WYKŁAD 01

dr Marek

Siłuszyk

WSFiZ

FIZYKA

FIZYKA

Czego

nie robimy

na Wykładzie !!!

Informacje ogólne
Konkretna Literatura
Rozkład materiału
Co to jest

Fizyka

? Czym się zajmuje ?

Fizyka eksperymentalna, a teoretyczna
Podział Fizyki
Wielkości fizyczne
Przedrostki
...

Plan
wykładu:

Studenci powinni (czytaj muszą)

BARDZO

DOBRZE

znać

FIZYKĘ.

W tym celu przyda

się znajomość następujących

przedmiotów matematycznych:

1.Analizę matematyczną

2.Algebrę liniową

3.Rachunek różniczkowy i całkowy

4.Statystykę

5....

Konkretna Literatura (1- 5):

1.

1.

Halliday D., Resnick R., Walker J.,

Halliday D., Resnick R., Walker J.,

Podstawy

Podstawy

Fizyki

Fizyki

, 5 tomów, PWN, Warszawa, 2005

, 5 tomów, PWN, Warszawa, 2005

2. Sawieliew I. W., Wykłady z fizyki, 3 tomy, PWN,

Warszawa, 2002

3. Orear J., Fizyka, 2 tomy, WTN, Warszawa, 2004
4. Jaworski B. M., Dietłaf A. A., Fizyka Poradnik

encyklopedyczny, 2 tomy, PWN, Warszawa, 1999

5. Bobrowski C., Fizyka – krótki kurs, WNT, 2004

Uzupełniające podręczniki z Matematyki
1. Fichtenholz G.M. - Rachunek różniczkowy i całkowy, 3

tomy, PWN, 1994.

2. Leja F. - Rachunek różniczkowy i całkowy, PWN, 1959

http://aneksy.pwn.pl/podstawy_fizyki

http://aneksy.pwn.pl/podstawy_fizyki

/

/

Kurs obejmuje mechanikę, kinematykę i dynamikę punktu
materialnego i bryły sztywnej. Wprowadza zasady dynamiki Newtona,
zasadę względności Galileusza, zasady zachowania: energii, pędu i
momentu pędu, układy inercjalne i nieinercjalne. Zawiera
podstawowe informacje o stanach skupienia materii i przemianach
fazowych. Wprowadza koncepcję pola w fizyce na przykładzie pól
grawitacyjnego i elektromagnetycznego. Obejmuje elementy optyki
geometrycznej i falowej. Przedstawia elementy teorii kwantów,
zjawisko fotoelektryczne, dualizm korpuskularno-falowy, zasadę
nieoznaczoności Heisenberga. Zawiera zarys teorii względności
Einsteina z elementami mechaniki relatywistycznej.

OGÓLNY PROGRAM WYKŁADÓW z FIZYKI

Statystyka klasyczna - teoria kinetyczno - molekularna gazów:
podstawowe pojęcia teorii kinetyczno - molowej (ciśnienie, energia,
droga swobodna, równanie Clapeyrona), rozkład prędkości cząsteczek
gazu (Maxwella, Boltzmana), wzór barometryczny, wyznaczenie stałej
Avogadro. Własności cieplne gazów i ciał stałych, podejście
kwantowe, zależność ciepła właściwego od temperatury: gazy i
izolatory (pojęcie fononu), metale (gaz elektronów swobodnych).
Promieniowanie zrównoważone ciała doskonale czarnego: prawo
Plancka, prawo Wiena, prawo Boltzmana, prawo Kirchhoffa.
Półprzewodniki samoistne i domieszkowane: pasma energetyczne,
złącze p-n, działanie diody, półprzewodnikowej. Zasada działania
lasera: rodzaje laserów, schemat działania, cechy światła laserowego,
zastosowania. Budowa jądra atomowego: odkrycie, model jądra,
rozmiary, siły jądrowe, potencjał jądrowy, reakcje jądrowe, energia
wiązania - obliczanie, model jądra. Promieniotwórczość naturalna i
sztuczna: prawa, przemiany jądrowe.

OGÓLNY PROGRAM WYKŁADÓW z FIZYKI

Fizyka

Fizyka (z gr. φυσις phýsis - przyroda) jest nauką o
przyrodzie w najszerszym znaczeniu tego słowa.

Fizycy

Fizycy badają właściwości i przemiany materii i
energii oraz oddziaływanie między nimi. Do opisu
zjawisk fizycznych używają wielkości fizycznych,
wyrażonych za pomocą pojęć matematycznych, takich
jak liczba, wektor, tensor.

