Biologia Fizyka 310003 Prowadzący zajęcia: Dr Andrzej Daniluk wykłady, ćwiczenia laboratoryjne; dr Wiaczesław Szamow ćwiczenia laboratoryjne; dr Krzysztof Iskra ćwiczenia laboratoryjne; mgr Barbara Wybraniec ćwiczenia laboratoryjne. Instytut Matematyki i Fizyki, Katedra Fizyki, ul. 3-go Maja 54. 1. Rodzaj zajęć: a) wykłady egzamin ustny i testowy; b) ćwiczenia laboratoryjne zaliczenie na ocenę. 2.Kryteria uzyskania zaliczenia: Przewidywane są cztery kolokwia po 20 punktów każde na studiach dziennych i dwa kolokwia po 40 punktów na studiach zaocznych. Zaliczenie kolokwium następuje po uzyskaniu minimum 51% punktów (41pkt.). Należy opracować i złożyć 12 sprawozdań z wykonanych ćwiczeń na studiach dziennych i 6 na studiach zaocznych. Maksymalna liczba punktów możliwa do uzyskania za wykonane ćwiczenia i opracowane sprawozdania wynosi odpowiednio 120 pkt. i 60 pkt. ( po 10 pkt. za ćwiczenie). Minimalna liczba punktów za ćwiczenie nie może być mniejsza niż 5,5 pktu. Zaliczenie ćwiczeń następuje po uzyskaniu minimum punktowego za kolokwia i wykonane ćwiczenia, co wymaga zdobycia minimum 107 pkt. (12 x 5,5 + 41 = 107) na studiach dziennych i 74 pkt. (6 x 5,5 + 41 = 74) na studiach zaocznych. 3.Kryteria złożenia egzaminu: Z testowej (opisowej) części egzaminu można uzyskać maksimum 40 pkt., a z ustnej 60 pkt. - łącznie 100 pkt.. Minimum niezbędne do złożenia egzaminu wynosi 51 pkt.. 4.Zakres egzaminu testowego: Testy obejmują materiał podstawowy z fizyki, którego zakres przedstawiono na wykładzie. Do każdego cyklu tematycznego wykładów dołączone są numery testów ze zbioru 8A lub podane w postaci zestawu. Rozwiązanie testu wymaga pisemnego lub ustnego uzasadnienia. 5.Zakres egzaminu ustnego określają tematy dołączone do literatury 3A lub hasła przedstawione poniżej: Cząstki elementarne ich klasyfikacja i własności. Dualizm korpuskularno falowy i jego konsekwencje. Zasada nieoznaczoności i przykłady jej stosowania. Budowa jądra atomowego, energia wiązania, podstawowe modele jądrowe. Budowa atomu według Bohra-Sommerfelda, liczby kwantowe, zakaz Pauliego i jego konse- 1
2 kwencje. Cząsteczkowa budowa materii przykłady. Egzotyczne stany skupienia plazma. Ciała stałe, ciekłe i gazowe, własności i ich charakterystyka. Rola stanów skupienia w przyrodzie na wybranych przykładach. Oddziaływania grawitacyjne i ich wpływ na organizmy żywe. Oddziaływania elektromagnetyczne i ich rola w przyrodzie. Oddziaływania elementarne w mikroświecie. Pojęcie pracy. Praca objętościowa. Przykłady obliczania pracy. Ciepło, a temperatura, obliczanie ilości ciepła, przepływ ciepła. Energia wewnętrzna, jako funkcja stanu. Pierwsza zasada termodynamiki i jej dyskusja. Procesy odwracalne i nieodwracalne w przyrodzie żywej i martwej. Druga zasada termodynamiki warunek wystarczający na istnienie procesów termodynamicznych. Pojecie entropii i jej interpretacja. Zasady termodynamiki w układach otwartych. Entropia w układach otwartych biologicznie czynnych. Informacja w fizyce i biologii, entropia informacyjna. Kodowanie informacji, kod genetyczny i jego rola w przekazywaniu informacji. Rola bodźców w transporcie masy i energii. Transport przy udziale jednego tylko bodźca. Udział wielu bodźców w transporcie masy i energii, osmoza, filtracja i ultrafiltracja. Entropia w procesach transportu. Przepływy