na których oparta jest globalna telekomunikacja naziemna oraz sieci komputerowe. Lasery są wykorzystywane w odtwarzaczach płyt kompaktowych, w mikrokomputerach do zapisu i odczytu informacji. Znajdują szerokie zastosowanie w medycynie(okulistyka, diagnostyka, chirurgia, endoskopy, laseroterapia, diagnostyka medyczna). W ostatniej dekadzie XX wieku dokonano kolejnych spektakularnych osiągnięć w dziedzinie elektroniki kwantowej. Pierwsza niebieska dioda zaświeciła w 1993 roku. Shuji Nakamura skonstruował niebieski laser w 1995 roku, emitujący falę o długości 420nm=4,2 10 7 m.stwarzatonowetechnologiczneikomercyjnemożliwościzastosowań(np. znaczne zwiększenie gęstości zapisu informacji na nośnikach optycznych typu DVD, produkcja kolorowych dysplejów i drukarek laserowych o dużej rozdzielczości). Postęp w dziedzinie technik opracowanych i używanych w fizyce fazy skondensowanej do badania struktury przestrzennej ciał stałych umożliwił opracowanie metod tomografii komputerowej(stosowanej w medycynie do tworzenia atlasu genów człowieka oraz do obrazowania tkanek i narządów), tomografii pozytonowej(obrazowanie tkanek i narządów za pomocą emisji pozytonów) oraz nieinwazyjnej metody obrazowania tkanek i narządów za pomocą rezonansu magnetycznego(tzw. rezonans magnetyczny), co było możliwe dzięki osiągnięciom fizyków w dziedzinie magnetycznego rezonansu jądrowego(nmr). Fizycy mają swój udział w rozwoju telekomunikacji satelitarnej(poprzez uczestnictwo w programach lotów kosmicznych), telefonii komórkowej oraz urządzeń elektronicznych powszechnego użytku. Fizycy pracujący na amerykańskich uniwersytetach byli w latach 70-ych XX wieku pionierami sieci komputerowych, których obecnym wcieleniem jest globalna sieć komputerowa Internet. Idea WWW, dzięki której w Internecie stały się dostępne multimedia, została zaproponowana wprawdzie przez matematyka Toma Bernersa-Lee go, ale zrealizowano ją po raz pierwszy w 1991 roku w Europejskim Centrum Badań Jądrowych w Zurichu(CERN). W najbardziej dynamicznie rozwijającym się obecnie w tempie wykładniczym przemyśle produkcjikomputerów 8,jużdzisiajwidocznesągranicerozwojutechnologiiopartychnakrzemieoraz dostrzega się konieczność opracowania nowych technik i technologii. Dotychczasowe osiągnięcia mechaniki kwantowej stwarzają realne perspektywy konstrukcji nowych komputerów, tzw. komputerów kwantowych, których możliwości przerastają znacznie moce obliczeniowe komputerów klasycznych. Wspomnieć należy inne znaczące osiągnięcia fizyków, którymi są: wynalezienie radia, telewizji i radaru, zbadanie struktury atomu i rozszczepienie jądra atomowego, odkrycie genu(nośnika informacji genetycznej) i struktury przestrzennej kwasu dezyksorybonukleinowego(dna). Obecne spektakularneosiągnięciabiologiimolekularnej,związanezrozszyfrowywaniemgenomuczłowieka 9, są konsekwencją rozwoju fizyki kwantowej. Jesteśmy przekonani, że w przyszłości fizyka będzie przyczyniała się także do rozwoju nauki i priorytetowych technologii XXI wieku, do których zaliczamy: mikroelektronikę, biotechnologię, inżynierię materiałową i przemysł nowych materiałów, telekomunikację, produkcję samolotów pasażerskich i narzędzi mechanicznych, robotykę i przemysł komputerowy(urządzenia i oprogramowanie). Przytoczone wyżej wybrane przykłady świadczą o tym, że wiedza fizyczna i metodologia fizyki stanowią podstawę teoretyczną techniki i technologii będących najważniejszymi przejawami rozwoju cywilizycyjnego. Dlatego też fizyka wchodzi do kanonu programu kształcenia w wyższych uczelniach technicznych. 8 MatematycznymwyrazemtegosąprawaMoore aipostacin(t k )=N(0)a tk,gdziea>1,an(t k )towartość zmiennejnwchwiliczasut k. 9 Wdniu12lutego2001rokudwieamerykańskiegrupybadawczezakomunikowałyotym,żezidentyfikowałyprawie 95%genówczłowieka,którychliczbęszacujesięna 30000. 3
Spis podręczników do kursów fizyki Podręczniki w języku polskim 1. A.V. Astachov, Kurs fizyki, t. I III, WNT, Warszawa 1990. 2. C. Bobrowski, Fizyka krótki kurs, WNT, Warszawa 1995. 3. W. Bogusz, J. Garbarczyk, F. Krok, Podstawy fizyki, Oficyna Wyd. Pol. Warszawskiej, 1997. 4. F.S. Crowford, Fale, PWN, Warszawa 1975. 5. Ćwiczenia laboratotyjne z fizyki, Cz. I IV, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 1996 99. Wersja elektroniczna podręcznika dostępna w Internecie pod adresem http://www.if.pwr.wroc.pl/dydaktyka/lpf/.(opisy cwiczeń i instrukcje robocze na stronie http://www.if.pwr.wroc.pl/lpf/) 6. R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands, Feynmana wykładu z fizyki, t. I II, PWN, Warszawa 1971 74 oraz wznowienia tomów wydane w latach 2002 2004; t. III, Mechanika kwantowa, PWN, Warszawa. 7. J. Gomułkiewicz, Wykłady z fizyki(w zarysie), Oficyna Wyd. PWr, 1995. 8. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki, t. I-V, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 2003; podręcznik podstawowy; www.pwn.com.pl. 9. J. Walker, Podstawy fizyki. Zbiór zadań, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 2005; www.pwn.com.pl. 10. D. Halliday, R. Resnick, Fizyka, PWN, Warszawa 1996. 11. A. Hennel, Zadania i problemy z fizyki, cz. I II, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 1997. 12. P.G. Hewitt, Fizyka wokół nas, PWN, Warszawa 2000. 13. L. Jacak, Krótki wykład z fizyki ogólnej, Oficyna Wyd. PWr, 1996, 1998, 2001. 14. A. Januszajtis, Fizyka dla Politechnik, cz. I III, PWN, Warszawa 1977 91. 15. B.N. Javorskij, A. A. Pinskij, Elementy fizyki, t. I, II, PWN, Warszawa 1976 77. 16. B.N. Javorskij i inni, Kurs fizyki, t. I III, PWN, Warszawa 1979. 17. K. Jezierski, B. Kołodka, K. Sierański, Wzory i prawa z objaśnieniami, cz. I III, Oficyna Wyd. Scripta, Wrocław 1995 2004. 18. K. Jezierski, B. Kołodka, K. Sierański, Zadania z rozwiązaniami, Oficyna Wyd. Scripta, Wrocław 1996. 19. K. Jezierski, B. Kołodka, K. Sierański, Zadania z rozwiązaniami. Część I. Skrypt do ćwiczeń z fizyki dla studentów I roku PWr, Oficyna Wyd. Scripta, Wrocław 1998. 20. K. Sierański, P. Sitarek, K.Jezierski, Repetytorium. Wzory i prawa z objaśnieniami, Oficyna Wyd. Scripta, Wrocław 2002. 21. K. Jezierski, K. Sierański, I. Szlufarska, Repetytorium. Zadania z rozwiązaniami, Oficyna Wyd. Scripta, Wrocław 1997 i 2003(uzupełnione wydanie) 22. C. Kittel, W.D. Knight, N.A. Ruderman, Mechanika, PWN, Warszawa 1973. 23. Z. Kleszczewski, Fizyka klasyczna, Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice 2001. 24. Z. Kleszczewski, Fizyka kwantowa, atomowa i ciała stałego, Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice 2000. 25. Z. Kleszczewski, Wybrane zagadnienia z optyki falowej, Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice 2004. 26. J. Massalski, M. Massalska, Fizyka dla inżynierów, t. I II, WNT, 1975 77. 27. J. Nowak, M. Zając, Optyka elementarna, Oficyna Wyd. PWr, 1998. 28. J. Orear,Fizyka, t. I II, WNT, Warszawa 1993. 29. A. Radosz, Cząstki i pola, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 1995. 4
