PF Moduł 1

From Studia Informatyczne

Enlarge
Celem wykładu jest przedstawienie w zwarty i poglądowy sposób podstawowych pojęć i prawidłowości fizycznych. Położono nacisk na ukazanie fundamentalnego i uniwersalnego charakteru praw fizyki. Uwypuklono prostotę opisu zjawisk przyrody bez uciekania się do zaawansowanego aparatu matematycznego. Na przykładach pokazano przejawy i skutki funkcjonowania praw fizyki w różnorodnych zjawiskach obserwowanych w przyrodzie i w działaniu urządzeń technicznych konstruowanych przez człowieka. Pomimo elementarnego charakteru wykładu włączone zostały zarysy teorii względności i fizyki mikroświata, których poznanie jest ważne dla rozumienia praw przyrody.

Enlarge
Przedmiot „Podstawy fizyki” składa się z pięciu części dotyczących podstawowych działów fizyki. Uszeregowanie ich nie jest przypadkowe. Kolejne części, choć stanowią autonomiczne jednostki, wykorzystują informacje zawarte w częściach wcześniejszych. Należy to mieć na uwadze sięgając do poszczególnych fragmentów tekstu.

Enlarge
Część fizyki zwana „Mechaniką” dotyczy przede wszystkim zjawisk ruchu, a bardziej szczegółowo – ruchu obiektów makroskopowych poruszających się z prędkościami znacznie mniejszymi od prędkości światła. W tej części wprowadzane są podstawowe wielkości charakteryzujące ruch i fundamentalne prawa przyrody zwane prawami dynamiki, a także prawa zachowania: energii, pędu i momentu pędu. Do praw tych będziemy wielokrotnie powracać, dlatego ważne jest, by je znać, rozumieć i wiedzieć jak je stosować w sytuacjach praktycznych.

Ruchy wielkiej liczby cząstek oraz ruchy z prędkościami bliskimi prędkości światła omawiane będą w dalszych częściach wykładu.


Enlarge
Żyjemy niewątpliwie w ciekawych czasach. Szybki postęp techniczny odkrywa przed człowiekiem nowe możliwości, ale niesie też nowe zagrożenia. Sprawne funkcjonowanie współczesnego społeczeństwa zapewniają prawa i zasady ułatwiające efektywne wykorzystanie możliwości i skuteczne zapobieganie zagrożeniom. Prawa te formułują organizacje międzynarodowe i rządowe, politycy i ekonomiści.

Także fizycy formułują prawa i zasady - są to prawa i zasady fizyki.


Enlarge
Prawa fizyki formułowane są w oparciu o obserwacje i pomiary – podstawowe źródła informacji w fizyce. Prawa fizyki, są fundamentalnalnymi prawami przyrody niezależnymi od woli i poglądów ludzi, w odróżnieniu od praw określonych przez człowieka.

Zwróć uwagę na wymienione obok relacje


Enlarge
Niekiedy zdarzają się próby nieprzestrzegania praw fizyki, bywa również, że prawa te są ignorowane w działaniach człowieka. Takie próby i działania są zawsze skazane na niepowodzenie, a skutki bywają często tragiczne. Kiedy słyszymy, że "przyczyną wypadku drogowego było niedostosowanie prędkości do warunków jazdy", to najczęściej ktoś próbował zignorować fakt powstawania siły odśrodkowej przy zmianie kierunku ruchu pojazdu lub zmienioną wartość współczynnika tarcia na mokrej nawierzchni drogi. Kiedy prasa donosi o zawaleniu się dachu hali widowiskowej, fizyk stwierdza z ubolewaniem, "ktoś znów nie uczył się fizyki".

Enlarge
Przyzwyczailiśmy się do zachodzących wokół nas zjawisk fizycznych, a często prawom fizyki podporządkowujemy się odruchowo, nie zdając sobie z tego sprawy. Wykonaj najprostszy test - spróbuj wstać z krzesła nie pochylając się przy tym do przodu. "Nie ma mocnych" - trzeba się pochylić, albo przesunąć nogi do tyłu tak, by środek ciężkości ciała znalazł się nad punktem podparcia tj. położeniem stóp. Innymi słowy - trzeba podporządkować się prawom fizyki. Bez tego "ani rusz" - zarówno w sensie dosłownym jak i i przenośnym.

Zobacz kilka przykładów obok. Czy umiesz odpowiedzieć na postawione tam pytania? Podaj sam więcej przykładów, dotyczących różnych sytuacji z życia codziennego


Enlarge
Umiejętne wykorzystanie praw fizyki otwiera przed człowiekiem ogromne możliwości stanowiąc podstawę nowoczesnych technik i technologii. Warto jest mieć telefon komórkowy w kieszeni, internet w domu, telewizor, lodówkę, kuchenkę mikrofalową itd. Często zapominamy jednak, że te „wspaniałe urządzenia”, to tylko wtórny efekt sformułowanych wcześniej przez fizyków praw i dokonanych przez nich odkryć. Bez praw dynamiki Newtona, równań elektrodynamiki Maxwella, teorii względności Einsteina, równań mechaniki kwantowej, odkrycia promieniotwórczości, zjawisk w półprzewodnikach itd. – co dokonane zostało na podstawie wielu obserwacji i doświadczeń fizycznych – nie byłoby samochodów, światła elektrycznego, telefonów, telewizji i ogólnie tego, co traktuje się dziś za osiągnięcia współczesnej cywilizacji.