laminarne i turbulentne w płynach, rola przepływów w przyrodzie. Przepływy cieczy nieniutonowskich przez rury o elastycznych ściankach. Podstawowe ruch proste i ich własności. Ruchy oscylacyjne, a ruch falowy. Przemieszczanie się organizmów żywych w różnych środowiskach przyrodniczych, mechanizmy. Mechanizm powstawania widm emisyjnych i absorpcyjnych. Promieniowanie temperaturowe, podstawowe prawa i ich interpretacja. Spójność przestrzenna i czasowa, promieniowanie niespójne. Podstawowe prawa optyki geometrycznej i ich zastosowania. Układy soczewek: mikroskop, luneta, lorneta. Mechanizm powstawania obrazów w oku, lupa. Zjawiska falowe w optyce i ich wykorzystanie w przyrodzie żywej. Polaryzacja. Jak organizmy żywe wykorzystują polaryzację? Rozkład boltzmanowski w przyrodzie i technice, rozkład antyboltzmanowski. Metody przygotowywania akcji laserowej i ich charakterystyki. Lasery wybrane przykłady zastosowania. Mechanizm powstawania obrazów w świetle niespójnym i spójnym, właściwości obrazów. Wpływ grawitacji i bezwładności na organizmy żywe. Wirówka i ultrawirówka. Organizmy żywe w układach poddanych przyspieszeniom krótkotrwałym i długotrwałym. Wpływ ciśnienia na organizmy żywe. Oscylacje i wibracje, reakcje organizmów żywych na długotrwałe działanie. Wpływ temperatury na rozwój organizmów żywych. Wilgotność środowiska, a termoregulacja. Rola statycznego pola elektrycznego i magnetycznego w życiu biologicznym, elektrolokacja. Pole elektromagnetyczne, a żywa materia. Wpływ promieniowania widzialnego na rozwój organizmów żywych. Podczerwień i ultrafiolet, a żywa materia. Elektromagnetyczne promieniowanie joni-
zujące, a żywa materia. Korpuskularne promieniowanie jonizujące, a żywa materia. 6. Program szczegółowy. A. Struktura makro- i mikroświata. Cząstki elementarne, dualizm korpuskularno-falowy, zasada nieoznaczoności. Jądro atomowe, energia wiązania, izotopy. Budowa atomu, liczby kwantowe. Cząsteczki. Stany skupienia materii. Oddziaływania elementarne w przyrodzie. B. Elementy termodynamiki układów zamkniętych i otwartych. Praca, ilość ciepła, energia wewnętrzna. Pierwsza zasada termodynamiki. Procesy odwracalne i nieodwracalne. Druga zasada termodynamiki. Układy otwarte. Entropia. Zasada termodynamiki w układach otwartych. Entropia informacyjna. Kod genetyczny. C. Transport materii i energii w przyrodzie. Problemy transportu. Transport przy udziale jednego bodźca (dyfuzja). Transport przy udziale więcej jak jednego bodźca. Transport przez błonę (osmoza, filtracja, ultrafiltracja). Przepływy laminarne i turbulentne. Przepływ przez rurki o elastycznych ściankach. Przemieszczanie się ciał stałych, cieczy i gazów, ruch postępowy, ruch falowy. Przemieszczanie się organizmów żywych. D. Elementy optyki liniowej i nieliniowej. Mechanizm powstawania promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie spójne i niespójne. Elementy optyki geometrycznej (podstawowe prawa, zwierciadła, soczewki i ich wady, lupa, oko, układy soczewek, mikroskop, lorneta). Polaryzacja. Rozkład botzmanowski i antyboltzmanowski. Lasery. Powstawanie obrazów w świetle niespójnym i spójnym. Zasady holografii. E. Wpływ czynników fizycznych na organizmy żywe. Wpływ czynników mechanicznych na ustrój (drgania, przyspieszenia, ciśnienia). Wpływ temperatury i wilgotności na organizmy