Mechanika Reinhard Kulessa I semestr r. akademickiego 2003/2004

Wykład z mechaniki.
Prof.. Dr hab. Reinhard Kulessa
Warunki zaliczenia:
1. Zaliczenie ćwiczeń(minimalna ocena dostateczny)
2. Zdanie egzaminu z wykładu
Egzamin z wykładu będzie składał się z egzaminu
TESTOWEGO USTNEGO
Termin egzaminu TESTOWEGO 28 stycznia 2004
godz.9-12 s.055 i s. 056
Kto nie zda egzaminu testowego (nie uzyska oceny
dostatecznej), będzie zdawał poprawkowy.
Reinhard Kulessa
1
Mechanika
Reinhard Kulessa
I semestr r. akademickiego 2003/2004
Podręczniki
Stosowane podręczniki mechaniki mogą być w dowolnym
języku .
Przykłady podane są na następnej stronie.
Reinhard Kulessa
2
1.
C. Kittel, W.D. Knight, M.A. Ruderman: Mechanika, PWN,
Warszawa 1969, lub wznowienia; tłumaczenie z "Mechanics –
Berkeley Physics Course" - Vol. 1
2. R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands: Feynmana wykłady z fizyki Tom Iczęść 1, PWN, Warszawa 1974, lub wznowienia, tłumaczenie z
"The Feynman lectures on physics"
3.
D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Fundamentals of Physics, Fifth
Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York 1997
4. A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski: Wstęp do Fizyki, tom 1, PWN,
Warszawa 1976, 1984
5. S. Szczeniowski: Fizyka Doświadczalna, Część I - Mechanika i
Akustyka, PWN, Warszawa 1980
6. P.A. Tipler: Physics for scientists and engineers, fourth edition W.H.
Freeman and Company, New York 1999
7. A. Piekara: Mechanika ogólna, PWN, Warszawa 1967,
8. A. Januszajtis: Fizyka dla Politechnik, Tom I, PWN 1977
Reinhard Kulessa
3
A. Wstęp
Zaczynacie Państwo studiowanie fizyki od jednego z
licznych działów – mechaniki.
Należałoby się zapytać jakie są cele badań fizycznych na
początki 21 wieku. Jedna z odpowiedzi mówi, że chodzi o
zbadanie struktury materii oraz oddziaływań pomiędzy jej
składnikami. Badania te można wykonywać różnymi
metodami. Podstawowymi są badania teoretyczne i
badania doświadczalne .
Fizyk teoretyk będzie starał się wyjaśnić znane zjawiska w
oparciu o proste reguły, oraz przewidywać nowe prawa i
zależności pomiędzy zjawiskami.
Reinhard Kulessa
4
Fizyk doświadczalny ma za zadanie odkrywać i opisywać
nowe zjawiska i prawidłowości nimi rządzące, lub sprawdzać
doświadczalnie przewidywania teoretyczne
Szybki rozkwit nauk przyrodniczych w ostatnim czasie
zawdzięczamy silnemu oddziaływaniu pomiędzy teorią a
doświadczeniem.
Ze słowem FIZYKA spotykamy się bardzo często w różnych
dziedzinach jak np.. biofizyka, astrofizyka, geofizyka,
fizykoterapia.
Biofizyka bada strukturę i funkcjonowania makrocząsteczek z
których jesteśmy zbudowani.
Geofizyka i astrofizyka zajmują się badaniem naszego
makroskopowego otoczenia.
Znamy oczywiście szereg innych dziedzin fizyki. Są nimi np..
Reinhard Kulessa
5
• Fizyka ciała stałego – badająca własności materii skondensowanej
• Fizyka atomowa -- badająca strukturę atomów
• Fizyka statystyczna – badająca układy wielu cząstek
• Fizyka jądrowa
-- badająca własności jąder atomowych
• Fizyka cząstek
elementarnych
-- zajmująca się własnościami tych cząstek i
• Fizyka medyczna
oddziaływaniami pomiędzy nimi
-- stosująca metody fizyczne w medycynie
• I wiele innych dziedzin fizyki, które Państwo poznacie w
czasie studiów.
Zobaczmy, z jakimi obiektami nie makroskopowymi
możemy mieć do czynienia w badaniach fizycznych.
Reinhard Kulessa
6
Z jakimi obiektami mamy do czynienia?