Enlarge
Współczesne laboratoria fizyki, to aparatura zbudowana w oparciu o najnowocześniejsze osiągnięcia techniczne i technologiczne. Nie jest to wyrazem zachłanności fizyków, ale koniecznej potrzeby. Każdy eksperyment fizyczny jest swego rodzaju „prototypem”, bowiem odkrycia dokonuje się tylko raz. Następne wymaga już bardziej precyzyjnych pomiarów, doskonalszej aparatury, lepszych komputerów...

Enlarge
W rezultacie, fizyka stymuluje rozwój wielu dziedzin nauki i techniki. Spektakularnym przykładem jest World Wide Web (www), z którego korzysta cały świat, a który narodził się w największym laboratorium fizyki cząstek - CERN, jako narzędzie pracy fizyków. Bezpośrednim stymulatorem była tu potrzeba analizy wielkiej ilości danych zbieranych w eksperymentach fizycznych realizowanych przez międzynarodowe kolaboracje, w których uczestniczą setki a niekiedy tysiące fizyków z laboratoriów rozrzuconych po całym świecie.

Enlarge
Plakat wywieszony w czasie Juwenaliów przez studentów Wydziału Fizyki PW symbolizuje ich opinię o roli fizyki w świecie. Czy to megalomania, czy fakt?

Enlarge
Przygotujmy sobie „warsztat pracy”. Własności materii oraz zjawisk fizycznych charakteryzują w sposób ilościowy wielkości fizyczne. Wyróżniamy kilka typów wielkości fizycznych.

Wielkości skalarne wyrażane są ilościowo jedną liczbą. Do skalarnych wielkości fizycznych zaliczamy masę, czas, temperaturę, potencjał elektryczny itd..

Wielkości wektorowe wyrażane są za pomocą n liczb ustawionych w określonej kolejności, czyli uporządkowanych, Liczby te zwane są składowymi wektora. Liczba n odpowiada wymiarowi przestrzeni, w której prowadzimy analizę badanego zjawiska. Pełne określenie wielkości wektorowej wymaga podania współrzędnych punktu zaczepienia, długości, kierunku i zwrotu wektora. Do wielkości wektorowych zaliczamy prędkość, przyspieszenie, siłę, natężenie pola elektrycznego, pęd, moment pędu itd.

Wielkości tensorowe charakteryzują ośrodki i zjawiska o cechach anizotropowych czyli takich, których własności zależą od kierunku w przestrzeni. Przedstawiamy je za pomocą tablicy liczb, które zapisujemy w postaci macierzy. Za pomocą tensorów opisujemy niektóre własności kryształów i ośrodków ciągłych jak współczynnik rozszerzalności liniowej czy przewodnictwa cieplnego.


Enlarge
Wielkościom fizycznym przypisujemy określone wartości w wyniku wykonanych pomiarów. Wartości te określamy poprzez porównanie danej wielkości fizycznej z inną wielkością tego samego rodzaju, przyjętą za jednostkę. Jednostki wielkości fizycznych określone są w możliwie najbardziej precyzyjny i niezależny od warunków zewnętrznych sposób.

Można określić zestaw kilku podstawowych wielkości fizycznych, przypisać im określone wartości jednostkowe i za ich pomocą wyrażać wielkości pozostałe. Ułatwia to bardzo działania na jednostkach przy ilościowym opisie zjawisk fizycznych. W Polsce stosujemy Międzynarodowy Układ Jednostek, "SI". Definicje jednostek podstawowych ulegały zmianom, w celu lepszego ich doprecyzowania. Dla przykładu podajemy tu aktualne definicje trzech podstawowych jednostek: długości, masy i czasu. Definicje wszystkich podstawowych jednostek można znaleźć w tablicach wielkości fizycznych (zob. np. [1], str. 173).


Enlarge
Jednostka długości – metr

Jest to długość drogi, którą światło przebywa w próżni w czasie równym 1/299792458 sekundy. Zauważmy, że podstawą określenia wartości metra jest prędkość światła w próżni, która jest uniwersalną stała fizyczną. Naturalną konsekwencją takiej definicji jest wartość tej prędkości, która wynosi dokładnie 299 792 458 m/s. Jednostka masy - kilogram Jest to masa wzorca wykonanego ze stopu platyny i irydu (stop bardzo twardy i odporny na korozję) i przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w Sèvres koło Paryża. Warto dodać, że jest to w przybliżeniu masa jednego litra czystej wody w temperaturze 4^oC. Jednostka czasu - sekunda Jest to przedział czasu równy 9 192 631 770 okresom promieniowania emitowanego przy przejściu pomiędzy dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu^ 133Cs.


Enlarge
Podstawowe jednostki służą też do określania jednostek innych wielkości fizycznych, tzw. jednostek pochodnych. Tworzymy je wykorzystując wzory definiujące wielkości fizyczne lub wyrażające prawa fizyki, które wiążą jednostki podstawowe z jednostkami pochodnymi.

Niekiedy używamy jednostek jednej wielkości dla wyrażenia innej. Dla przykładu, odległość do gwiazd wyraża się często w latach świetlnych. Inny przykład, to wyrażanie masy w jednostkach energii, zazwyczaj w megaelektronowoltach (MeV), wykorzystując wzór Einsteina E=mc^2.

Dla wyrażania wielkości bardzo małych i bardzo dużych stosujemy jednostki stanowiące wielokrotności jednostek podstawowych dodając im odpowiednie przedrostki i oznaczenia, które znaleźć można w dowolnych tablicach matematyczno-fizycznych (zob. np. [1], str. 184).