Fizyka i astronomia dla ka¿dego

Fizyka i astronomia
dla ka¿dego
Zakres podstawowy
dla szkó³ ponadgimnazjalnych
Pod redakcj¹
Barbary Sagnowskiej
Kraków 2007
Zam Kor
1
Autorzy:
Ma³gorzata Godlewska, Marek Godlewski, Jerzy M. Kreiner, Maria Rozenbajgier,
Ryszard Rozenbajgier, Barbara Sagnowska
Projekt ok³adki i szablonu graficznego:
Joanna Wypiór
Recenzje wewnêtrzne:
Danuta Biczewska, Jadwiga Jaworska, Adam Kleiner, Jadwiga Salach
© Copyright by ZamKor, Spó³ka Jawna
ul. Tetmajera 19, 31-352 Kraków
tel.: 0 12 623 25 00
faks: 0 12 623 25 13
e-mail: [email protected]
http://www.zamkor.pl
ISBN 978-83-88830-96-9
ISBN 83-88830-96-1
Druk i oprawa:
P.W. STABIL, Kraków, 0 12 410 28 20
2
Spis treœci
1. Otaczaj¹cy nas Wszechœwiat
. . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1. Sk¹d siê wziê³o w najdawniejszych czasach
zainteresowanie astronomi¹? . . . . . . . .
1.2. Orientacja na niebie. Gwiazdy i galaktyki . . . .
1.3. Czym zajmuje siê kosmologia? . . . . . . . .
1.4. O uk³adach planetarnych wokó³ gwiazd . . . .
1.5. Gwiazdy „b³¹dz¹ce”, czyli planety . . . . . . .
1.6. Nasz najbli¿szy s¹siad w przestrzeni – Ksiê¿yc .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. 9
13
22
29
35
49
2. Podstawowe prawa mechaniki . . . . . . . . . . . . . . 59
2.1. Co mierzymy, wa¿¹c? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Czyli pierwsza i trzecia zasada dynamiki
2.2
Czy cia³a ciê¿sze spadaj¹ krócej ni¿ l¿ejsze? . . . . . . . . 64
Czyli druga zasada dynamiki Newtona
2.3. Wszystkie cia³a przyci¹gaj¹ siê wzajemnie . . . . . . . . . 68
Czyli prawo powszechnej grawitacji
2.4. Do czego s³u¿¹ satelity geostacjonarne? . . . . . . . . . . 72
Czyli si³a doœrodkowa
2.5. Wyruszamy w Kosmos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Czyli postaæ ogólna drugiej zasady dynamiki; zasada zachowania pêdu
2.6. Co to znaczy, ¿e cia³o jest w stanie niewa¿koœci? . . . . . 83
2.7. Czy mo¿na ¿yæ w œwiecie bez tarcia? . . . . . . . . . . . . 85
Czyli tarcie statyczne i kinetyczne
2.8. Co w fizyce oznacza wykonywanie pracy? . . . . . . . . . . 91
Czyli praca mechaniczna i moc
2.9. Jak na co dzieñ u³atwiamy sobie wykonywanie pracy? . . . . 96
Czyli maszyny proste
2.10. Energia – najwa¿niejsze pojêcie fizyczne . . . . . . . . . 101
Czyli energia potencjalna i kinetyczna; zasada zachowania energii mechanicznej
2.11. Jak¹ szybkoœæ trzeba nadaæ cia³u na Ziemi, by mog³o
opuœciæ Uk³ad Planetarny? . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Czyli druga prêdkoœæ kosmiczna
3. Mechanika cieczy i gazów
. . . . . . . . . . . . . . . 109
3.1. Jak dzia³aj¹ hamulce samochodowe? . . . . . . . . . . . 109
Czyli prawo Pascala dla cieczy i gazów
3
3.2. Dlaczego okrêt p³ywa? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Czyli prawo Archimedesa
3.3. Dlaczego samolot lata? . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Czyli prawo Bernoulliego; si³a noœna
4. Ruch drgaj¹cy i falowy . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.1. Wokó³ wszystko drga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Czyli wielkoœci opisuj¹ce ruch drgaj¹cy; rezonans mechaniczny
4.2. Sk¹d siê bior¹ fale? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Czyli fala jako zaburzenie rozchodz¹ce siê w oœrodku sprê¿ystym
