EWR 2008 Wstęp / 1

ROZPIĘTOŚĆ BADANYCH PRZEZ CZŁOWIEKA ZJAWISK

rozmiar Wszechświata

m

26

10

ś

rednia odległość Ziemi od Słońca

m

11

10

5

,

1

⋅

promień Ziemi

m

6

10

4

,

6

⋅

(6400

)

km

wirusów

m

8

10

−

–

m

9

10

−

atomu wodoru

m

11

10

5

−

⋅

nukleonów

m

15

10

−

Ilość materii:

Całkowita liczba p i n we Wszechświecie 10

80

Ilość atomów na Słońcu 10

57

Ilość atomów na Ziemi 4

x

10

51

człowiek składa się z

10

16

komórek po

10

12

– 10

14

atomów

Skala czasowa:

wiek Ziemi

9

10

5

⋅

lat

s

17

10

5

,

1

⋅

≈

wiek galaktyki

18

10

czasy życia rezonansów

s

23

10

−

ś

redni czas życia człowieka

s

9

10

atom wodoru

42 rzędy

wielkości

EWR 2008 Wstęp / 2

NAUKA

Opisem otaczającego nas świata zajmuje się nauka.

ŚWIATOPOGLĄD NAUKOWY

opiera się na założeniu, że wszystkie zjawiska przyrody podlegają powszechnym
prawom, które człowiek może poznawać, a poznawszy może nie tylko zrozumieć
zjawisko znane, ale też przewidywać i badać nowe, a swą wiedzę wykorzystywać
do zastosowań praktycznych.

•

Henri Poincaré (1854 – 1912):

„Naukę się tworzy się z faktów, tak
jak dom buduje się z kamieni, lecz
zbiór faktów nie jest nauką, tak jak
stos kamieni nie jest domem”

•

Richard Feynman (1918 – 1988):

„U podstaw wszystkich nauk

przyrodniczych leży zasada, którą
można nieledwie uważać za ich
definicję:

Sprawdzianem wszelkiej wiedzy

jest doświadczenie. Eksperyment jest
jedyną miarą prawdy naukowej.”

EWR 2008 Wstęp / 3

FIZYKA

Fizyka jest podstawową nauką przyrodniczą zajmującą się badaniem
najbardziej uniwersalnych właściwości materii w otaczającym nas
ś

wiecie. Jest nauką ścisłą i ilościową, gdyż posługuje się pojęciem

wielkości fizycznych, które można ujmować ilościowo, a wyniki badań
podaje w postaci liczb i praw wyrażonych matematycznie.

Nie ma wyraźnej linii podziału między fizyką a innymi naukami
przyrodniczymi pod względem przedmiotu badań. To samo zjawisko
może być przedmiotem badań fizyki i np. biologii lub chemii. Występują
jednak różnice w stosowanych metodach i w celu badań.

Celem badań fizycznych jest poznanie praw fizyki.

EWR 2008 Wstęp / 4

1. PRAWA FIZYKI

Prawa fizyki to związki i korelacje między faktami i zjawiskami
fizycznymi, wyrażone w postaci wzorów matematycznych.
Prawa te mają na ogół zwięzłą i jasną postać.

Prawa fizyki systematyzują dorobek setek lat badań. Nie znamy
wszystkich praw fizyki, a te które znamy są często
przybliżonymi o ograniczonym zakresie stosowalności.

Prawa fizyki są uniwersalne i niezmiennicze. Jeżeli eksperyment
wykonany w laboratorium w określonych warunkach przyniósł
pewien wynik, to wiadomo, że eksperyment ten wykonany w
identycznych warunkach ale w innym czasie lub w innym
miejscu da ten sam wynik.

Fizyka zajmuje się tylko takimi zjawiskami, które są
powtarzalne.

Prawa fizyki są identyczne dla wszystkich obserwatorów
we wszystkich układach odniesienia

ogólna zasada względności (A.Einstein 1916)

rysunki z książki A.K.Wróblewski,
J.A.Zakrzewski, , Wstęp do fizyki, PWN 1976

EWR 2008 Wstęp / 5

2.

WIELKOŚCI FIZYCZNE

Wielkości fizyczne

– to takie własności ciał lub zjawisk, które można

porównać ilościowo z takimi samymi własnościami innych ciał lub zjawisk.

•

wielkości podstawowe przyjmujemy takie, dla których łatwo podać
sposób ich pomiaru

•

wielkości pochodne definiujemy za pomocą wielkości podstawowych

Pomiar

wielkości fizycznej polega na jej porównaniu z wielkością tego samego

rodzaju przyjętą za jednostkę

Wynik pomiaru zależy od wyboru jednostki

!

1 funt = 0,45359237 kg

EWR 2008 Wstęp / 6

Międzynarodowy układ jednostek miar -

SI

Jednostka miary

Wielkość

nazwa

oznacz.

Definicja

Jednostki podstawowe

Długość,
odległość

metr

m

Metr jest to długość równa 1650763,73 długości fali w próżni, promieniowania
odpowiadającego przejściu między poziomami 2p

10

a 5d

5

atomu

86

Kr (kryptonu 86).

Masa

kilogram

kg

Kilogram jest to masa międzynarodowego wzorca jednostki masy przechowywanego w
Międzynarodowym Biurze Miar w Sevres.