Tworząc hipotezy i teorie fizyki, budują relacje
pomiędzy wielkościami fizycznymi.
Fizyka jest ściśle związana z innymi naukami
przyrodniczymi, szczególnie z chemią jako nauką o
cząsteczkach i związkach chemicznych, które masowo
występują w naszym otoczeniu. Chemicy przyjmują
teorie fizyki dotyczące cząsteczek i związków
chemicznych (mechanika kwantowa, termodynamika) i
za ich pomocą tworzą teorie w ich własnych
dziedzinach badań. Fizyka zajmuje szczególne miejsce
w naukach przyrodniczych, ponieważ wyjaśnia
podstawowe zależności obowiązujące w przyrodzie.

Fizyka eksperymentalna a teoretyczna

Kultura badań fizycznych różni się od innych nauk tym, że

istnieje w niej fundamentalny i powszechnie uznawany podział na
teorię i doświadczenie.
Od początku XX wieku większość fizyków pozostaje specjalistami
albo w fizyce teoretycznej, albo w fizyce doświadczalnej.
Zaskakująco mało fizyków odnosi sukcesy w obu rodzajach badań.

Mówiąc ogólnie, praca fizyków-teoretyków polega na

rozwijaniu teorii, za pomocą których można opisać i interpretować
wyniki doświadczeń oraz możliwie dokładnie przewidzieć wyniki
przyszłych doświadczeń.

Z

drugiej

strony,

fizycy

doświadczalni

wykonują

eksperymenty,

żeby

zbadać

nowe

zjawiska

i

sprawdzić

przewidywania

teoretyczne.

Ważną

częścią

pracy

fizyka

doświadczalnego jest też często budowanie własnej aparatury,
szczególnie w pionierskich lub wysoce ezoterycznych gałęziach
fizyki, gdzie potrzebny sprzęt jest niedostępny komercyjnie. Mimo że
teoretyczne i doświadczalne części fizyki są rozwijane w dużym
odosobnieniu, są ze sobą ściśle powiązane i od siebie zależne.
Postęp w fizyce teoretycznej często zaczyna się od doświadczeń,
których nie potrafi uwzględnić - i na odwrót, nowatorskie
przewidywania teoretyczne często przynoszą nowe pomysły
doświadczalne. Gdy dla danego zagadnienia brakuje jednej z części,
drugie z łatwością błądzi.

Fizyka eksperymentalna a teoretyczna

Centralnym elementem eksperymentu jest pomiar

dobrze określonej wielkości fizycznej, a warunkiem
niezbędnym uzyskania z niego wartościowych informacji
prawidłowy dobór przyrządów pomiarowych oraz metod
analizy otrzymanych danych. Obróbka danych często
opiera się na statystyce, regułach prawdopodobieństwa
oraz odpowiednich metodach numerycznych.

Podobnie fizyka teoretyczna ma własny zestaw

metod naukowych, które pozwalają stworzyć adekwatne
modele i paradygmaty. Opracowane teorie zazwyczaj
korzystają z różnych metod matematyki, analitycznych i
syntetycznych.

Kluczową

rolę

w

rozważaniach

teoretycznych odgrywają hipotezy i proces dedukcji.

TEORIA

Ek

sp

er

ym

en

t

Rozwiązywanie zjawisk

fizycznych

,

to

cały skomplikowany proces.

Zagadnienie fizyczne:

Jak przedstawia się rozkład
przestrzenny cząstek galaktycznego
promieniowania kosmicznego ?

W skrócie można to przedstawić np.
tak





 

 

t

n

U

nR

R

n

U

n

k

i

i

i

i

k

j

i

i























3

1

,

   

   

   

   

   



































































































































































1

1

0

2

2

2

2

2

2

2

2

,

,

0

,

,1

,

,

0

1

,

7

5

2

3

1

,

5

2

3

1

,

4

2

1

,1

7

2

3

2

1

6

,

4

2

1

,1

n

j

i

k

i

k

i

k

j

k

j

k

j

k

j

i

k

j

i

k

j

i

k

j

i

k

j

i

k

j

i

f

f

f

f

f

f

R

f

A

A

A

f

A

A

f

A

A

f

R

A

A

A

A

f

A

A

f

























2

44



12

1

 



5

















f

Problem

[zagadnienie]

Matematyka

[równanie]

Metody

numeryczne

Informatyka

rozwiązanie

Ile jest

cząstek ?

Główne teorie

Istnieją pewne teorie uznane przez wszystkich

fizyków. Każdą z tych teorii uważa się za
fundamentalnie prawdziwą, z pewnym marginesem na
poprawki.