Kryształ
Atom
Jądro atom Cząstki elem
y
y
ny
Bariony
Kwarki
Cząstka
Reinhard Kulessa
7
Pomiędzy cząstkami elementarnymi istnieją cztery
oddziaływania fundamentalne. Oddziaływania te są
odpowiedzialne za siły działające pomiędzy cząstkami.
Podstawowe oddziaływania są następujące:
1. Grawitacyjne
2. Elektrosłabe
Elektromagnetyczne
Słabe
3. Silne
Silne jądrowe
Silne kolorowe
Elektryczne
magnetyczne
Dla opisu zjawisk fizycznych byłoby najlepiej, gdyby istniało
tylko jedno oddziaływanie, zawierające w sobie wszystkie do
tej pory wymienione. Jesteśmy blisko unifikacji
oddziaływań słabych, elektromagnetycznych i silnych.
Reinhard Kulessa
8
Jesteśmy jeszcze daleko od pełnej unifikacji wszystkich
oddziaływań.
Cztery Oddzialywania Fundamentalne
Grawitacja
Silne
Slabe
Elektromagnetyczne
Wszystkie siły z którymi możemy spotkać się na Ziemi mają
swoje źródło w tych czterech oddziaływaniach
Reinhard Kulessa
9
A.1. Podstawowe pojęcia fizycznego opisu natury
Wiemy już, że istnieją różnego rodzaju cząstki i oddziaływania pomiędzy
nimi. Zadajmy sobie pytanie, jak zachowuje się cząstka pod wpływem
tych oddziaływań?
W przeważającej liczbie przypadków stwierdzimy, że cząstka się porusza.
Z pewnością zaś cząstka będzie się poruszała pod wpływem sił grawitacji.
Jaki będzie tor tej cząstki?
Jak poruszają się nukleony pod wpływem sił jądrowych?
Jak poruszają się ładunki pod wpływem sił elektromagnetycznych?
Pierwszą próbę odpowiedzi na pytanie – jak porusza się ciało
pod wpływem działania siły podjął się w 1687 r. Newton.
Równania opisujące ruch, do których Newton doszedł
stanowią podstawę mechaniki klasycznej. Wiążą one ze sobą
pewne wielkości opisujące ruch, oraz powodującą ten ruch
siłę.
Reinhard Kulessa
10
Równania Newtona stanowiły rezultat obserwacji
doświadczalnych. Później okazało się, że można je łatwo
wyprowadzić ze znacznie ogólniejszych zasad zachowania.
Obszar zastosowań mechaniki klasycznej jest bardzo szeroki.
Obejmuje on takie dziedziny jak ruch planet, ruch
przedmiotów na Ziemi, działanie maszyn, rotacje, drgania,
kinematykę zderzeń, szereg zjawisk termodynamicznych i
wiele innych.
Okazało się jednak, że istnieje szereg zjawisk, których nie da
się opisać przy pomocy mechaniki klasycznej.
Należą do nich m.in.. ruchy z prędkościami zbliżonymi do
prędkości światła, czy ruchy w mikroświecie.
Mechanikę klasyczną musieliśmy więc uzupełnić teorią
względności i mechaniką kwantową.
Reinhard Kulessa
11
Mechanika Newtonowska posługiwała się pojęciem przestrzeni i czasu, przy
czym czas był taki sam niezależnie od układu współrzędnych, niezależnie od
tego czy układ współrzędnych się poruszał czy spoczywał.
Einstein w 1905 roku przepowiedział, że czas zależy od układu
współrzędnych. Zostało to dowiedzione doświadczalnie.
Faktem jest również to, że żadne ciało nie może się poruszać z prędkością
większą niż prędkość światła c.
Z kolei opis ruchów w mikroświecie, jak np.. nukleonów w jądrze
atomowym, czy elektronów w atomie znalazł swoje rozwiązanie w latach
30 XX wieku. Impulsem do tego była obserwacja, że cząstki mogą
zachowywać się jak fale, a fale jak cząstki. Falowy charakter materii daje
jednak znać o sobie dopiero przy ruchach w rozmiarach
mikroskopowych.
Jedną z podstawowych reguł jest tu relacja nieoznaczoności Heissenberga.
Mówi ona, że niedokładność wyznaczenia położenia jest tym większa, im
mniejsza jest niedokładność wyznaczenia prędkości.
Reinhard Kulessa
h
∆x ⋅ ∆vx ≥
2π
12