żywe. Wpływ pola elekromagnetycznego i magnetycznego na organizmy żywe. Wpływ promieniowania niejonizującego (promieniowanie spójne, widzialne, podczerwień, ultrafiolet). Wpływ promieniowania jonizującego na organizmy żywe. 7. Ćwiczenia laboratoryjne. Przed rozpoczęciem ćwiczeń laboratoryjnych należy zapoznać się z treścią skryptu Wstęp do pierwszej pracowni fizyki, który można wypożyczyć u laborantów w Katedrze Fizyki (p.403), bądź w czytelni przy ulicy Dreszera. Studentów biologii nie obowiązuje szczegółowy rachunek błędów, niemniej każdy student winien sobie zdawać sprawę, że każdy pomiar obarczony jest błędem przypadkowym. Wymagana jest umiejętność oszacowania popełnianych błędów, a także ich analiza. Na podstawie literatury i przeprowadzonych pomiarów student przeprowadza również analizę wyników. Do ćwiczeń laboratoryjnych należy przygotować teorię na podstawie literatury: 1A, 2A, 3A, 4A, 1B, 2B, 3B i 4B, oraz część praktyczną na podstawie literatury: 3
5A, 6A, 7A, 5B. Słuchacz biologii zobowiązany jest do wykonania i zaliczenia 12-tu ćwiczeń na studiach dziennych i 6-ciu na studiach zaocznych i złożenia stosownych kolokwiów. Ćwiczenia wyznaczane są przez prowadzącego zajęcia z listy przedstawionej poniżej. Uzyskanie zaliczenia ćwiczeń jest podstawowym warunkiem dopuszczenia do egzaminu. A. Pracownia mechaniki. 1. Wyznaczanie gęstości ciał: a) Pomiar gęstości bryły sztywnej (1A); b) Pomiar gęstości względnej ciał stałych przy pomocy prawa Archimedesa (1B); c) Pomiar gęstości przy pomocy piknometru (1C). 2. Pomiar natężenia pola grawitacyjnego w Siedlcach przy pomocy wahadła matematycznego (2). 3. Wahadło sprężynowe. Pomiar pola elipsy energii: a) Badanie zależności wychylenia od przyłożonej siły (3A); b) Badanie izochronizmu drgań wahadła sprężynowego (3B). 4. Wyznaczanie modułu Younga przez zginanie (4). 5. Badanie wahadła Oberbecka: a) Pomiar momentu bezwładności wahadła Oberbecka (6A); b) Sprawdzanie drugiej zasady dynamiki dla ruchu obrotowego (6B). 6. Pomiar momentu bezwładności przy pomocy wahadła fizycznego (8). 7. Badanie fal akustycznych: a) Pomiar częstotliwości drgań widełek stroikowych metodą rezonansu akustycznego (9A); b) Badanie zależności prędkości rozchodzenia się dźwięku w powietrzu od długości fali akustycznej (9C). 8. Pomiar współczynnika lepkości cieczy: a) Pomiar współczynnika lepkości wody (10A). B. Pracownia ciepła. 1. Wyznaczanie gęstości powietrza metodą Regnaulta (2). 2. Wyznaczanie ciepła topnienia lodu metodą kalorymetryczną (4). 3. Wyznaczanie ciepła parowania wody w temperaturze wrzenia (12). 4. Badanie zależności temperatury wrzenia wody od ciśnienia zewnętrznego (5) 5. Sprawdzanie prawa Boyle a-mariotte a (9). 6. Wyznaczanie c p /c v metodą Clementa-Desormesa (7). 7. Sprawdzanie pierwszej zasady termodynamiki przy pomocy termoergometru (11). 8. Wyznaczanie objętości przepływającej w dłoni krwi metodą kalorymetryczną (13). 9. Wyznaczanie entalpii (14). C. Pracownia elekryczności. 1. Ładunki elektryczne, Pole elektrostatyczne: 4