30. W. Salejda, R. Poprawski, J. Misiewicz, L. Jacak, Fizyka dla wyższych szkół technicznych, Wrocław 2001. Całość e-podręcznika w przygotowaniu, w Internecie dostępny jest obecnie rozdział pt. Termodynamika, adres: http://www.if.pwr.wroc.pl/dydaktyka/podr/. 31. W. Salejda, M.H. Tyc, Zbiór zadań z fizyki, Wrocław 2001 podręcznik internetowy dostępny pod adresem http://www.if.pwr.wroc.pl/dydaktyka/zbior/. 32. I.W. Savieliev, Kurs fizyki, t. I III, WNT, Warszawa 1989; Wykłady z fizyki, t. I III, WNT, Warszawa, 1993. 33. S. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, t. I VI, PWN, Warszawa 1972 83. 34. E.H. Wichmann, Fizyka kwantowa, PWN, Warszawa 1973. 35. H. Wojewoda, Zadania z fizyki dla kandydatów na Politechnikę Wrocławską i studentów kursów fizyki elementarnej, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław 1997. 36. E. Wnuczak, Fizyka. Wybrane działy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 1995. 37. A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski, Wstęp do fizyki, t. I II, PWN, Warszawa 1984 91. 38. Zasoby i dokumenty dostępne w Internecie; wystarczy uruchomić przeglądarkę www.google.pl, podaćhasłoiwędrowaćpostronach,ściągaćinformacje,czytaćiczytać 10... Podręczniki w języku angielskim(nie przetłumaczone dotąd na polski) 39. H. Benson, University Physics, Revised Edition, Wiley, 1995. 40. D.C. Giancoli, Physics: principles with applications, Prentice Hall, 1998. 41. D.C. Giancoli, Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, Prentice Hall, 2000. 42. R.A. Serway, Physics for Scientists and Engineers, Saunders College Publishing, 1996. 43. H.D. Young, R.A. Freedman, Sears and Zemansky s University Physics with Modern Physics, Addison-Wesley, 2000. E-materiały do kursu fizyki(i nie tylko) dostępne w Internecie na stronach AGH im. S. Staszica wkrakowie. 1. Główna strona materiałów dydaktycznych AGH w Krakowie: http://www.dydaktyka.agh.edu.pl/. 2. Strona Ośrodka Edukacji Niestacjonarnej AGH: http://www.oen.agh.edu.pl/. 3. Strona Wydziału Fizyki i Techniki Jądrowej AGH: http://www.ftj.agh.edu.pl/. 4. Testy komputerowe z fizyki AGH: http://www.oen.agh.edu.pl/sti/fizyka/. 5. e-fizyka, AGH, kurs internetowy: http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/fizyka/a e fizyka/; http://www.ftj.agh.edu.pl/ kakol/efizyka/. 6. e-chemia, AGH: kurs internetowy: http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/chemia/a e chemia/. 7. Algebra liniowa i analiza matematyczna, AGH: http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/matematyka/a algebra analiza/. 8. Matematyka zakres I roku, AGH: http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/matematyka/a matem 1 rok/. 10 Przykładowopodaniehasłaphysicspowodujewyszukanieponad23900000miejscwciągu0,17s. 5
Literatura popularnonaukowa zalecana do kursów fizyki 1. R. Dawkins, Ślepy zegarmistrz, czyli, jak ewolucja dowodzi, że wiat nie został zaplanowany, PIW, Warszawa 1994. 2. I. Stewart, Czy Bóg gra w kości? Nowa matematyka chaosu, PWN, Warszawa 1994; www.pwn.com.pl. 3. S. Weinberg, Sen o teorii ostatecznej, Alkazar, 1994. 4. J. Barrow, Początek Wszechświata, CIS, Warszawa 1995. 5. P. Davies, Ostatnie trzy minuty, CIS, Warszawa 1995. 6. I. Nowikow, Czarne dziury i Wszechświat, Prószyński i S-ka, Warszawa 1995; www.proszynski.pl. 7. R. Penrose, Nowy umysl cesarza. O komputerach, umyśle i prawach fizyki, PWN, W-wa 1995. 8. R. Dawkins, Samolubny gen, Prószyński i S-ka, Warszawa 1996. 9. A. Dressler, Podróż do wielkiego atraktora. Badania przestrzeni międzygalaktycznej, Zysk i S-ka, Poznań, 1996. 10. L. Lederman, D. Teresi, Boska cząstka, Prószyński i S-ka, Warszawa 1996. 11. J. Gleick, Chaos. Narodziny nowej nauki, Zysk i S-ka, Poznań 1997. 12. J. Gribbin, W poszukiwaniu kota Schroedingera, Zysk i S-ka, Poznań 1997. 13.M.Kaku,Wizje,czylijaknaukazmieniświatwXXIwieku,PrószyńskiiS-ka,Warszawa1997. 14. R. Penrose, Makroświat, mikroświat, ludzki umysł, Prószyński i S-ka, Warszawa 1997. 15. C. Pichover, Czarne dziury, Amber, 1997. 16. A. Einstein, L. Infeld, Ewolucja fizyki, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998. 17. M. Gardner(redaktor wydania), Wielkie eseje w nauce, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998. 18. D. Goldsmith, Największa pomyłka Einsteina? Stała kosmologiczna i inne niewiadome w fizyce Wszechświata, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998. 19. J. Gribbin, Encyklopedia fizyki współczesnej, Amber, 1998. 20. J. Gribbin, Kosmologia, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998. 21. P. Halperin, Struktura Wszechświata, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998. 22. I. Nowikow, Rzeka czasu, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998. 23. B.K. Ridley, Czas, przestrzeń, rzeczy, CIS, Warszawa 1998. 24. E. Schroedinger, Czym jest życie?, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998. 25. S. Weinberg, Pierwsze trzy minuty. Współczesne poglądy na początki Wszechświata, Wydanie II, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998. 26. J. Bernstein, Teoria wszystkiego, Prószyński i S-ka, Warszawa 1999. 27. R.P. Brennan, Na ramionach olbrzymów, WNT, Warszawa 1999. 28. S. Chandrasekhar, Prawda i piękno. Estetyka i motywacja w nauce, Prószyński i S-ka, Warszawa 1999. 29. J. Gleick, Geniusz. Życie i nauka Richarda Feynmana, Zysk S-ka, Poznań, 1999. 30. J. Gribbin, Kotki Schroedingera, Zysk i S-ka, Poznań 1999. 31. J. Horgan, Koniec nauki, czyli o granicach wiedzy u schyłku ery naukowej, Prószyński i S-ka, Warszawa 1999. 32. G. Milburn, Inżynieria kwantowa, Prószyński i S-ka, Warszawa 1999. 33. C.P. Snow, Dwie kultury, Prószyński i S-ka, Warszawa 1999. 34. R. Feynman, Charakter praw fizycznych, Prószyński i S-ka, Warszawa 2000. 35. R. Gilmore, Alicja w krainie kwantów, Prószyński i S-ka, Warszawa 2000. 36. A.H. Guth, Wszechświat inflacyjny. W poszukiwaniu nowej teorii pochodzenia kosmosu, seria: Na ścieżkach nauki, Prószyński i S-ka, Warszawa 2002. 6
