Wyklad 1_nv
Transkrypt
Wyklad 1_nv
Wykład 1 Trzeba milczeć albo mówić rzeczy lepsze od milczenia. Pitagoras I. Początek nauki Egipt, Piramidy, świątynie. Rys. Widok na piramidy w Gizie Kultura niezwykle zamknięta. Pismo hieroglificzne. Praktycznie izolowana, brak interakcji, pływu, na otocznie. Sumerowie Tajemniczy lud, który pojawił się w południowej Mezopotamii około połowy IV tysiąclecia p.n.e. Nie wiadomo skąd przybył, nie znamy jego pochodzenia. Przypuszcza się, że przybył drogą morską (z dzisiejszych Indii?). Po około tysiącu lat, Sumerowie zostali podbici przez napływające ludy semickie Akadowie, Huryci, Amoryci, etc. Z czasem zasymilowali się z przybyszami ich odrębność etniczna roztopiła się w masie napływających ludów. Ale ich wysoka kultura i zdobycze cywilizacyjne zostały przejęte przez ludy Bliskiego Wschodu, i poprzez te ludy, stały się spuścizną i zarazem fundamentem cywilizacji Bliskiego Wschodu, a dalej Grecji, Rzymu i całego Zachodu. 1 Sumerowie podłożyli podstawy do rozwoju sztuki (pismo klinowe i literowe), religii nauki, sztuki i inżynierii. Warto przypomnieć, ze patriarcha Abram (Abraham) pochodził z sumeryjskiego miasta Ur. I nie jest to rzecz przypadku. Świadczy o tym Biblia – Stary Testament, który w wielu częściach ma swoje podstawy w literaturze sumeryjskiej: opis Potopu znajdujemy w eposie o Gilgameszu. Rys. Popiersie mężczyzny z Uruk, 3400 – 3200 p.n.e. Osiągnięcia Sumerów: • system pomiaru czasu – 24 godziny, 60 minut, 60 sekund; 360 stopni w okręgu; system miar i wag (1 talent = 30 min, 1 mina = 60 szekli); • tabliczka z Babilon, 1900-1680 p.n.e., π = 3,125. • kalendarz księżycowy, astronomia i astrologia, arytmetyka, geometria, wiara w przeznaczenie, magię, horoskopy, anioły, diabły, demony, transcendentnego boga – to również dziedzictwo Sumerów, • pismo klinowe!!! Rys. Ewolucja znaków mezopotamskiego pisma klinowego 2 Przejście od piktogramów (pismo hieroglificzne) do pisma literowego. Pismo klinowe (Sumeryjskie) przejęły wszystkie ludy Bliskiego Wschodu, w tym ludy indoeuropejskie (Hetyci) i ludy semickie (Akadowie, Huryci, Amoryci, i inni). Z pisma klinowego rozwinęły się trzy nowe rodzaje pisma: ugaryckie, elamickie, staroperskie. Pismo staroperskie, pochodzące od elamickiego, było pismem literowosylabowym, w zewnętrznej formie było pismem klinowym ale w strukturze wewnętrznej było pismem literowym. Pismo ugaryckie (od miasta Ugarit, w dzisiejszym północnosyryjskim wybrzeżu Morza Śródziemnego) XV-XIV w p.n.e. było pismem klinowym. Składało się z 30 znaków – było pierwszym pismem literowym i tym samym pierwszym pismem alfabetycznym! Protoplastą naszego alfabetu był alfabet Fenicjan, powstały na bazie pisma ugaryckiego. pismo klinowe (Sumerowie) → pismo ugaryckie (literowe) → pismo fenickie (ludy semickie: alfabet hebrajski, arabski, inne) → alfabet grecki → alfabet rzymski (przejęty przez ludy germańskie, słowiańskie, romańskie i wiele innych) Schemat rozwoju pisma, od Sumerów do dzisiaj. • koło, brąz, żelazo Rys. Sztandar z Ur, około 2600 p.n.e. Sceny wojenne. 3 Wykorzystanie wynalazków do celów wojennych. Pierwszy raz tak jawnie ukazany związek między postępem technicznym a technologią militarną. Cele wojenne – pierwszy i główny powód wynalazków i postępu technicznego i technologicznego. • piła, dłuto, wiertło, gwoździe, pierścionki, motyka, siekiera, nóż, miecz, systemy irygacyjne, i wiele innych, w tym biurokracja! Biurokracja (wywodząca od administracji świątyń a później administracji królów (książąt) sumeryjskich i akadyjskich) jest również wynalazkiem Sumerów. II. Grecja i Rzym 1. Archimedes (ur. 287 p.n.e – zm. ok. 212 p.n.e), Archimedes, Domenico Fetti (1620) Wielki matematyk, fizyk, inżynier, odkrywca i wynalazca, najwybitniejszy w okresie starożytnym. Jest to jeden z trzech największych odkrywców obok Izaaka Newtona i Alberta Einsteina Arichimedes został zamordowany przez rzymskiego żołnierza podczas zdobycia Syrakuz na Sycylii (212 p.n.e.) przez rzymskie legiony dowodzone przez Marka Marcellusa podczas drugiej wojny punickiej. Nie ruszaj moich kół – ostatnie słowa Archimedesa do żołnierza, który przebił go mieczem. Osobny problem to dzieje „ostatnich słów” wielkich osobistości. Powstały nawet książki na ten temat. 