Wykład z mechaniki. Prof. Dr hab. Reinhard Kulessa Warunki zaliczenia: 1. Zaliczenie ćwiczeń(minimalna ocena dostateczny) 2. Zdanie egzaminu z wykładu Egzamin z wykładu będzie składał się z egzaminu testowego Termin egzaminu 29 stycznia 2009 Godz. 9.00-12.00 Kto nie zda egzaminu (nie uzyska oceny dostatecznej), będzie zdawał testowy egzamin poprawkowy. 2008-10-03 Reinhard Kulessa 1
Mechanika Reinhard Kulessa I semestr r. akademickiego 2008/2009 Podręczniki Stosowane podręczniki mechaniki mogą być w dowolnym języku. Przykłady podane są na następnej stronie. Notatki z wykładu będą umieszczone na stronie internetowej http://users.uj.edu.pl/~kulessa 2008-10-03 Reinhard Kulessa 2
1. C. Kittel, W.D. Knight, M.A. Ruderman: Mechanika, PWN, Warszawa 1969, lub wznowienia; tłumaczenie z "Mechanics Berkeley Physics Course" - Vol. 1 2. R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands: Feynmana wykłady z fizyki - Tom Iczęść 1, PWN, Warszawa 1974, lub wznowienia, tłumaczenie z "The Feynman lectures on physics" 3. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Fundamentals of Physics, Fifth Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York 1997 4. A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski: Wstęp do Fizyki, tom 1, PWN, Warszawa 1976, 1984 5. S. Szczeniowski: Fizyka Doświadczalna, Część I - Mechanika i Akustyka, PWN, Warszawa 1980 6. P.A. Tipler: Physics for scientists and engineers, fourth edition W.H. Freeman and Company, New York 1999 7. A. Piekara: Mechanika ogólna, PWN, Warszawa 1967, 8. A. Januszajtis: Fizyka dla Politechnik, Tom I, PWN 1977 2008-10-03 Reinhard Kulessa 3
8. J. Orear, Fizyka tom 1, WNT, Warszawa 2008-10-03 Reinhard Kulessa 4
A. Wstęp Zaczynacie Państwo studiowanie fizyki od jednego z podstawowych działów mechaniki. Należałoby się zapytać jakie są cele badań fizycznych na początku 21 wieku. Jedna z odpowiedzi mówi, że chodzi o zbadanie struktury materii oraz oddziaływań pomiędzy jej składnikami. Badania te można wykonywać różnymi metodami. Podstawowymi są badania teoretyczne i badania doświadczalne. Fizyk teoretyk będzie starał się wyjaśnić znane zjawiska w oparciu o proste reguły, oraz przewidywać nowe prawa i zależności pomiędzy zjawiskami. 2008-10-03 Reinhard Kulessa 5
Fizyk doświadczalny ma za zadanie odkrywać i opisywać nowe zjawiska i prawidłowości nimi rządzące, lub sprawdzać doświadczalnie przewidywania teoretyczne Szybki rozkwit nauk przyrodniczych w ostatnim czasie zawdzięczamy silnemu oddziaływaniu pomiędzy teorią a doświadczeniem. Ze słowem FIZYKA spotykamy się bardzo często m. in. w nazwach innych dziedzin nauki jak np.. biofizyka, astrofizyka, geofizyka, fizykoterapia. Biofizyka bada strukturę i funkcjonowania makrocząsteczek z których jesteśmy zbudowani. Geofizyka i astrofizyka zajmują się badaniem naszego makroskopowego otoczenia. Znamy oczywiście szereg innych dziedzin fizyki. Są nimi np.. 2008-10-03 Reinhard Kulessa 6
Fizyka ciała stałego badająca własności materii skondensowanej Fizyka atomowa -- badająca strukturę atomów Fizyka statystyczna badająca układy wielu cząstek Fizyka jądrowa Fizyka cząstek elementarnych Fizyka medyczna -- badająca własności jąder atomowych -- zajmująca się własnościami tych cząstek i oddziaływaniami pomiędzy nimi -- stosująca metody fizyczne w medycynie I wiele innych dziedzin które pojawiają się z upływem czasu i które Państwo poznacie w czasie studiów. Zobaczmy, z jakimi obiektami nie makroskopowymi możemy mieć do czynienia w badaniach fizycznych. 2008-10-03 Reinhard Kulessa 7
Z jakimi obiektami mamy do czynienia? Kryształ Atom Jądro atom Cząstki elem y y ny Bariony Cząstka Kwarki 2008-10-03 Reinhard Kulessa 8
Pomiędzy cząstkami elementarnymi istnieją cztery oddziaływania fundamentalne. Oddziaływania te są odpowiedzialne za siły działające pomiędzy cząstkami. Podstawowe oddziaływania są następujące: 1. Grawitacyjne Elektromagnetyczne 2. Elektrosłabe Słabe Elektryczne magnetyczne 3. Silne Silne jądrowe Silne kolorowe Dla opisu zjawisk fizycznych byłoby najlepiej, gdyby istniało tylko jedno oddziaływanie, zawierające w sobie wszystkie do tej pory wymienione. Jesteśmy blisko unifikacji oddziaływań słabych, elektromagnetycznych i silnych. 2008-10-03 Reinhard Kulessa 9