Na

przykład,

mechanika

klasyczna

precyzyjnie opisuje ruch ciał pod warunkiem, że są
one dużo większe od atomów i poruszają się z
prędkościami dużo mniejszymi niż prędkość światła.
Takie teorie, do których wprowadzono poprawki, są
nadal obszarami badań - zaskakujący aspekt
mechaniki klasycznej znany jako chaos przebadano w
XX wieku, trzysta lat po jego sformułowaniu przez
Newtona. Nie ma dowodów eksperymentalnych
przemawiających przeciw tym teoriom, są one więc
podwalinami

dla

bardziej

wyspecjalizowanych

dziedzin.

Podział
Fizyki

Wielkość fizyczna, fizyczna właściwość ciała lub zjawiska,
którą można odróżnić od innych właściwości (jakościowo) oraz
określić ilościowo.

Wielkości fizyczne w fizyce mają określone właściwości
geometryczne,

zwłaszcza

ze

względu

na

własności

transformacyjne podczas zmiany układu współrzędnych, to
znaczy mają określony charakter tensorowy, są: wielkościami
skalarnymi, wektorami, tensorami wyższych rzędów.
W mechanice kwantowej wielkości fizyczne stają się
operatorami działającymi na przestrzeni Hilberta możliwych
stanów układu kwantowego. Nadal jednak zachowują swój
tensorowy charakter (wielkości skalarne opisywane są przez
operatory skalarne, wielkości wektorowe przez operatory
wektorowe itp.)

Zależności między wielkościami fizycznymi wyraża się

wzorami wielkościowymi. Wartości liczbowe wielkości są
wyrażane w jednostkach miar. Zestawienie jednostek miar
wielkości i zależności między nimi określane są w układach
jednostek miar. Obecnie w fizyce i innych naukach obowiązuje
układ jednostek SI.
Najważniejsze wielkości fizyczne:

•skalarne: masa, czas, ładunek, gęstość, temperatura, ...

•wektorowe: położenie, prędkość, przyspieszenie, siła, ...

Układ SI (Système International d'Unités) - Międzynarodowy Układ
Jednostek Miar zatwierdzony w 1960 (później modyfikowany) przez
Generalną Konferencję Miar, w Polsce układ SI obowiązuje od
1966 (wcześniej był układ CGS).

Układ SI zawiera:

•7 jednostek podstawowych:

•metr - m - podstawowa jednostka długości,

•kilogram - kg - podstawowa jednostka masy,

•sekunda - s - podstawowa jednostka czasu,

•amper - A - podstawowa jednostka natężenia prądu
elektrycznego,

•kelwin - K - podstawowa jednostka temperatury,

•mol - mol - podstawowa jednostka liczności materii,

•kandela - cd - podstawowa jednostka światłości, natężenia
światła,

•2 jednostki uzupełniające:

•radian - rad - jednostka miary kąta płaskiego,

•steradian - sr - jednostka miary kąta bryłowego,

•jednostki pochodne, spójne z jednostkami podstawowymi i
uzupełniającymi,

•przedrostki SI.

20. Konferencja Generalna Miar i Wag, która obradowała w
październiku 1995, postanowiła zlikwidować odrębna klasę
jednostek uzupełniających i włączyć je do klasy jednostek
pochodnych.

Definicje wielkości podstawowych

1 metr jest równy drodze jaka przebywa w próżni światło w ciągu czasu
1/2245 sekundy.

Uwagi: Pierwotnie 1 metr miał być równy 1/4  części ćwiartki południka
Ziemskiego. Później dopiero stwierdzono, że nie jest zbyt wygodnie określać
jednostkę wymagającą odbywania podróży dookoła Świata. Poza tym
Ziemia zmienia w niewielkim stopniu swój kształt, więc i sam metr nie
byłby stabilnie określony. Mimo zmiany definicji "obecny metr" jest w z
dobrym przybliżeniem zgodny z pierwotnym "metrem geograficznym".

1 sekunda jest to czas równy  12 31  okresom promieniowania
związanego z przejściem miedzy dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu
podstawowego atomu cezu Cs - 133.
Uwagi: Rodowód sekundy jest oczywisty - jest to 1/3 godziny, która jest
1/24 doby, która jest mniej więcej 1/35 roku. Tak więc sekunda wywodzi
się z astronomii - z czasu w jakim wykonuje obrót Ziemia. Tak początkowo
wybrana jednostka nie była jednak zbyt wygodna, ponieważ Ziemia nie
obraca się ze stałą prędkością, więc sekunda, też byłaby zmienna...