4.3. Czym ró¿ni siê fala d¿wiêkowa od fali na wodzie?
Czyli fale pod³u¿ne i poprzeczne
4.4. Gdy fala spotyka falê . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Czyli zasada Huygensa; interferencja i dyfrakcja fal
4.5. Jak wykryæ zanurzony okrêt podwodny? . . . . . . . . . . 150
Czyli zjawisko odbicia fali
4.6. Czym charakteryzuj¹ siê dŸwiêki?. . . . . . . . . . . . . 153
Czyli o dŸwiêkach, tonach i szmerach
4.7. Co s³yszymy? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Czyli o cechach dŸwiêków i zjawisku Dopplera
5. Fizyka cz¹steczkowa i termodynamika . . . . . . . . . . 161
5.1. Hit reklamowy – dyfuzja . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Czyli cz¹steczkowa teoria budowy materii; równanie stanu gazu doskona³ego
5.2. Co wspólnego z fizyk¹ ma proszek do prania? . . . . . . . 166
Czyli si³y miêdzycz¹steczkowe
5.3. Co spowodowa³o katastrofê promu kosmicznego?. . . . . 170
Czyli w³aœciwoœci sprê¿yste cia³ sta³ych
5.4. Poznajemy nowy rodzaj energii . . . . . . . . . . . . . . 173
Czyli energia wewnêtrza, ciep³o; pierwsza zasada termodynamiki
5.5. Dlaczego kaloryfery maj¹ z³o¿on¹ konstrukcjê? . . . . . . 178
Czyli transport energii wewnêtrznej; ciep³o w³aœciwe; przewodnictwo cieplne
5.6. Dbaj o sprawne dzia³anie domowej wentylacji!. . . . . . . 182
Czyli transport energii przez konwekcjê
5.7. Dlaczego lodówka wewn¹trz ch³odzi, a na zewn¹trz grzeje? 184
Czyli przemiany energii wewnêtrznej w zjawiskach topnienia i parowania
5.8. Jak dzia³a silnik samochodowy? . . . . . . . . . . . . . 191
Czyli przemiany energii wewnêtrznej w energiê mechaniczn¹
5.9. Nieporz¹dek robi siê sam . . . . . . . . . . . . . . . . 195
Czyli procesy odwracalne i nieodwracalne; entropia
4
6. Elektromagnetyzm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.1. Uwaga! Dotykanie grozi pora¿eniem! . . . . . . . . . . . 199
Czyli ³adunki elektryczne; pole elektrostatyczne; pr¹d sta³y
6.2. Oszczêdzaj energiê elektryczn¹! . . . . . . . . . . . . . 208
Czyli opór elektryczny; praca i moc pr¹du; pr¹d przemienny
6.3. Kiedy bezpiecznik wy³¹cza nam pr¹d? . . . . . . . . . . 214
Czyli ³¹czenie szeregowe i równoleg³e odbiorników
6.4. Odkrycia, które zmieni³y œwiat . . . . . . . . . . . . . . 219
Czyli si³a elektrodynamiczna; indukcja elektromagnetyczna
6.5. Czy pó³nocny biegun magnetyczny Ziemi le¿y na pó³nocy? . 227
Czyli pole magnetyczne Ziemi
6.6. Dlaczego nie mo¿emy otrzymaæ pojedynczego bieguna
magnetycznego?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Czyli w³aœciwoœci magnetyczne materii
6.7. Czy u¿ywanie telefonów komórkowych szkodzi zdrowiu? . . 233
Czyli fale elektromagnetyczne
7. Optyka. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
7.1. Dlaczego cia³a œwiec¹? Jaka jest natura œwiat³a? . . . . . 243
Czyli Ÿród³a œwiat³a; falowa i korpuskularna teoria œwiat³a
7.2. Jedno z najwa¿niejszych doœwiadczen fizyki – doœwiadczenie
Younga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Czyli interferencja i dyfrakcja œwiat³a
7.3. Co wspólnego ma szczotka do mycia butelek z fal¹
œwietln¹? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Czyli polaryzacja œwiat³a
7.4. Œwiat³o przenosi informacje . . . . . . . . . . . . . . . 258
Czyli odbicie, za³amanie i rozproszenie œwiat³a
7.5. Dlaczego widzimy swoj¹ twarz w lustrze? . . . . . . . . . 263
Czyli powstawanie obrazów w zwierciad³ach
7.6. Najczêœciej u¿ywany przyrz¹d optyczny . . . . . . . . . . 267
Czyli obrazy w soczewkach cienkich
7.7. Ka¿dy chce widzieæ jak najlepiej . . . . . . . . . . . . . 270
Czyli oko i lupa jako przyrz¹dy optyczne
7.8. Patrzymy w niebo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Czyli o teleskopach
7.9. Czy œwiat³o na pewno jest fal¹? . . . . . . . . . . . . . 279
Czyli zjawisko fotoelektryczne zewnêtrzne
5
7.10. Atomowy odcisk palca . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Czyli widmo wodoru
7.11. Elektron na karuzeli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Czyli model Bohra budowy atomu
7.12. Niezwyk³e œwiat³o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
Czyli laser
8. Elementy teorii wzglêdnoœci . . . . . . . . . . . . . . . 293
8.1. Czas p³ynie niejednakowo . . . . . . . . . . . . . . . . 293
Czyli wzglêdnoœæ pojêcia jednoczesnoœci
8.2. E = mc 2 – najwa¿niejszy wzór w fizyce . . . . . . . . . . 299
9. Od mikroœwiata do Kosmosu
. . . . . . . . . . . . . . 303
9.1. Jak odkrywano cz¹stki elementarne? . . . . . . . . . . . 303
9.2. Czym zajmowa³a siê Maria Sk³odowska-Curie? . . . . . . 305
Czyli promieniotwórczoœæ naturalna
9.3. Czy mo¿na unikn¹æ kontaktu z promieniowaniem
jonizuj¹cym? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
9.4. O wykorzystaniu izotopów promieniotwórczych
w medycynie i technice . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Czyli sztuczna promieniotwórczoœæ
9.5. Si³y dzia³aj¹ce miêdzy sk³adnikami j¹dra. Energia
wi¹zania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
9.6. Czy budowaæ elektrownie j¹drowe? . . . . . . . . . . . . 318
Czyli zjawisko rozszczepienia ciê¿kich j¹der
9.7.
9.8.
9.9.
9.10.
Dlaczego S³oñce œwieci? . . . . . . . . . . . . . .
O ewolucji gwiazd, czyli o tym, jak d³ugo „¿yj¹” gwiazdy
Diagram Hertzsprunga Russella . . . . . . . . . . .
Jednoœæ mikro- i makroœwiata . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
323
326
333
336
Aneks 1. Opisujemy ruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
Aneks 2. Niepewnoœci pomiarowe . . . . . . . . . . . . . . 347
Odpowiedzi do zadañ rachunkowych . . . . . . . . . . . . . 353
Tabele wielkoœci i sta³ych fizycznych oraz astronomicznych . . 357
Skorowidz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
6