Strona główna

Wykład 1 Istota fizyki


Pobieranie 20.04 Kb.
Data20.06.2016
Rozmiar20.04 Kb.
Podręczniki :

Jay Orear: Fizyka t.1

David Halliday, Robert Resnick: Fizyka t.1

Krzysztof Lichszteld, Irena Kruk: Wykłady z fizyki.

A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski Wstęp do fizyki t.1

WYKŁAD 1

Istota fizyki


Świat, w którym żyjemy jest niezmiernie skomplikowany, pełen różnorodnych zjawisk. Od kiedy człowiek zaczął rozumnie patrzeć na swoje otoczenie świat ten go zadziwiał, czasem przerażał, ale równocześnie zaciekawiał. Pojawiały się pytania: dlaczego? jak ?

Znacznie później narodził się światopogląd naukowy, opierający się na założeniu, że zjawiskami przyrody rządzą uniwersalne prawa, które człowiek może poznawać, a poznawszy je - może wyjaśniać i zrozumieć nie tylko zjawiska znane, lecz także przewidywać nowe oraz wykorzystywać swą wiedzę do zastosowań praktycznych.



Fizyka jest podstawową nauką przyrodniczą zajmującą się badaniem najbardziej fundamentalnych właściwości materii oraz poszukiwaniem i poznawaniem podstawowych praw przyrody od których zależą wszystkie zjawiska fizyczne. Prawa fizyki są to uniwersalne (rys.) związki pomiędzy faktami i zjawiskami fizycznymi wyrażone w postaci wzorów i równań matematycznych. Często prawa te mają szczególnie zwięzłą i prostą postać

a przy tym zakres ich stosowalności może być niezmiernie szeroki, np. słynny wzór Einsteina wyrażający związek pomiędzy masą i energią. Oczywiste jest, że nie znamy jeszcze wszystkich praw fizyki, wiemy również, że znane już nam prawa są często przybliżone, o ograniczonym zakresie stosowalności np. zasady dynamiki Newtona, a szczególna teoria względności, lub mechanika kwantowa.



Wielkości fizyczne. Układ jednostek

Fizyka jest nauką ścisłą i ilościową, ponieważ posługuje się wielkościami fizycznymi, które można ujmować ilościowo w postaci liczb (wyników pomiarów) oraz praw wyrażonych matematycznie (wzory, równania). Wielkościami fizycznymi nazywamy takie właściwości ciał i zjawisk, które można porównywać ilościowo z takimi samymi właściwościami innych ciał lub zjawisk. Dobrze znane przykłady wielkości fizycznych to np.: długość, kąt, czas, prędkość, przyspieszenie, masa, siła, praca, ładunek elektryczny, natężenie prądu elektrycznego. Istnieje tak wiele różnych wielkości fizycznych, że zachodzi potrzeba ich uporządkowania - wiele wielkości fizycznych wzajemnie od siebie zależy, np. gęstość jest stosunkiem masy do objętości ciała, prędkość stosunkiem długości drogi do czasu, w którym ta droga została przebyta. Ze wszystkich możliwych wielkości fizycznych wybrano zatem kilka takich, dla których łatwo jest podać sposób ich pomiaru. Nazwano je wielkościami podstawowymi. Wszystkie zaś pozostałe nazywamy wielkościami pochodnymi.

W 1960 r. na XI Generalnej Konferencji Miar i Wag w Paryżu wprowadzono tzw. międzynarodowy układ jednostek oznaczany w skrócie SI od nazwy francuskiej Le Systeme International d’Unites. Układ ten oparty jest obecnie na siedmiu niezależnych jednostkach podstawowych odpowiadających siedmiu wielkościom fizycznym przyjętym za podstawowe. (tabela 1). Jednostki wielkości pochodnych definiuje się za pomocą jednostek podstawowych. Innymi słowy - wielkości podstawowe wyznaczają wymiar wielkości pochodnych (tabela 2).

Wymiar wielkości fizycznej – wyrażenie charakteryzujące związek tej wielkości z wielkościami podstawowymi danego układu jednostek. Ma ono postać jednomianu tj. iloczynu wielkości podstawowych w odpowiednich potęgach (całkowitych lub ułamkowych, dodatnich lub ujemnych)

Często dla wygody, oprócz wymienionych jednostek podstawowych, używa się również jednostek wielokrotnych. Tworzy się je dodając do nazwy jednostki przedrostek określający odpowiednią potęgę dziesięciu (tabela 3), np. długość fali światła widzialnego mieści się w przedziale 4-7 x 10-7 m (nm lub m), efektywny promień protonu 1,2 x 10-15 m (fm). Do wyjątków należą np. jednostki czasu (s, min, h) oraz jednostki długości używane w astronomii (1 AU = 149,6 x 106 km, 1 ly = 9,46 x 1012 km). Zdecydowały o tym względy praktyczne i historyczne.

Układ SI został przyjęty jako obowiązujący przez wiele państw, m.in. przez Polskę (w 1966 r.). Z układem SI konkurują dwa inne układy jednostek. Jednym z nich jest układ Gaussa (oparty na cm, g i s), stosowany często przed wprowadzeniem układu SI, drugim zaś - układ anglosaski, będący nadal w użyciu w Wielkiej Brytanii, USA i kilku innych krajach. W układzie anglosaskim jednostkami długości są cal (1 in = 2,54 cm), stopa (1ft = 0.3048 m) oraz mila (1 mi = 1,609 km), zaś jednostką masy funt (1 lb = 0.4536 kg, 1 kg=2,205 lb).