4 Inni (niektórzy) uczeni starożytnej Grecji: 2. Demokryt z Abdery (ur. ok. 460 p.n.e., zm. ok. 370 p.n.e.) - rozwinął atomistyczną teorię materii, tworząc pierwszy dojrzały system filozofii materialistycznej. „Istnieją jedynie atomy i pusta przestrzeń; cała reszta to tylko poglądy”. 3. Heron z Aleksandrii (10 - ok. 70) – starożytny grecki matematyk, fizyk, mechanik, wynalazca i konstruktor. Jego największe odkrycia i wynalazki to: • • • • • • pierwowzór parowej turbiny (bania Herona) maszyny do czerpania wody maszyny oblężnicze wzór na pole trójkąta zwany wzorem Herona wzory na powierzchnię i objętość innych figur geometrycznych metody przybliżonego obliczania pierwiastków 4. Pitagoras z Samos (ur. 582, zm. 493) – grecki matematyk, filozof, mistyk. Twórca szkoły pitagorejskiej. Twierdzenia Pitagorasa – prawdopodobnie nie zostało stworzone przez samego Pitagorasa, lecz przez jednego z przedstawicieli szkoły pitagorejskiej i przypisane mistrzowi. Niektóre maksymy Pitagorasa (lub jemu przypisywane) • Kto mówi, sieje, kto słucha, zbiera. • Liczba jest istotą wszystkich rzeczy. • Muzyka budzi w sercu pragnienie dobrych czynów. • Tak długo jak człowiek będzie zabijał zwierzęta, ludzie będą zabijali się nawzajem. W istocie, ten kto zabija i zadaje ból, nie zazna radości i miłości. • Najkrótsze wyrazy "tak" i "nie" wymagają najdłuższego zastanowienia. • Nic w nadmiarze. • Trudno jest iść przez życie wieloma drogami jednocześnie. • Zły język zdradza złe serce 5. Euklides z Aleksandrii (ur. ok. 365 p.n.e., zm. ok. 300 p.n.e.). Autor dzieła: Elementy, o geometrii i liczbach, które zostało przetłumaczone na olbrzymią ilość języków, a ilością wydań ustępuje jedynie Biblii. Aksjomaty Euklidesa (5) – geometria Euklidesowa. Czy istnieje geometria nieeuklidesowa? W 1899 David Hilbert (XXII wieki później) podał swój zestaw aksjomatów geometrii euklidesowej, gdy okazało się, że zestaw Euklidesa zawiera luki. Aksjomaty Hilberta tworzą zestaw aksjomatów zupełny i wolny od błędów. III. Problemy Archimedesa (niektóre): 1. Obliczeni objętości i powierzchni brył – całki, dalej rachunek różniczkowy i całkowy (zmora studentów). Sferę i walec wyryto na grobowcu Archimedesa. 2. Obliczenie wartości liczby π, 5 3. obliczenie powierzchni koła, 4. wyznaczenie długości obwodu koła, Rys. Sfera i walec. Sfera ma 2/3 powierzchni i objętości walca opisanego na niej. Zadanie: sprawdź, czy jest to prawda. Zadanie: jak obliczyć pole powierzchni koła? Zadanie sprowadza się do wyznaczenia wartości liczby π Rozwiązanie: Wyjść od pola trójkąta, czworokąta, itd. Można opisać, przybliżyć pole koła poprzez pole n-boku. Umiemy policzyć pole powierzchni kwadratu, pięcioboku, sześcioboku, …, n - boku. Rys. Pole powierzchni koła Im więcej boków, tym dokładniej znamy pole koła. Dla 96 boków, Archimedes wyliczył, że wartość π leży pomiędzy 3 + 1/7 (3.1429) i 3 + 10/71 (3.1408). Archimedes wyznaczył pole koła Sk= π r2 1. Śruba Archimedesa, stosowana do dziś do pompowania wody 6 2. Prawo Archimedesa: „Na każde ciało zanurzone w cieczy (gazie) działa siła wyporu równa, co do wartości ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało”. Podstawa