Czas

sekunda

s

Sekunda jest to czas równy 9

192

631

770 okresów promieniowania odpowiadającego przejściu

między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu

133

Cs (cezu 133).

Natężenie
prądu
elektr.

amper

A

Amper jest to natężenie prądu elektrycznego, który płynąc w dwóch równoległych
prostoliniowych, nieskończenie długich przewodach o małym przekroju poprzecznym,
umieszczonych w próżni w odległości 1m od siebie – wywołałby między tymi przewodami siłę
2

⋅

10

-7

N na każdy metr długości.

Tempera-
tura

kelwin

K

Kelwin jest to 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody.

Liczność
materii

mol

mol

Mol jest to liczba cząstek równa liczbie atomów zawartych w masie 0,012 kg

12

C (węgla 12)

Ś

wiatłość

kandela

cd

Kandela jest to światłość, jaką ma w kierunku prostopadłym powierzchnia (1/600

000) m

2

promiennika zupełnego w temperaturze krzepnięcia platyny pod ciśnieniem 101325 Pa.

Jednostki uzupełniaj

ą

ce

Kąt płaski

radian

rad

Radian jest to kąt płaski, zawarty między dwoma promieniami koła, wycinającymi z jego
okręgu łuk o długości równej promieniowi tego koła.

Kąt
bryłowy

steradian

sr

Steradian jest to kąt bryłowy o wierzchołku w środku kuli, wycinający z jej powierzchni część
równą powierzchni kwadratu o boku równym promieniowi tej kuli.

EWR 2008 Wstęp / 7

PRZEDROSKI JEDNOSTEK WZORZEC KILOGRAMA

Wzorzec kilograma w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag pod Paryżem

Walec ze stopu platyny i irydu o wysokości h = 2r = 3,9 cm

Jednostka atomowa 1u = 1/12 masy atomu węgla C

12

1u = 1,6605402(10)

x

10

-27

kg

EWR 2008 Wstęp / 8

3. OBSERWACJA, DOŚWIADCZENIE, POMIAR

Fizyka, podobnie jak inne nauki przyrodnicze opiera się na obserwacji i doświadczeniu.

•

Obserwacja polega na badaniu zjawiska w warunkach naturalnych,
niekontrolowanych, oraz na analizie tych czynników i warunków, od których
zjawisko to zależy.

•

Doświadczenie polega na obserwacji zjawiska w warunkach stworzonych sztucznie,
ś

ciśle kontrolowanych. Warunki te można zmieniać, eliminując w ten sposób

czynniki zakłócające obserwacje.

•

Doświadczenie najczęściej polega na pomiarze pewnej wielkości fizycznej.

•

Podczas pomiaru zawsze zachodzi oddziaływanie między przyrządem pomiarowym,
a układem podlegającym obserwacji. Wynikiem może być zaburzenie układu.

Należy tak dobrać przyrządy i metody pomiarowe, aby zaburzenie wielkości mierzonej
było znacznie mniejsze od błędu z jakim tę wielkość mierzymy.

W przypadku pomiarów wielkości mikroskopowych zaburzenie układu wprowadzone
przez przyrząd może być porównywalne z wielkością mierzoną i musi być włączone do
opisu zjawiska.

EWR 2008 Wstęp / 9

PRZYKŁADY

1.

Pomiar długości wahadła

)

L

L

(

2

1

L

L

L

2

3

1

2

−

+

−

=

IC

m

m

<<

γ

zmiana położenia pod wpływem światła

jest zaniedbywana.

2. pomiar położenia elektronu - oświetlenie promieniowaniem X

kg

10

9

.

0

m

30

e

−

⋅

≈

kg

m

32

10

4

−

⋅

≈

γ

λ

= 5 x 10

-11

m

elektron uzyskuje prędkość v = 2,6 x 10

7

m/s

– zjawisko Comptona

.

L

1

L

2

L

3

EWR 2008 Wstęp / 10

4. MODELE MATEMATYCZNE W FIZYCE

Wyniki badań podaje się w postaci liczb i praw wyrażonych matematycznie.

Matematyka jest językiem fizyki:

... ale rachunki nie powinny przysłaniać sensu fizycznego.

rysunki z książki A.K.Wróblewski,
J.A.Zakrzewski, , Wstęp do fizyki, PWN 1976

EWR 2008 Wstęp / 11

MODELE MATEMATYCZNE W FIZYCE

Opisując sytuację fizyczną dokonuje się jej idealizacji matematycznej.

Przykład

Badając ruch wahadła stwierdzamy, że jego przyczyną jest siła grawitacji.
Budujemy model matematyczny, robiąc przy tym założenia upraszczające:

1.

wahadło waha się w jednej płaszczyźnie

2.

opór powietrza i tarcie w płaszczyźnie zawieszenia są pomijalne

3.

masa nici jest równa zeru

4.

nić jest nierozciągliwa

5.

cała masa kulki skupiona w jej środku ciężkości

Dla małych wychyleń otrzymujemy -

g

L

T

=

Rezygnując z części tych uproszczeń można opisać ruch wahadła dokładniej.

np. uwzględniając wpływ oporu powietrza uzyskamy opis ruchu drgającego tłumionego

EWR 2008 Wstęp / 12

PODRĘCZNIKI