Jesteśmy jeszcze daleko od pełnej unifikacji wszystkich oddziaływań. Cztery Oddzialywania Fundamentalne Grawitacja Silne Slabe Elektromagnetyczne Wszystkie siły z którymi możemy spotkać się na Ziemi mają swoje źródło w tych czterech oddziaływaniach 2008-10-03 Reinhard Kulessa 10
A.1. Podstawowe pojęcia fizycznego opisu natury Wiemy już, że istnieją różnego rodzaju cząstki i oddziaływania pomiędzy nimi. Zadajmy sobie pytanie, jak zachowuje się cząstka pod wpływem tych oddziaływań? W przeważającej liczbie przypadków stwierdzimy, że cząstka się porusza. Z pewnością zaś cząstka będzie się poruszała pod wpływem sił grawitacji. Jaki będzie tor tej cząstki? Jak poruszają się nukleony pod wpływem sił jądrowych? Jak poruszają się ładunki pod wpływem sił elektromagnetycznych? Pierwszą próbę odpowiedzi na pytanie jak porusza się ciało pod wpływem działania siły podjął się w 1687 r. Newton. Równania opisujące ruch, do których Newton doszedł stanowią podstawę mechaniki klasycznej. Wiążą one ze sobą pewne wielkości opisujące ruch, oraz powodującą ten ruch siłę. 2008-10-03 Reinhard Kulessa 11
Równania Newtona stanowiły rezultat obserwacji doświadczalnych. Później okazało się, że można je łatwo wyprowadzić ze znacznie ogólniejszych zasad zachowania. Obszar zastosowań mechaniki klasycznej do zjawisk fizycznych jest bardzo szeroki. Obejmuje on takie dziedziny jak ruch planet, ruch przedmiotów na Ziemi, działanie maszyn, rotacje, drgania, kinematykę zderzeń, szereg zjawisk termodynamicznych i wiele innych. Okazało się jednak, że istnieje szereg zjawisk, których nie da się opisać przy pomocy mechaniki klasycznej. Należą do nich m.in.. ruchy z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła, czy ruchy w mikroświecie. Mechanikę klasyczną musieliśmy więc uzupełnić teorią względności i mechaniką kwantową. 2008-10-03 Reinhard Kulessa 12
Mechanika Newtonowska posługiwała się pojęciem przestrzeni i czasu, przy czym czas był taki sam niezależnie od układu współrzędnych, niezależnie od tego czy układ współrzędnych się poruszał czy spoczywał. Einstein w 1905 roku przepowiedział, że czas, który mierzy dany obserwator zależy od układu współrzędnych. Zostało to dowiedzione doświadczalnie. Faktem jest również to, że żadne ciało nie może się poruszać z prędkością większą niż prędkość światła c. Z kolei opis ruchów w mikroświecie, jak np.. nukleonów w jądrze atomowym, czy elektronów w atomie znalazł swoje rozwiązanie w latach 30 XX wieku. Impulsem do tego była obserwacja, że cząstki mogą zachowywać się jak fale, a fale jak cząstki. Falowy charakter materii daje jednak znać o sobie dopiero przy ruchach w rozmiarach mikroskopowych. Jedną z podstawowych reguł jest tu relacja nieoznaczoności Heissenberga. Mówi ona, że niedokładność wyznaczenia położenia jest tym większa, im mniejsza jest niedokładność wyznaczenia pędu. x p x 2008-10-03 Reinhard Kulessa 13 2
W opisie zjawisk fizycznych jesteśmy zdani na własne obserwacje, które bardzo często są subiektywne. Dla jednych obserwowane ciało w ruchu będzie poruszało się wolno, dla innych szybko. Czas również płynie różnie dla różnych osób. Nasze zmysły różnie reagują na odbierane bodźce. Musimy o efektach tych pamiętać w czasie obserwacji zjawisk i wykonywania pomiarów. Nie wystarczy ocenić średnicy wewnętrznych okręgów, trzeba je dokładnie zmierzyć. 2008-10-03 Reinhard Kulessa 14
Proszę policzyć liczbę jasnych i ciemnych punktów w rogach kratek. 2008-10-03 Reinhard Kulessa 15
Czy któreś z poziomych wewnętrznych linii są do siebie równoległe? 2008-10-03 Reinhard Kulessa 16
Jesteśmy prawie pewni, że widzimy spiralę. 2008-10-03 Reinhard Kulessa 17
Inne przykłady 2008-10-03 Reinhard Kulessa 18
Ile nóg ma ten słoń? Saksofonista? 2008-10-03 Reinhard Kulessa 19
Gdzie leży mały sześcian? Ile na rysunku jest sześcianów? 2008-10-03 Reinhard Kulessa 20
Ile różowych kolorów widzę? 2008-10-03 Reinhard Kulessa 21
Dokąd te schody? Ilu nas jest? 2008-10-03 Reinhard Kulessa 22