inżynierii okrętowej i budowy statków 3. Zasada dźwigni. „Dajcie mi punkt podparcia a poruszę ziemię” Inne problemy: kwadratura koła, kwadratura paraboli, spirala Archimedesa i wiele innych. Prawie wszystkie pisma Archimedesa zaginęły! Znamy tylko fragmenty cytowane przez innych autorów oraz omówienia jego oryginalnych prac. Zadanie: czarna tarcza obraca się ze stała prędkością kątowa. Ze środka tarczy rusza mrówka poruszająca się ze stałą prędkością w kierunku brzegu tarczy. Jaki tor zakreśli mrówka? Odpowiedź: mrówka zakreśli spiralę Archimedesa (patrz rysunek poniżej) 10 5 15 10 5 5 10 15 5 10 15 Rys. Spirala Archimedesa Rozwiązanie jest bardzo proste w układzie biegunowym i trochę bardziej skomplikowane w układzie kartezjańskim. Trochę matematyki, spirala Archimedesa w układzie biegunowym: 7 ϕ = c t; r = a ϕ + b; gdzie a, b, c – stałe (constans) Zadanie: Jaki tor zakreślą dwie obrażone na siebie mrówki, gdy zaczną się od siebie oddalać ze stałą prędkością (na obracającej się płycie, czyli w obracającym się układzie współrzędnych)? IV. Nauka nowożytna. Izaak Newton (4 styczeń 1643 – 31 marzec 1727) angielski fizyk, matematyk, astronom, filozof i alchemik. IsaacNewton (1689), Godfrey Kneller Podstawowe dzieło: Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (znane jako Principia) opublikowane 5 lipca 1687. Osiągnięcia Izaaka Newtona: § stworzył podstawy mechaniki (3 prawa Newtona), zasada zachowania pędu i momentu pędu, wyjaśnił prawa Keplera (empiryczne), odkrył prawo powszechnego ciążenia -> teorii grawitacji, ostatecznie obalił heliocentryzm, § optyka (kolory, pryzmat) akustyka i inne. § Matematyka: razem z Gottfriedem Leibnizem stworzył rachunek różniczkowy i całkowy. 8 V Fizyka Fizyka jest nauką przyrodniczą, której przedmiotem badań jest świat materialny (od mikro do wszechświata). Metody badań: obserwacja, eksperyment. Metody intelektualnego poznania: indukcja, dedukcja: ü Indukcja: typ rozumowania redukcyjnego – wnioskowanie „od szczegółu do ogółu”. Z prawdziwości racji (wniosków) wnioskujemy prawdziwość następstw (przesłanek). Zastosowanie: logika, matematyka (indukcja matematyczna) nauki ścisłe, filozofia (!?) – nie zawsze (fundamentalna różnica poglądów). ü Dedukcja: rozumowanie logiczne mające na celu dojście do określonego wniosku na podstawie założonego wcześniej zbioru przesłanek – wnioskowanie „od ogółu do szczegółu”. Pozwała na przewidywanie wyników doświadczenia, odkrywanie nowych zjawisk. Nawet filozofowie (!!!) uznają poprawność rozumowania dedukcyjnego (o ile nie zawiera błędów) ü Rys. Poznanie otaczającego nas świata Z czego zbudowany jest świat? Jaka jest podstawowa „cegiełka” z której zbudowano materię? Cebula poznania: 9 Materia -> Cząsteczki chemiczne (molekuły) -> Atom (Demokryt, niepodzielny?) -> Jądro atomowe, elektrony -> Cząsteczki elementarne (? setki: proton, elektron, miony etc, )-> Cząsteczki elementarne: leptony i kwarki-> Co dalej? Czy są cząsteczki bardziej elementarne? Rodziny cząstek: kwarki u d s c leptony t b ↔ e ν e µ ν µ τ ν τ Plus: cząstki pośredniczące – cząstki przenoszące oddziaływania 1. Cząstki elementarne a) Kwarki, własności Nazwa Down Up Strange Charmed Bottom Top Symbol d u s c b t Masa (GeV/c2) ~0.35 mu ≈ md ~0. 5 ~1.5 ~4.5 171.2 ± 2.1 Ładunek elektryczny -1/3 2/3 -1/3 2/3 -1/3 2/3 Zapach Izospin -1 +1 -1 +1 -1 +1 1/2 1/2 0 0 0 0 Antycząstka symbol d u s c b t b) Leptony, własności Nazwa neutrino elektrono we neutrino mionowe neutrino taonowe elektron mion taon Symb ol νe Masa (MeV/c2) < 2 (eV/c2) Ładunek elektryczny 0 Czas życia νµ < 0.19 0 stabilny ντ <18.2 0 stabilny e± µ± 0.511 105.66 ±1 ±1 τ± 1776.84 ±1 stabilny 2.197 × 10−6 2.906 × 10−13 10 stabilny Przykład: proton – (uud), neutron – (ddu). 