37. W.D. Hillis, Wzory na krzemowej płytce, CIS, Warszawa 2000. 38. A. Liddle, Wprowadzenie do kosmologii współczesnej, Prószyński i S-ka, Warszawa 2000. 39. F. Capra, Tao fizyki. W poszukiwaniu podobieństw między fizyką współczesną a mistycyzmem Wschodu, Wydanie II poprawione i uzupełnione, Biblioteka nowej myśli, Rebis, Poznań 2001. 40. E. Regis, Nanotechnologie. Narodziny nowej nauki, czyli świat cząsteczka po cząsteczce, seria: Na ścieżkach nauki, Prószyński i S-ka, Warszawa 2001. 41. A. Pais, Pan Bóg jest wyrafinowany... Nauka i życie Alberta Einsteina, Prószyński i S-ka, Warszawa 2001. 42. K. Ernst, Einstein na huśtawce, czyli fizyka zabaw, gier i zabawek, Prószyński i S-ka, W-wa 2001. 43. R. Gilmore, Alicja w Krainie Kwantów. Alegoria fizyki kwantowej, Prószyński i S-ka, W-wa 2001. 44. C.J. Hogan, Mała księga Wielkiego Wybuchu, Prószyński i S-ka, Warszawa 2003. 45. F.H. Shu, Galaktyki, gwiazdy, życie. Fizyka Wszechświata, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004. 46. S. Bajtlik, Kosmiczny alfabet, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004. 47. M.Heller, Kosmologia kwantowa, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004. 48. R. Zubrin, Narodziny cywilizacji kosmicznej, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004. 49. B. Greene, Piękno Wszechświata. Superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie teorii ostatecznej, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004. 50. M. Heller, Początek jest wszędzie. Nowa hipoteza pochodzenia Wszechświata, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004. 51. R. Dawkins, Rozplatanie tęczy. Nauka, złudzenia i apetyt na cuda, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004. 52. A. Lightman, Światło z przeszłości. Dzieje kosmologii współczesnej, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004. 53. J. Losee, Wprowadzenie do filozofii nauki, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004. 54. I. Steward, J. Cohen, Wytwory rzeczywistości. Ewolucja umysłu ciekawego, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004. 7
Metodologia fizyki W tym rozdziale zdefiniujemy pojęcie nauki, odpowiemy na pytanie co to jest fizyka, dokonamy jej historycznego podziału oraz przedstawimy metodologię fizyki. Rozpoczniemy od odpowiedzi na pytanie: Co to jest nauka? Rada Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego zaproponowała następujące określenie: Nauka to systematyczne przedsięwzięcie gromadzenia wiedzy o świecie i porządkowania tej wiedzy w zwartej postaci weryfikowalnych praw i teorii. Sukces i wiarygodność nauki są oparte na gotowości naukowców do: 1. Poddawania (wystawiania) swoich idei i wyników na niezależne sprawdzanie (weryfikowanie) 11 i odtwarzanie przez innych naukowców; wymaga to pełnej i otwartej wymiany danych, procedur i materiałów. 2. Porzucania (odstępowaniu) lub modyfikowania przyjętych wniosków, kiedy zostają one skonfrontowane z pełniejszymi lub bardziej wiarygodnymi dowodami doświadczalnymi 12. Stosowanie się do powyższych zasad dostarcza mechanizmu samokorekcji, który jest fundamentem wiarygodności nauki. Tak zdefiniowana nauka jest nazywana nauką twardą, co odpowiada w języku angielskim słowu science. Co to jest fizyka? Fizyka to podstawowa nauka przyrodnicza. Zajmuje się badaniem właściwości materii i zjawisk zachodzących we Wszechświecie oraz wykrywaniem ogólnych praw, którym te zjawiskapodlegają.podpojęciemwszechświaturozumiemydostępnydoświadczeniu 13 obszarczasoprzestrzeni. Nowożytną fizykę rozwijaną od wieku XVI do dzisiaj można podzielić na: 1. Fizykę klasyczną obejmującą mechanikę, termodynamikę i elektromagnetyzm. 2.Fizykępostklasyczną 14,doktórejzaliczamy:szczególnąiogólnąteorięwzględności,mechanikę kwantową(w tym fizykę: atomu, jądra atomowego, ciała stałego), elektrodynamikę kwantową, fizykę cząstek elementarnych i astrofizykę. Te dziedziny powstały w wieku XX. 11 Jesttopodstawowyatrybuttzw.twardejnauki,którajestotwarta,przeźroczysta,transparentna. 12 TwardanaukajestfalsyfikowalnawsensiezaproponowanymprzezK.Poppera. 13 Znaczenia terminów zredagowanych czcionką, jakiej użyto w słowie doświadczenie są podane w słowniku terminologicznym. 14 Zadatęnarodzinfizykipostklasycznejmożnaumownieprzyjąćrok1900(należącydowiekuXIX),kiedytoMax Planck podał wzór określający zależność spektralnej zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego od częstotliwości i temperatury. Miało to miejsce na dwóch zebraniach Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego, które odbyły sie w Berlinie 19 października i 14 grudnia 1900 roku. 8