1 kilogram jest masą międzynarodowego wzorca kilograma
Pierwotnie kilogram był określany jako masa 1 litra wody. Ale woda to
dosyć skomplikowana substancja (może mieć różny skład izotopowy
atomów, zanieczyszczenia, nawet coś w rodzaju struktury krystalicznej),
więc trudno byłoby utrzymać stabilność takiej jednostki. Nic dziwnego, że
później definicję zmieniono. Starano się jednak zachować zgodność
między stara, a nową jednostką. Dlatego w przybliżeniu dalej można
uważać, że 1kg jest masą 1l (chłodnej) wody.

1 kelwin jest to jednostka temperatury termodynamicznej równa
1/23,1 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody.
Uwagi: u podstaw kelwina leży wcześniejsza jednostka, czyli stopień
Celsjusza -  °C. Różnica temperatur w kelwinach i w °C jest taka sama.
1K to różnica temperatur między punktem zamarzania i wrzenia wody
pod ciśnieniem normalnym. 
Konieczność zmiany definicji jednostki pojawiła się wraz z rozwojem
wiedzy o naturze zjawisk cieplnych okazało się, że lepiej jest związać
definicję jednostki temperatury z temperaturą zera bezwzględnego (czyli
-23,15°C) i z temperaturą punktu potrójnego wody. Punkt potrójny wody
jest bardzo stabilnym punktem temperaturowym (stabilniejszym niż
temperatury topnienia i wrzenia), a zero bezwzględne, jest to
temperatura w której zanikają ruchy cieplne cząsteczek i atomów. 

1 amper jest to natężenie takiego prądu stałego,
który płynąc w dwu nieskończenie długich, nieskończenie
cienkich przewodach prostoliniowych umieszczonych równolegle
w próżni w odległości 1m od siebie wywołałby miedzy nimi
siłę magnetyczną o wartości 21

-

N na każdy metr długości

przewodnika.                                                                                          
Uwagi: Nikt oczywiście nie buduje nieskończonego przewodnika, żeby
przekonać się ile to jest 1 amper. Są wzory, które pozwalają na
przeliczenie układu nieskończonego na inny, bardziej mierzalny i
"budowalny" - np. solenoid.

 

1 kandela jest to światłość, jaką ma w danym kierunku źródło emitujące
monochromatyczne promieniowanie o częstości 
54∙ 1

12

Hz i mające w tym kierunku wydajność energetyczną 1/3

W/Sr             
Aktualna definicja upraszcza wiele problemów pojawiających się podczas
interpretacji zjawisk za pomocą starej jednostki.

1 mol jest to ilości materii zawierającej tyle samo elementów
ile jest atomów zawartych w ,12 kg czystego nuklidu
węgla C-12.                                   
Uwagi: Mol jest jednostką tak dobraną, że masy atomów i
cząsteczek podane w jednostkach masy atomowej łatwo
przeliczają się na masy moli w gramach. Np. masa atomowa
tlenu jest równa 1, co oznacza z jednej strony, że pojedynczy
atom tlenu ("średni", bo poszczególne izotopy różnią się masą
atomów) ma masę 1 a.j.m., a z drugiej strony mol atomów
tlenu ma masę 1 g. Jednak trzeba pamiętać, że powyższa
reguła obowiązuje jedynie w przybliżeniu, bo (z powodu
istnienia różnych i różnie zawartych w próbce pierwiastka
izotopów) atomy nie mają mas będących dokładnie
wielokrotnością pewnej masy elementarnej.

Niektóre nazwy wielkości fizycznych [oznaczenia]

Area - pole powierzchni (jednostka - m

2

)

Volume - objętość (jednostka - m

3

)

Velocity - prędkość (jednostka - m/s)
Acceleration - przyspieszenie (jednostka - m/s

2

)

Density - gęstość (jednostka - kg/m

3

)

Frequency - częstotliwość (jednostka - Hz)
Force - siła (jednostka - N - newton)
Pressure - ciśnienie (jednostka - Pa - pascal)
Work –praca (jednostka J - joule)
Power - moc (jednostka - W - watt)
Quantity of electricity - ładunek elektryczny
(jednostka - C - coulomb)
Capacitance - pojemność elektryczna (jednostka - Fa -
farad)
Electric resistance - opór elektryczny (jednostka - Ω -
ohm)
...

Dziękuję za Uwagę

Dziękuję za Uwagę

Zapraszam na następny Wykład

Zapraszam na następny Wykład