a) Badanie spadku potencjału wzdłuż pręta organicznego (21A); b) Badanie zmian ładunku elektrycznego zgromadzonego na okładkach kondensatora, podczas jego rozładowania, metodą całkowania graficznego (21B); c) Badanie zmian ładunku elektrycznego gromadzonego na okładkach kondensatora, podczas ładowania, metodą całkowania graficznego (21C); d) Wyznaczanie krzywej ładowania kondensatora metodą całkowania graficznego (21D). 2. Prawa przepływu prądu elektrycznego: a) Pomiar oporu przewodnika na podstawie prawa Ohma (22A); b) Wyznaczanie współczynnika temperaturowego oporu metodą mostkową (22B); c) Badanie sprawności grzejnika elektrycznego (22C); d) Wyznaczanie siły elektromotorycznej ogniwa i oporu wewnętrznego na podstawie prawa Ohma dla obwodu zamkniętego (22D). 3. Pole magnetyczne: a) Wyznaczanie indukcji magnetycznej przy pomocy teslomierza (23A); b) Wyznaczanie względnej indukcji magnetycznej w środku obwodu kołowego (23B). 4. Drgania relaksacyjne: a) Badanie zależności drgań relaksacyjnych od pojemności (24A); b) Badanie zależności drgań relaksacyjnych od różnicy między napięciem zasilania, a napięciem zapłonu (24B). 5. Indukcja elekromagnetyczna: a) Charakterystyka żarówki (25A); b) Wyznaczanie indukcyjności solenoidu (25B); c) Badanie transformatora (25C); d) Badanie szeregowe rezonansu (25D). D. Pracownia optyki. 1. Badanie współczynnika załamania: a) Pomiar współczynnika załamania metodą pomiaru grubości pozornej płytki przy użyciu mikroskopu (40D). 2. Wyznaczanie ogniskowej soczewki cienkiej: a) Wyznaczanie ogniskowej soczewki cienkiej z wykresu prostej (42B); b) Wyznaczanie ogniskowych soczewek cienkich metodą Bessela (42C). 3. Badanie mikroskopu. Pomiary małych długości: a) Pomiar powiększenia mikroskopu (43A); b) Pomiar średnicy włosa (43B); c) Pomiary elementów struktury preparatu biologicznego (43C). 4. Badanie dyspersji: a) Wyznaczanie długości fali w widmach pierwiastków i światła białego (44A); 5
b) Wyznaczanie krzywej dyspersji dla neonu, obliczanie dyspersji liniowej dla neonu i helu (44B). 5. Dyfrakcja: a) Wyznaczanie długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej (46B). 6. Polaryzacja: a) Pomiar stężenia cukru w roztworze przy pomocy sacharymetru (47B). 7. Lasery: a) Pomiar długości fali świetlnej przy wykorzystaniu ugięcia na pojedynczej szczelinie (48A); b) Pomiar długości fali świetlnej przy pomocy doświadczenia Younga (48B); c) Wyznaczanie długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej (48D). 8. Zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne: a) Wyznaczanie charakterystyki prądowo- napięciowej fotokomórki (50A); b) Badanie zależności fotoprądu od oświetlenia (50B); c) Badanie zależności fotoprądu od częstotliwości promieniowania (50C). 9. Literatura: A. Podstawowa: 1. Podstawy biofizyki pod redakcją A. Pilawskiego; 2. S. Przestalski, Fizyka z elementami biofizyki i agrofizyki; 3. A. Daniluk,Wstęp do fizyki dla biologów; 4. Repetytorium z fizyki w zakresie szkoły średniej dowolny podręcznik; 5. Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki i biofizyki pod redakcją A. Murkowskiego; 6. P. Karpiniuk, A Daniluk, Wstęp do pierwszej pracowni fizycznej mechanika; 7. A. Daniluk. Zbiór instrukcji do ćwiczeń laboratoryjnych z elektryczności; 8. A. Daniluk, Zbiór instrukcji do ćwiczeń laboratoryjnych z optyki; 9. A. Daniluk, Zbiór testów z fizyki. B. Uzupełniająca: 1. R. G. Gieworkian, Fizyka; 2. I. Tarian, Fizyka dla przyrodników; 3. A. Piekara, Nowe oblicze optyki; 4. J. R. Meyer-Arendt, Wstęp do optyki; 5. Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki pod redakcją T. Dryńskiego. 6