Fizyka wypracowała odpowiednią metodologię, u podstaw której leży założenie o tym, że Wszechświat istnieje obiektywnie i jest poznawalny. Metodologia fizyki(credo fizyki, credo fizyka) polega na: obserwowaniu rzeczy(ciał) i zjawisk, wykonywaniu eksperymentów(także myślowych i komputerowych), wyciąganiu i formułowaniu wniosków w postaci możliwie ogólnych teorii, weryfikacji doświadczalnej tychże teorii. Obserwacje i eksperymentowanie stanowią domenę głównie fizyki doświadczalnej i związane są w naturalny sposób z planowaniem i projektowaniem doświadczeń. To z kolei wymaga twórczego myślenia(odgrywającego istotną rolę na etapie przygotowywania i przeprowadzania eksperymentów) oraz umiejętności abstrahowania polegającego na odróżnieniu istotnych od nieistotnych elementów i czynników w prowadzanych badaniach. Przed przystąpieniem do wykonywania doświadczeń należy skonstruować i zbudować stanowisko pomiarowe co pociąga za sobą konieczność stosowania bardzo złożonych i kosztownych przyrządów lub urządzeń. Przykładowo w USA na przełomie lat 80. i 90. XX wieku podjęto budowę największego i najdroższego instrumentu fizycznego zwanego Nadprzewodzącym Superakceleratorem, na którym miały być przeprowadzene kluczowe dla fizyki cząstek elementarnycheksperymenty.superakceleratornadawałbyprotonomenergiękinetycznąe k rzędu 10 13 ev=1,6 10 6 J,cooznaczałoby,żeichprędkośćbyłabyrzędu0,999999995c=(1 5 10 9 )c, gdzie c prędkość światła(podana wartość prędkości nie odpowiada liczbie v = 2E k /m protonu = 4,5 10 10 m/s,ponieważprzytakdużychenergiache k niemożnastosowaćfizykiklasycznejlecz dynamikę relatywistyczną). Projekt budowy przewidywał wydanie na ten cel ponad 5 mld dolarów. Jednakże w 1993 roku Kongres USA podjął decyzję i wstrzymaniu finansowania budowy superakceleratora mimo wydanie na ten cel w latach poprzednich 2 mld dolarów. Być może dalsze prace zostaną wznowione w niedalekiej przyszłości, ponieważ prezydentem USA jest George Walker Bush, były gubernator stanu Texas, na terytorium którego był budowany superakcelerator. Twórczemyślenieiwnioskowanieindukcyjnestanowiągłównądomenęfizykiteoretycznej 15 iodgrywają najistotniejszą rolę w procesie opracowywania wyników obserwacji i pomiarów. Wtedy poszukiwane są prawidłowości i porządek w danych doświadczalnych, formułowane są wnioski, hipotezy, uogólnienia, nowe pojęcia i idee, modele i teorie, prawa i zasady. Teorie fizyczne nie są li tylko prostą konsekwencją obserwacji i doświadczeń chociaż są wynikiem dążenia do ich wyjaśnienia, zracjonalizowania lub uporządkowania. Wyniki doświadczeń mogą inspirować formułowanie teorii fizycznych, któresąnastępnieakceptowanelubniewoparciuiobserwacjeieksperyment 16. 15 WtymkontekścielaureatnagrodyNoblaLeonLedermannapisał:Niewątpliwieteoretykomniezasłużenieprzypisuje się część zasług za dokonanie pewnych odkryć. Sekwencję teoretyk, eksperymentator, odkrycie porównywano czasem do sekwencji farmer, świnia, trufle. Farmer prowadzi świnię w okolice, gdzie być może rosną trufle. Świnia wytrwale ich szuka, wreszcie znajduje, a gdy zamierza je pożreć, farmer zabiera je dla siebie. 16 Wnaukachprzyrodniczychakceptowanesąteoriefalsyfikowalne,tj.takiektórychprzewidywaniaiwnioskimożna eksperymentalnie obalić, tj. wskazać na ich fałszywość. Mówimy wówczas, że dana teoria(model) została sfalsyfikowana. Jest to podejście o ograniczonym zakresie stosowalności z uwagi na to, że wyniki pomiarów są obarczone niepewnościami pomiarowymi. W tym sensie absolutnie dokładne potwierdzenie lub obalenie danej teorii fizycznej nie jest możliwe. Jak widzimy obserwacja i doświadczenie to źródła poznania i poznawania przyrody, a zarazem kryterium jej poznawalności. 9
W celu zrozumienia grupy podobnych zjawisk fizycznych lub właściwości obiektów posługujemy się modelami i modelowaniem. Pod pojęciem modelu rozumiemy zarówno teoretyczny jak i fizyczny obiekt, którego obserwacja lub analiza ułatwia i umożliwia poznanie właściwości lub rozwiązanie innego badanego obiektu lub zjawiska. Modele formułujemy w celu poglądowego i przybliżonego wyobrażenia sobie myślowego lub wizualnego obrazu obiektu lub zjawiska, jeśli nie wiemy co aktualnie dzieje się. Budujemy je na zasadzie analogii za pomocą obiektów lub pojęć, które są nam dobrze znane. Konstruując model idealizujemy badany układ lub zjawiska przyjmując określone założenia upraszczające. W tym celu stosujemy zasadę abstrahowania, tj. myślowego eliminowania wybranych właściwości oraz wpływu określonych czynników lub ich zmian na badane zjawisko lub obiekt. Najczęściej formułujemy modele teoretyczne(używającodpowiedniegoaparatumatematycznego 17 ),któresąhipotetycznąkonstrukcją myślową będącą uproszczonym obrazem badanego obiektu, układu ciał, zjawisk lub procesów uwzględniającym ich najistotniejsze właściwości. Modelowanie to doświadczalna lub matematyczna metoda badania układów i zjawisk fizycznych na podstawie skonstruowanych modeli. Modele teoretyczne badamy wykorzystując do tego celu aparat matematyczny oraz coraz częściej posługując się w tym celu metodami numerycznymi lub symulacjami wykonywanymi na komputerach. Przykładowo: model ruchu harmonicznego to matematyczna analogia nietłumionego ruchu drgającego wahadeł: matematycznego, fizycznego, skrętnego, masy podwieszonej do sprężyny, jak również drgań elektrycznych w układzie LC; model silnika cieplnego to wyidealizowana konstrukcja myślowa rzeczywistego silnika cieplnego; model gazu idealnego to hipotetyczna konstrukcja myślowa stworzona w celu zrozumienia właściwości gazów rzeczywistych; model płynu idealnego to myślowe wyobrażenie płynów ściśliwych i lepkich; model bryły sztywnej to hipotetyczna koncepcja nieodkształcalnego(niedeformowalneg) ciała stałego; model Bohra atomu wodoru to teoretyczna konstrukcja związanego układu złożonego z protonu oraz elektronu oddziaływujących ze sobą siłami elektrycznymi; standardowy model cząstek elementarnych to uproszczony obraz oddziaływań fundamentalnych i budowy materii na poziomie mikroskopowym; standardowy model rozszerzającego się Wszechświata to wyidealizowany scenariusz historii jego ewolucji. Teoria to usystematyzowany zbiór praw, zasad i twierdzeń(wiedza) pomocny w wyjaśnieniu określonego zbioru zjawisk lub właściwości badanych obiektów. Każda teoria posługuje się modelami oraz modelowaniem i ma na celu rozwiązanie określonej grupy zagadnień. Przykładem służą między innymi: atomistyczna teoria budowy materii, teoria względności(fizyka obiektów poruszających się z prędkościami bliskimi prędkości światła), teoria sprężystości, teoria pola elektromagnetycznego, teoria magnetyzmu, teoria grawitacji, teoria cząstek elementarnych. Prawo fizyczne opisuje prawidłowość występująca w przyrodzie. Jest wyrażane najczęściej w postaci zależności funkcyjnej między dwoma lub więcej wielkościami fizycznymi spełnionej w określonych warunkach. Przykładowo: prawa Kirchhoffa, prawa Keplera, prawo Archimedesa, prawo indukcji elektromagnetycznej Faraday a, prawo promieniowania Stefana-Boltzmanna. Wsród praw fizyki istnieją prawa szczególnie ważne, fundamentalne i uniwersalne zwane zasadami. Zasada jest wyrażana jako zdanie złożone z dwóch członów, z których pierwszy jest założeniem, a drugi tezą. Przykłady: zasady dynamiki Newtona, zasady zachowania energii, pędu, momentu pędu, pierwsza i druga zasada termodynamiki, zasada względności, zasada nieoznaczoności Heisenberga. 17 Językiemfizykijestmatematyka. 10