2. Cząstki pośredniczące (przenoszące oddziaływania): foton (oddziaływania elektromagnetyczne, γ) , bozony pośredniczące (oddziaływania słabe, W+, W-, Z), gluony (oddziaływania silne) Problem: Czy masa neutrin jest równa zero, czy też jest różna od zera? 1. Droga, czyli cykl poznania: Poznanie: droga od doświadczenia do teorii. Z teorii przechodzimy do doświadczenia, przez co powstają nowe teorie, itd. Równie ważne doświadczenie jak hipoteza. Doświadczenie weryfikuje prawdziwość każdej teorii. Dokładniej falsyfikuje teorię, czyli stwierdza jej nieprawdziwość. Nie stwierdza się prawdziwość, ale nieprawdziwość teorii. Albo tak, albo nie. Teoria przechodzi test, albo jej nie przechodzi. Jeśli nie przechodzi, trafia do kosza na śmieci. Uwaga: kosz na śmieci, czyli to, co odróżnia nauki ścisłe (w tym stosowane politechniczne) od tzw. „nauk” humanistycznych. Istotny element nauk (nauk ścisłych) Rys. Cykl poznania 11 Po co uczyć się fizyki? Ø Fizyka jest podstawą wszystkich innych nauk ścisłych (chemia a nawet matematyka) oraz nauk stosowanych (nauki inżynierskie) a nawet nauk biologicznych czy humanistycznych (socjologia, lingwistyka). Wszystkie współczesne technologie oparte są na odkryciach fizyków: • Tranzystor → układy scalone → procesory → przemysł elektroniczny i komputerowy, • Laser → telekomunikacja, czytniki CD, DVD, HD, BlueRay, Ø Fizyka jest fascynująca, dzięki niej poznajemy otaczający nas świat i sami ten świat możemy zmieniać, Ø Fizyka jest dla ludzi myślących, jest najwspanialszą ludzką przygodą w dziedzinie intelektu, swoistą grą w poznanie, jaką prowadzimy z naturą, Ø Nie wszyscy muszą być fizykami, ale studiowanie fizyki daje podstawy intelektualne do owocnego zajmowania się innymi dziedzinami od studiów inżynierskich, przez medycynę do prawa. Ø Fizyka daje podstawę do rozumienia zasad działania urządzeń jak: telefon komórkowy, drukarka laserowa, tomograf NMR (medycyna), telewizor LCD, i inne, tak, aby nie być współczesnym „analfabetą funkcjonalnym”. Źródła: Książki – wiele dobrych i bardzo dobrych książek, Strony internetowe: http://en.wikipedia.org/wiki/ (* wikipedia *) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/ http://www.falstad.com/mathphysics.html (* komputerowe demonstracje fizyczne*) oraz wiele innych… 2. Plan wykładu: 1. Podstawy mechaniki klasycznej. a) Kinematyka, b) Dynamika, c) Ruch drgający, oscylatory 2. Grawitacja. 3. Elementy hydromechaniki. 4. Elementy akustyki. 5. Elementy termodynamiki fenomenologicznej. a) Mechanizmy transportu energii i ciepła, b) Izolacyjność termiczna. 6. Elektryczne i magnetyczne właściwości materii. 7. Elektryczność i magnetyzm. 12 a) Pole elektryczne, pole magnetyczne, b) Prąd, kondensatory, obwody elektryczne c) Prawa Maxwella, d) fale elektromagnetyczne 8. Budowa atomu i jądra atomowego. 9. Elementy mechaniki kwantowej. 10. Kwantowa natura materii i energii. 11. Poziomy energetyczne, model pasmowy ciał stałych. 12. Promieniotwórczość naturalna i sztuczna. 13. Elementy fizyki jądrowej. 14. Właściwości stanów skupienia materii. 13 Appendix Nośniki oddziaływań (cząstki przenoszące oddziaływanie): Tabela. Własności cząstek pośredniczących oddziaływanie teoria elektromagnetyczne słabe elektrodynamika model kwantowa (QED) standardowy (SM) symbol γ nazwa foton masa 0 ładunek rozpad a b 0 stabilny W +, W Z bozony pośredniczące 80,40 GeV/c2 91.19 GeV/c2 0 (Z), ±1 (W) W +, W - à hadrony τ+ντ e+νe µ+νµ Z àhadrony, νl νl (all l) τ+ τµ + µe+ e- ładunek kolorowy cząstka hipotetyczna 14 silne chromodynamika kwantowa (QCD) grawitacyjne teoria grawitacji (kwantowej) g gluony 0a (założone) 0 stabilny grawitonb ? 0 stabilny