Konwersja jednostek

Czasem zdarza się, że podczas rozwiązywania konkretnego problemu spotykamy się z jednostkami mieszanymi, (np. gdy dane, które zamierzamy podstawić do wzoru odczytujemy z tablic). W takiej sytuacji przed podstawieniem danych do wzoru musimy przekształcić je tak, aby wszystkie jednostki były zgodne. Przy wszystkich obliczeniach należy pamiętać o określeniu jednostek końcowego wyniku – bez podania jednostki wynik nie ma sensu.


Przykład 1

Wyrazić prędkość v = 60 mph w m/s

1 mi = 1,61 km = m , 1 h = 60 min = 3600 s = s

v = 60 mph =

Jednym ze sposobów upewnienia się, że dane równanie jest poprawne, jest sprawdzenie wymiarów wszystkich jego wyrazów. W każdym poprawnym równaniu fizycznym wymiary wszystkich jego wyrazów muszą być jednakowe.

Przykład 2

Prędkość punktu materialnego poruszającego się ruchem prostoliniowym opisuje równanie

v(t)=A+Bt+Ct2, gdzie A=0.06 km/min, B=1296 km/h2, C=5 cm/s3. Obliczyć prędkość punktu po upływie 2 s od chwili rozpoczęcia ruchu.

A = 1 m/s, B = 0,1 m/s2, C = 0,05 m/s3, v(2s) = 1,4 m/s


Analiza wymiarowa

Zdarza się, że ścisłe wyprowadzenie jakiegoś wzoru, lub prawa fizycznego nie jest możliwe. Istnieje jednak prosty i skuteczny sposób, który można zastosować gdy chcemy jakiś wzór wyprowadzić lub sprawdzić. Postępowanie to, zwane analizą wymiarową, polega na ustaleniu przybliżonej postaci wzoru (z dokładnością do stałej bezwymiarowej) na podstawie samej tylko analizy wymiarów wielkości fizycznych, które, jak przypuszczamy, wchodzą w skład tego wzoru. Zakładamy przy tym, że poszukiwana wielkość fizyczna wyrażona jest przez iloczyn potęg innych wielkości fizycznych. W celu zilustrowania tej metody rozważmy następujący przykład



Przykład 3

Ciało o masie m zawieszone jest na sprężynie o współczynniku sprężystości k. Jeśli ciało zostanie wychylone z położenia równowagi na odległość x, układ uzyskuje energię potencjalną sprężystości, kosztem wykonanej przez nas pracy. Znaleźć wyrażenie na energię sprężystości układu.



Etap I: Wypisanie wielkości fizycznych, od których, jak przypuszczamy, może zależeć poszukiwana wielkość oraz ich wymiarów. W naszym przykładzie zakładamy, że energia sprężystości układu Es może zależeć od: k, x oraz m.

, , ,

Etap II: Sformułowanie hipotetycznego wzoru wiążącego te wielkości fizyczne:

Es = Ckmx



Etap III: Porównanie wymiarów wielkości fizycznych po obu stronach równości:

Porównując wykładniki:

przy m: 1=

przy l: 2=

przy t: -2

Powyższy układ równań ma jednoznaczne rozwiązanie:

, stąd też poszukiwana przez nas zależność ma postać: Eps= Ckx2 (w rzeczywistości: Eps= 0.5 kx2). Jak widać, metoda ta pozwoliła nam nawet skorygować błędne przypuszczenie o zależności energii potencjalnej sprężystości od masy ciała (wykładnik przy masie wyszedł równy 0).
Obserwacja, doświadczenie, pomiar

Fizyka, podobnie jak inne nauki przyrodnicze, opiera się na obserwacji i doświadczeniu. Obserwacja polega na badaniu zjawiska w warunkach naturalnych oraz na analizie czynników i warunków, od których zjawisko to zależy. Warunki te mogą być zmienne, a czynników wpływających na przebieg zjawiska może być wiele. W celu ustalenia prawa rządzącego zjawiskiem konieczne jest zatem wykonywanie doświadczenia, czyli obserwacji zjawiska w warunkach stworzonych sztucznie, kontrolowanych przez badacza.

(Przykład: Chcemy wyznaczyć okres drgań wahadła utworzonego z kuli zawieszonej na nitce.

Obserwujemy, że wahadło wykonane z piłeczki ping-pongowej wychylone z położenia równowagi wykonuje tylko kilka wahnięć o malejącej amplitudzie, podczas gdy wahadło utworzone z pełnej kulki stalowej o tej samej średnicy i zawieszonej na tej samej nici będzie wahać się przez czas stosunkowo długi. Z obserwacji tej można by wyciągnąć wniosek (błędny!) o zależności ruchu wahadła od własności ciała zawieszonego np. od jego masy.

Wystarczy jednak umieścić oba wahadła pod kloszem szklanym, który opróżniamy z powietrza, by przekonać się, że czynnikiem zakłócającym ruch wahadeł był opór powietrza, po jego wyeliminowaniu oba wahadła wykonują ruch drgający o niemalejącej amplitudzie i tym samym okresie). Analiza czynników i warunków wpływających na przebieg obserwowanego zjawiska jest szczególnie trudna gdy przedmiotem badań są materiały biologiczne, lub organizmy żywe.

Doświadczenia przeprowadza się w laboratorium posługując się przyrządami skonstruowanymi w oparciu o aktualny stan wiedzy. Za pomocą przyrządów dokonuje się pomiarów wielkości fizycznych. Pomiar wielkości fizycznej polega na porównaniu jej z wielkością tego samego rodzaju przyjętą za jednostkę. Zatem liczba otrzymana jako wynik pomiaru zależy od wyboru jednostki (przykład: pomiar długości w cm, m, ft, in itp.). Wynik pomiaru musi więc zawsze składać się z dwóch części: wartości liczbowej oraz jednostki.







©snauka.pl 2016
wyślij wiadomość