Warto w tym miejscu zwrócić uwagę na nowe możliwości eksperymentowania, symulowania zjawisk fizycznych, badania nierozwiązywalnych analitycznie zagadnień oraz weryfikacji teorii, jakie oferuje fizyka komputerowa. Jest to interdyscyplinarna dziedzina fizyki, która powstała na pograniczu fizyki teoretycznej, metod modelowania matematycznego(algorytmy i metody numeryczne), techniki komputerowej i informatyki(programowanie). Fizyka komputerowa rozwinęła się w ostatnich latach XX wieku i jest naturalną konsekwencją spektakularnego rozwoju przemysłu komputerowego, wzrostu mocy obliczeniowych komputerów, ich dostępności i łatwości posługiwania się. Jej narzędziami badawczymi są komputery. Coraz szybsze i bardziej wydajne maszyny cyfrowe pozwalają na prowadzenie eksperymentów komputerowych, projektowanie materiałów, symulowanie zjawisk i procesów fizycznych w warunkach ekstremalnych, nieosiągalnych w warunkach ziemskich lub niewykonalnych z uwagi na ogromne koszty realizacji. Ponadto komputer jest niezwykle cennym narzędziem w przypadkachanalizowaniazagadnień 18,którychdokładnychrozwiązańnieznamy.Fizykakomputerowa umożliwia wyznaczanie przybliżonych rozwiązań problemów nierozwiązywalnych analitycznie. Wymaga to od fizyka(komputerowego) dobrej znajomości analizy numerycznej(w celu wyboru odpowiedniej metody lub algorytmu) oraz języka programowania(umożliwiającego zapisanie algorytmu w postaci procedury zrozumiałej dla komputera). W tym kopntekście należy zwrócić uwagę na fizykę przetwarzania informacji, której głównym celem jest skonstruowanie komputera kwantowego podstawowego narzędzia informatyki kwantowej. Jak widzimy metodologia fizyki polega na obserwacji zjawisk i procesów, prowadzeniu doświadczeń, wykonywaniu pomiarów, wysuwaniu nowych koncepcji, pojęć oraz idei, stawianiu hipotez, odkrywanie praw i zasad, budowaniu modeli oraz teorii, które następnie stosowane są do przewidywania właściwości materiałów lub przebiegu zjawisk(niezbędnych także do produkcji dóbr materialnych). Teorie fizyczne poddawane są weryfikacji pod kątem ich zgodności z rzeczywistością(mówimy, że poddawanesąweryfikacjidoświadczalnej) 19.Wtensposóbmamydoczynieniazsamouzgodnionym procesem poznawania przyrody będącym istotą metodologii fizyki. Jest to właściwe zespolenie praktyki z teorią, bo jak twierdził Richard Feynman: You do not know anything until you have practiced. Warto w tym miejscu wskazać dziedziny, którymi fizyka nie zajmuje się. Są to między: teoria absolutu, numerologia, astrologia, psychokineza, czarnoksięstwo, jasnowidztwo, telepatia, spirytualizm, życie pozagrobowe, wróżbiarstwo(w tym przewidywanie końca świata), zjawiska nadprzyrodzone, magia, ufologia. Wymienione dyscypliny nie są przedmiotem zainteresowania fizyki, ponieważ leżą poza zasięgiem jej metodologii. Wprawdzie fizyka nie zajmuje się teologią, ale w jej orbicie zainteresowańznajdujesietoelogia 20 18 Jesttozazwyczajproblemmatematycznysformułowanyzapomocąrównańalgebraicznych,wyrażeńzawierających pochodne(zwyczajne lub cząstkowe) całki, równań różniczkowych, układów równań(liniowych lub nieliniowych, algebraicznych lub różniczkowych). 19 Możnatokrótkoskwitowaćstwierdzeniem:Fizyknieuwierzy,dopókiniezmierzy. 20 NeologizmwywodzącysięodangielskiejnazwyTheoryofEverythink(TOE),tj.teoriiwszystkiego(teoriiostatecznej). Podkreślmy jednak, że różnica między teologią a toelogią jest zasadnicza. Jak między słowami hipoteza ihipoteka. 11
Wielkości fizyczne Podejmiemy teraz próbę prostego zdefiniowania pojęcia wielkości fizycznej oraz przedstawimy przyjęty w fizyce podział na wielkości podstawowe i pochodne. Pod pojęciem wielkości fizycznej X rozumiemy właściwość obiektu lub zjawiska, którą można porównać ilościowo(mówimy krótko zmierzyć) z taką samą właściwością innego obiektu lub zjawiska. W tym określeniu podana jest jednocześnie definicja pomiaru, który polega na ilościowym porównaniu danej(mówimy mierzonej) wielkości fizycznej z wielkością przyjętą za wzorzec(zazwyczaj odczytywaną lub wskazywaną przez przyrząd). Tak więc wielkość fizyczna to właściwość obiektu lub zjawiska fizycznego, którą można zmierzyć. Wielkości fizyczne dzielimy na podstawowe, pomocnicze i pochodne. W charakterze wielkości podstawowych wybieramy te, które dzięki odpowiednim przyrządom i technice pomiarowej można możliwie precyzyjnie zmierzyć, a wzorce ich jednostek możliwie prosto i dokładnie odtwarzać. Zbiór wielkości podstawowych jest ustalany umowami międzynarodowymi(patrz dalej). W SI wielkościami podstawowymi są: czas, długość, masa, temperatura, natężenie prądu, światłość oraz ilość materii, a wielkościami pomocniczymi: kąt płaski i kąt przestrzenny. Jednostki miar wielkości podstawowych są w SI jednoznacznie zdefiniowane(patrz słownik terminologiczny oraz podane dalej definicje jednostki miar wielkości podstawowych) i zatwierdzone przez międzynarodową konferencję, która odbyła się w 1991 roku. Używane są także wielokrotności lub podwielokrotności tych jednostek(patrz tabela). 12
Definicje jednostek miary podstawowych wielkości fizycznych w SI METR(m) jednostka miary długości Metr jest to długość drogi przebytej przez światło w czasie(1/299792458) sekundy. KILOGRAM(kg) jednostka miary masy Kilogram to masa cylindra wykonanego ze stopu platyny i irydu, przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w pobliżu Paryża. SEKUNDA(s) jednostka miary czasu Sekunda jest to czas trwania 9 192 631 770 okresów promieniowania elektromagnetycznego emitowanego podczas przejścia elektronu między jednoznacznie określonymi poziomamienergetycznymiatomucezu( 133 55Cs). KELWIN(K) jednostka miary temperatura Kelwin to 1/273, 16 część temperatury punktu potrójnego wody. AMPER(A) jednostka miary natężenia prądu Amper to natężenie prądu płynącego w dwóch długich, równoległych przewodnikach, odległych o 1 metr, znajdujących się w próżni, powodującego powstanie siły oddziaływaniamagnetycznegomiędzytymiprzewodnikamiwynoszącej2,0 10 7 Newtona na każdy metr ich długości. KANDELA(cd) jednostka miary światłości Kandela to natężenie promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości 5,4 10 14 Hzimocy1/683wataemitowanejprzezźródłowkątbryłowyrównyjednemy steradianowi. MOL(mol) jednostka miary ilości materii Mol to ilość materii, w której liczba molekuł jest równa liczbie atomów zawartych w0,012kgwęgla 12 C.LiczbatychatomówjestrównaliczbieAvogadroiN A 6,022 10 23 molekuł/mol. RADIAN(rd) jednostka miary kąta płaskiego Radian jest to kąt płaski i wierzchołku umieszczonym w środku okręgu, którego ramiona wyznaczają na okręgu łuk i długości równej promieniowi tego okręgu. STERADIAN(sr) jednostka miary kąta sferycznego Steradian jest to kąt sferyczny(bryłowy) o wierzchołku umieszczonym w środku sfery, wyznaczający na jej powierzchni wycinek, którego pole jest równe kwadratowi promienia tej sfery. 13
Analiza wymiarowa Każdawielkośćfizyczna 21 Xmaokreślonywymiar,któryoznaczajejfizycznąnaturę. [X] to symbol wymiaru wielkości fizycznej X. Wymiar wielkości podstawowych jest określany za pomocą definicji tychże wielkości. Wymiary wielkości podstawowych: długość, czas i masa umownie oznacza się za pomocą symboli, odpowiednio,l,tim. Wymiar[X] pochodnej wielkości fizycznej X jest: określany za pomocą praw lub zasad fizycznych, wyrażany jako iloczyn lub iloraz podstawowych wielkości fizycznych, podniesionych do odpowiednich potęg. Przykład1.Pędtowektor p=m v [p]=ml/t(bo[v]=l/t). Przykład2.Wymiar F:[F]=ML/T 2,ponieważ F=m a,i a przyspieszenie. Analiza wymiarowa oparta jest na następującej własności: Wymiar wielkości fizycznej to wielkość algebraiczna Reguły analizy wymiarowej R1. Wielkości fizyczne mogą być dodawane lub odejmowane pod warunkiem, że mają ten sam wymiar. R2. Wymiary strony lewej i prawej poprawnie sformułowanej równości powinny być takie same. R1oznacza,żeniemożnadodawaćdosiebienp.długościimasy,R2mówi,żeniemożnaichzesobą porównywać. Przykład 1. Czy poprawnym jest wzór s=constat 2, określający zależność przebytej drogi s od czasu w ruchu jednostajnie przyspieszonym z przyspieszeniem a bez prędkości początkowej. Rozwiązanie:[s]=L,awymiarprawejstrony[at 2 ]=[a][t 2 ]=(L/T 2 )T 2 =L. Odpowiedź: wzór jest poprawna z dokładnością do bezwymiarowego czynnika const. 21 Konwencja:dużymiliteramibędziemyoznaczaliwielkościfizyczne. 14
Zastosowanie analizy wymiarowej w celu wyznaczenia postaci zależności funkcyjne typu iloczynowego między kilkoma wielkościami fizycznymi. Przykład 2. Załóżmy, że hipotetyczna zależność między przyspieszeniem a ciała wykonującego ruchpookręguopromieniurzestałąprędkościąv>0jesttypu Jakiesąwartościwykładnikówαiβ? a= v α R β. Rozwiązanie:skorzystamyzR2 [a]=lt 2,tensamwymiarpowinnamiećprawastronawzoru (L/T) α L β =L α+β T α α+β=1i α= 2. Odpowiedź:α=2,β= 1i a= v 2 R 1 = v 2 /R. Przykład 3. Uniwersalne stałe przyrody: stałagrawitacjig=6,67 10 11 m 3 /(kg s 2 )i[g]=l 3 M 1 T 2, staładiraca h=h/2π=1,06 10 34 kg m 2 /s,gdzieh=6,63 10 34 kg m 2 /s stałaplancka i[ h]=m 1 L 2 T 1, prędkośćświatłac=3,0 10 8 m/si[c]=l 1 T 1. Korzystajączanalizywymiarowejutworzyćznichwielkości:(1)t P (czasplancka),(2)l P (długość Plancka),(3)m P (masaplancka)iwymiarach,odpowiednio,czasu,długościimasy. Ws-ka.Założyć,żet P =G α h β c γ. Rozwiązanie:Załóżmy,żem p =G α h β c γ.popodstawieniuwymiarówwielkościzlewejstrony równości otrzymujemy L 3α M α T 2α M β L 2β T β L γ T γ =M 1 L 0 T 0. Stąd wynika układ równań: 3α+2β+γ=0, α+β=1, 2α β γ=0, którego rozwiązaniami są: β=γ= α=1/2. Odpowiedź:m P = h c G. 15
Szacowanie wartości wielkości fizycznych W wielu zagadnieniach interesuje nas przybliżona wartość rozpatrywanej wielkości fizycznej X. Może to być spowodowane tym, że wyznaczenie dokładnej wartości trwałoby długo lub wymagałoby dodatkowych informacji lub danych, którymi nie dysponujemy lub są nam niepotrzebne. W innych przypadkach chcemy jedynie mieć grube oszacowanie wartości wielkości fizycznej z dokładnością, jak mówimy, co do rzędu. Szacowanie prowadzimy w ten sposób, że liczby określające miary stosowanych wielkości fizycznych w wybranym układzie jednostek(si) zaokrąglamy do jednej cyfry znaczącej i zapisujemy je wpostacidziesiętnej(np.l=4200mjakol 4,0 10 3 m,at=3600sjakot 4,0 10 3 s).następnie na tak otrzymanych liczbach dokonujemy operacji algebraicznych i otrzymany wynik zapisujemy ponownie w postaci dziesiętnej z jedną cyfrą znaczącą. Przykładowo, jeśli szacujemy rząd wartość prędkościv=l/t,gdziel=2160000mit=3600s,towszacowaniachkładziemyl 2,0 10 6 m, t 4,0 10 3 siotrzymujemyv 2,0 10 6 /4,0 10 3 =0,5 10 3 =5,0 10 2 m/s. Przykład. Spróbujmy oszacować grubość d kartki papieru trzymanej w rękach książki, której grubośćdjestrówna4,4cm,aliczbanzawartychwniejstronwynosi1515.wtedyszacunkowawartość grubościpojedynczejkartkiwynosid=d/n=4,4 10 2 /1515 4,0 10 2 /2,0 10 3 =2,0 10 5 m. Oznaczato,żegrubośćkartkijestrzędusetnychczęści(dokładniej2,0 10 2 )milimetra. Zadanie. Oszacować liczbę:(a) oddechów człowieka w ciągu jego życia,(b) uderzeń serca w ciągu życiaczłowieka,ęatomóww1m 3 ciałastałego(przyjąć,żeśrednicaatomujestrzędu10 10 m),(d) oszacować powierzchnię i objętość swego ciała. 16
Nazwy przedrostków Czynnik Przedrostek Symbol 10 24 jotta Y 10 21 zetta Z 10 18 eksa E 10 15 peta P 10 12 tera T 10 9 giga G 10 6 mega M 10 3 kilo k 10 2 hekto h 10 1 deka da 10 1 decy d 10 2 centy c 10 3 mili m 10 6 mikro µ 10 9 nano n 10 12 piko p 10 15 fempto f 10 18 atto a 10 21 zepto z 10 24 jokto y 17
Wybrane dane i Wszechświecie Pod pojęciem Wszechświatu rozumiemy dostępny doświadczeniu obszar czasoprzestrzeni. Podstawowe dane dotyczące rozmiaru, wieku i składu Wszechświata areny obiektów i zjawisk fizycznych. Wiek Wszechświata(słowa te pisane są na początku XXI w.) (4,7±1,6) 10 17 sekund=(15±5)miliardówlat. Rozmiaryliniowe 22 Wszechświata (1,4±0,5) 10 26 metrów. Wszechświat wypełnia materia występująca pod postacią cząstek masowych i bezmasowych. Liczba cząstek masowych we Wszechświecie(nukleonów: protonów i neutronów),jestrzędu10 78. Liczbafotonów(cząstekbezmasowych)jestrzędu10 87. Szacuje się, że w jednym metrze sześciennym znajduje sie średnio 1/10 nukleonu 23 oraz10 9 fotonów. Wszechświat jest obiektem dynamicznym, ponieważ rozszerza się o czym świadczą obecne dane astrofizyczne i radioastronomiczne. 22 Jesttowynikdziałania3600 24 365,25 1,0 10 10 s 3,0 10 8 m/s=0,947 10 26 metraoraz3600 24 365,25 2,0 10 10 s 3,0 10 8 m/s=1,894 10 26 metra;średniaarytmetycznatychwynikówjestrówna3600 24 365,25 1,5 10 10 s 3,0 10 8 m/s=1,4 10 26 metra. 23 Oznaczato,żew10m 3 znajdujesięjedenproton. 18
Charakterystyczne odległości i rozmiary wybranych obiektów Obiekt Odległość (m) PromieńWszechświata 2 10 26 Najodleglejsza galaktyka odkrytawlutym2004r 1,2 10 26 GalaktykaAndromedy 2,0 10 22 Najbliższa gwiazda ProximaCentauri 4,0 10 16 Rokświetlny 9,46 10 15 Słońce 1,5 10 11 Księżyc 3,8 10 8 ŚrednicaZiemi 6,4 10 6 Odległość sztucznego satelityodpowierzchniziemi 2,0 10 5 Rozmiarliniowymuchy 5,0 10 3 Rozmiarliniowypyłkukurzu 10 4 Rozmiarliniowybakterii 10 5 10 6 Rozmiarliniowywirusów 10 7 10 8 Średnicaatomuwodoru 10 10 Średnicajądraatomu 10 14 Średnicaprotonu 10 15 Średnicakwarka 10 18 DługośćPlancka 1,6 10 35 Rozpiętość 61 rzędów wielkości. 19
Charakterystyczne czasy wybranych obiektów lub zjawisk fizycznych Obiekt Czas trwania(s) Czasżyciaprotonu 10 39 WiekWszechświata 4 10 17 (5 10 17 ) 13,7( 15mld.lat) WiekZiemi 1,3 10 17 Wiekstudenta(tki) 6,3 10 8 Rok 3,2 10 7 Doba 8,6 10 4 Okres między uderzeniami serca człowieka 0,8 10 1 Okres słyszalnej falidźwiękowej 1,0 10 3 Okresfaliradiowej 1,0 10 6 Okres drgań atomów wcielestałym 1,0 10 13 Okresfaliświetlnej 2,0 10 15 Czaszderzeniająder 1,0 10 22 Czas życia najbardziej nietrwałejcząstki 1,0 10 23 CzasPlancka 5,4 10 44 Rozpiętość 61 rzędów. 20
Charakterystyczne wartości mas wybranych obiektów Obiekt Masa (kg) Wszechświat 10 53 DrogaMleczna 2 10 41 Słońce 2 10 30 Ziemia 6 10 24 Księżyc 7 10 22 PlanetoidaEros 5 10 14 Niewielkagóra 1 10 12 Transatlantyk 7 10 7 Koń 1 10 3 Człowiek 7 10 1 Żaba 1 10 1 Winogrono 3 10 3 Komar 10 5 Ziarnkokurzu 7 10 10 Bakteria 10 15 Cząsteczkapenicyliny 5 10 17 Atomwodoru 1,67 10 27 Elektron 9,11 10 31 Rozpiętość 83 rzędy. Jednostkamasyatomowej 1,66 10 27 kg. 21
Wybrane wypowiedzi uczonych o fizyce i nauce 1.Naukętworzysięzfaktów,takjakdombudujesięzkamieni,leczzbiórfaktówniejestnauką, takjakstoskamieniniejestdomem. H. Poincare 2. Credo redukcjonizmu: Celem nauki jest poszukiwanie takiego prostego układu zasad fundamentalnych, za pomocą których można wyjaśnić znane fakty i przewidzieć nowe. Ponieważ cała materia składa się z tych samych podstawowych jednostek, ostateczne podstawy wszystkich nauk przyrodniczych muszą być oparte na prawach rządzących zachowaniem się tych cząstek elementarnych. T.D. Lee(noblista) 3. Nauka to raczej sposób myślenia niż zasób wiedzy. Jej celem jest odkrycie zasady rządzącej światem, poszukiwanie możliwych prawidłowości, penetrowanie związków między rzeczami od subjądrowych cząstek, z których być może składa się cała materia, do żyjących organizmów, społeczności ludzkich, aż po kosmos jako całość. Carl Sagan 4. Niezależnie od wszystkiego główna metoda prowadząca w nauce do celu polega na tym, by naprawdę się nad czymś zastanowić. Carl Sagan 5. Eksperyment oznacza obserwację i pomiar. Wymaga stworzenia specjalnych warunków, zapewniających dokonanie najbardziej owocnych obserwacji i precyzyjnych pomiarów. L. Lederman(noblista z 1988 r.), D. Teresi 6. O teoretykach i doświadczalnikach: Niewątpliwie teoretykom niezasłużenie przypisuje się część zasług za dokonanie pewnych odkryć. Sekwencja teoretyk, eksperymentator, odkrycie porównuje się czasami do sekwencji farmer, świnia, trufle. Farmer prowadzi świnię w okolice, gdzie być może, rosną trufle.-winia wytrwale ich szuka, a gdy zamierza je pożreć, farmer zabiera je dla siebie. L. Lederman(noblista z 1988 r.), D. Teresi 7. You do not know anything until you have practiced. Nie wiesz nic, dopóki nie doświadczysz (poćwiczysz, wypraktykujesz). Richard Feynman(noblista z 1965 r.) 8.Thescientistdoesnotstudynaturebecauseitisuseful;hestudiesitbecausehedelightsinit, andhedelightsinitbecauseitisbeautiful.ifnaturewerwnotbeautiful,itwouldnotbeworth knowing,andifnaturewerwnotworthknowing,lifewouldnotbeworthliving. Uczony nie bada przyrody dlatego, że jest to użyteczne; bada ją, bo sprawia mu to przyjemność, asprawiamuprzyjemność,boprzyrodajestpiękna.gdybyniebyłapiękna,niewartobyjej było poznawać, życie nie byłoby warte, aby je przeżyć.[...] mówię tutaj i owym wewnętrznym pięknie, płynącym z harmonijnego ładu części, uchwytnego dla czystego rozumu. H. Poincare 22
Fizyka wokół nas, Paul G. Hewitt, Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa 2000 r. Onauce [...] w XVI wieku polski astronom Kopernik wywołał spore zamieszanie publikując książkę, w której udowadniał, że Ziemia obraca się wokół nieruchomego Słońca. Ten obraz kłócił się z powszechnym wyobrażeniem, w myśl którego Ziemia jest środkiem Wszechświata. Był on również sprzeczny z nauczaniem Kościoła, który potępił te poglądy na 200 lat. Z kolei włoski fizyk Galileusz został aresztowany za popularyzowanie teorii Kopernika oraz inne odkrycia naukowe. Jeszcze wiek później obrońcy Kopernika nie doczekali się uznania. Historia lubi się powtarzać. We wczesnych latach XIX wieku geolodzy napotkali gwałtowny sprzeciw, gdy zakwestionowali biblijny sposób stworzenia świata. Później w połowie wieku uzyskali oni aprobatę, ale za to potępiona została teoria ewolucji, a jej nauczanie było zakazane. Każdy wiek ma swych intelektualnych buntowników, którzy przez jakiś czas byli prześladowani, potępiani i karani, a następnie okazywali się nieszkodliwi, a nawet istotnie przyczyniali się do poprawy warunków życia. Na każdym skrzyżowaniu dróg wiodących w przyszłość każdy duch postępu spotyka się z oporem ze strony strażników przeszłości. O metodzie naukowej Metoda naukowa została wprowadzona w XVI wieku i opiera się na następującym schemacie: 1. Sformułowanie problemu. 2. Postawienie hipotezy. 3. Przewidywanie konsekwencji hipotezy. 4. Przeprowadzenie eksperymentów potwierdzających przewidywania i hipotezę. 5. Sformułowanie najprostszej reguły, która łączy w jedną teorię trzy główne elementy: hipotezę, przewidywania, eksperyment. O postawie naukowej Uczeni muszą się godzić się z odkryciami doświadczalnymi, nawet jeśli one im nie odpowiadają. Musząonidążyćdotego,byodróżniaćto,cowidzą,odtego,cochcielibywidzieć,ponieważnaukowcy podobniejakinniludzie majązdolnościdosamooszukiwaniasię 24.Ludziezawszechętnieprzyjmują ogólne reguły, przekonania, wierzenia, idee i hipotezy, nie bacząc na ich wiarygodność. Mało tego, one trwają często jeszcze długo po wykazaniu ich bezsensowności, fałszywości, a przynajmniej niepewności. Najpowszechniejsze poglądy są często najmniej kwestionowane. Jeszcze częściej zdarza się, że pogląd raz przyjęty trudno obalić, gdyż argumenty przemawiające za nim są akceptowane, przemawiające zaś przeciwko niemu odrzucane, pomniejszane lub zniekształcane.[...] Podstawową zasadą w nauce jest, by wszystkie hipotezy były sprawdzalne, a ponadto możliwe do odrzucenia. W nauce ważniejsze jest posiadanie narzędzi umożliwiających odrzucenie hipotezy niż jej akceptację. To najważniejszy czynnik, który różni naukę od działalności pozanaukowej.[...] Jeśli nie można określić sposobu na odrzucenie hipotezy, to nie ma ona charakteru naukowego. Przykład hipotezy: Atomy to najmniejsze cząstki materii, jakie istnieją w przyrodzie. Przykład spekulacji: Przestrzeń jest przesiąknięta substancją, która jest niewykrywalna. Inny przykład spekulacji jest przedstawiony dalej w rozdziale zatytułowanym Raelianie. 24 Wprocesieedukacyjnymniewystarczamiećświadomość,żeinnimogąciebieoszukiwać;bardziejistotnajest świadomość własnych skłonności do okłamywania siebie samego. 23
Słownik terminologiczny z zakresu metodologii fizyki Abstrahowanie procedura badawcza polegająca na:(a) nie uwzględnianiu istnienia wybranych cech i związków,(b) zaniedbywaniu wpływu wybranych czynników na inne, ę nie uwzględnianu zmienności wybranych czynników podczas badania obiektu lub zjawiska. Abstrahowanie pozwala eliminować myślowo właściwości i czynniki uznane za nieistotne lub mało istotne i rozpatrywać tylko te cechy i czynniki uznane za decydujące przy formułowaniu uproszczonego obrazu(modelu) badanego obiektu lub zjawiska. Amper natężenie prądu płynącego w dwóch długich, równoległych przewodnikach, odległych o 1 metr, znajdujących się w próżni, powodującego powstanie siły oddziaływania magnetycznego międzytymiprzewodnikamiwynoszącej2,0 10 7 Newtonanakażdymetrichdługości. Dedukcjonizm wnioskowanie, rozumowanie zgodne z zasadami wynikania logicznego. Cyfry znaczące cyfry występujące w zapisie liczby z pominięciem zer początkowych oraz zer końcowych, chyba że zera końcowe wskazują na dokładność określenia liczby. Indukcja wnioskowanie, rozumowanie polegające na wyprowadzaniu wniosków ogólnych z przesłanek bedących ich przypadkami szczególnymi. Eksperyment(doświadczenie) działanie polegające na wywołaniu określonego zjawiska w kontrolowanych warunkach(naturalnych lub sztucznie stworzonych, tj. w laboratoriach) zbadaniu jego przebiegu, szczególnych właściwości i zależności oraz wykonaniu stosownych pomiarów i zgromadzeniu wyników tychże pomiarów. Doświadczenie przeprowadzamy najczęściej w celu potwierdzenie lub obalenie sformułowanej uprzednio hipotezy. Falsyfikacja procedura mająca na celu wykazanie fałszywości danego twierdzenia lub hipotezy. Fizyk pochodzi od greckiego słowa physikos oznaczającego znawcę przyrody. Fizyka pochodzi od greckiego słowa physike oznaczającego naukę przyrodniczą. Fizyka doświadczalna część fizyki zajmująca się wykrywaniem zjawisk i ich ilościowym badaniem za pomocą obserwacji i doświadczeń przy użyciu odpowiedniej aparatury. Fizyka teoretyczna część fizyki, która ma na celu matematyczne opracowanie wyników doświadczalnych oraz formułowanie ich fizycznej interpretacji w postaci możliwie ogólnych teorii pozwalających wyciągać wnioski nadające się do doświadczalnego sprawdzenia i praktycznego zastosowania. Idealizacja zabieg poznawczy polegający na przyjmowaniu założeń upraszczających analizę obiektu lub zjawiska. Jednostka miary ustalona miara danej wielkości fizycznej. Jednostka pochodna jednostka pochodnej wielkości fizycznej. Jednostka podstawowa jednostka, która została zdefiniowana w sposób arbitralny bez posługiwania się innymi jednostkami; patrz jednostki podstawowe SI. Jednostki uzupełniające jednostki kąta płaskiego(radian) i sferycznego(steradian). Kandela natężeniepromieniowaniaelektromagnetycznegooczęstotliwości5,4 10 14 Hzimocy 1/683 wata emitowanej przez źródło w kąt bryłowy równy jednemy steradianowi. Kelwin jeden Kelwin to 1/273, 16 część temperatury punktu potrójnego wody. Kilogram wzorcem jednostki masy(kilograma) jest cylinder wykonany ze stopu platyny i irydu, przechowywany w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w pobliżu Paryża. Metoda indukcji wykonywanie obserwacji i eksperymentów oraz wyprowadzanie na ich podstawie uogólnień i formułowanie hipotez. Metodologia określony sposób postępowania, który ma na celu zbadanie rzeczywistości(tj. właściwości materii lub zjawisk). Metr jest to długość drogi przebytej przez światło w czasie(1/299792458) sekundy. Model uproszczona wersja(materialna lub wyobrażenie) zjawiska lub obiektu uwzględniająca najistotniejsze cechy i właściwości. Modelowanie doświadczalna lub matematyczna metoda badania układów i zjawisk fizycznych na podstawie skonstruowanych modeli. 24