Wstęp

Notatki
Fizyka – Wstep
˛
dr inż. Ireneusz Owczarek
CNMiF PŁ
[email protected]
http://cmf.p.lodz.pl/iowczarek
1
dr inż. Ireneusz Owczarek
Wstep
˛
Fizyka – Wstep
˛
Z karty przedmiotu
Formy zajeć
˛
Wykład
10
Notatki
Ćwiczenia
10
Laboratorium
10
Suma w semestrze
30
Cele przedmiotu
Umożliwienie zdobycia wiedzy w zakresie opisu zjawisk fizycznych
zachodzacych
˛
zarówno w środowiskach naturalnych, jak i spotykanych
w technice oraz w zakresie podstawowych praw z wybranych działów
fizyki.
Kształtowanie umiejetności
˛
rozwiazywania
˛
podstawowych zadań
z wybranych działów fizyki.
Umożliwienie zdobycia umiejetności
˛
obsługi podstawowego sprz˛etu
laboratoryjnego, opracowywania wyników i prezentowania ich w postaci
raportu.
2
dr inż. Ireneusz Owczarek
Wstep
˛
Fizyka – Wstep
˛
Z karty przedmiotu
Efekty kształcenia
Notatki
Umiejetności
˛
i kompetencje
Student potrafi:
Wiazać
˛
zjawiska przyrodnicze i działanie urzadze
˛
ń technicznych
z określonymi prawami fizyki.
Wykorzystywać matematyk˛e jako narz˛edzie opisu wybranych zjawisk
fizycznych.
Rozwiazywać
˛
proste zadania rachunkowe w sposób logiczny
i przejrzysty.
Obsługiwać w podstawowym zakresie wybrany sprz˛et laboratoryjny.
Wykorzystywać odpowiednie metody opracowania wyników
eksperymentu i dokonywać ich ewaluacji.
3
dr inż. Ireneusz Owczarek
Wstep
˛
Fizyka – Wstep
˛
Z karty przedmiotu
Program
Notatki
Treści merytoryczne i formy zaliczenia
1
Elementy fizyki jadrowej
˛
i kwantowej.
2
Fizyczna zasada działania masera i lasera.
3
Zjawisko nadprzewodnictwa.
Sprawdzenie osiagni
˛ eć
˛ efektów kształcenia
Wykład – Pisemne kolokwium z omawianych zagadnień.
Ćwiczenia – Pisemne kolokwium z zadań.
Laboratorium – pisemne sprawozdania, jeden sprawdzian ustny, praca
podczas zajeć.
˛
Ocena końcowa jest średnia˛ ważona˛ z ocen:
60% – kolokwia z ćwiczeń i wykładów,
40% – laboratorium (opracowanie wyników -24%, odpowiedź - 12%
i aktywność - 2% ).
4
dr inż. Ireneusz Owczarek
Fizyka – Wstep
˛
Wstep
˛
Z karty przedmiotu
Literatura podstawowa
Notatki
Kania S.
Wykłady z fizyki cz. 1 i 2.
Wydawnictwo PŁ, Łódź 2012.
Halliday D., Resnick R, Walker J.
Podstawy Fizyki t. 1-5.
PWN, Warszawa 2005.
Orear J.
Fizyka t. I i II.
WNT, Warszawa 1994.
Sawieliew I. W.
Wykłady z fizyki t. I-III.
PWN, Warszawa 1994.
Strona internetowa prowadzona przez CMF PŁ
http://cmf.p.lodz.pl/efizyka
e-Fizyka. Podstawy fizyki.
Kakol
˛ Z. Żukrowski J.
http://home.agh.edu.pl/˜kakol/wyklady_pl.htm
Wykłady z fizyki.
5
dr inż. Ireneusz Owczarek
Wstep
˛
Fizyka – Wstep
˛
Jak uczyć sie˛ fizyki?
Obciażenie
˛
praca˛ studenta
Notatki
Systematyczna nauka na długo przed egzaminem i regularne powtarzanie –
to rzadko praktykowany sposób przygotowania do egzaminu.
W jaki sposób uczyć sie˛ fizyki?
zrezygnować z uczenia sie˛ fizyki na pamie˛ ć!!!,
poprawić umiejetno
˛
ści matematyczne, jeśli sa˛ one niewystarczajace,
˛
uczyć sie˛ wzorów fizycznych poprzez analiz˛e zagadnienia.
Ogólne zasady uczenia sie˛ fizyki
1
Systematyczność.
2
Operatywność.
3
Posługiwanie sie˛ wyobraźnia.
˛
Zadawajcie pytania!
Możecie zadawać pytania w każdym momencie.
6
dr inż. Ireneusz Owczarek
Fizyka a rozwój nauki i techniki
Fizyka – Wstep
˛
Nowe materiały
CIEKAWOŚĆ na Marsie!
Notatki
6 sierpnia (2012) o godzinie 7:31 powierzchni Czerwonej Planety dotknał˛
najpoteżniejszy
˛
z badajacych
˛
ja˛ łazików (CURIOSITY).
Wyposażony w 10 instrumentów
badawczych, w tym:
działko laserowe ze
spektrometrem
przeprowadzajacym,
˛
na
odległość, analiz˛e składu
chemicznego,
wiertło do drażenia
˛
dziur w glebie,
ramie˛ zbierajace
˛ próbki gleby
i skał,
nuklearny reaktor
termoelektryczny (4,8 kg 238
94 P u).
7
dr inż. Ireneusz Owczarek
Fizyka a rozwój nauki i techniki
Fizyka – Wstep
˛
Nowe materiały
Nobel (2009) za żonglowanie światłem
Nagrodzono pionierów obecnego świata informacji i obrazu.
Naukowców, którzy wynaleźli matryce˛ CCD (stosowana˛ w fotografii cyfrowej)
i zrewolucjonizowali przesyłanie bitów za pomoca˛ szklanych autostrad.
Charles K. Kao, George E. Smith i Willard S. Boyle
8
dr inż. Ireneusz Owczarek
Fizyka – Wstep
˛
Notatki
Fizyka a rozwój nauki i techniki
Nowe materiały
Nobel (2010) za cudowny materiał – Andre Geim, Konstantin
Nowoselow
Notatki
Grafen – weglowy
˛
plaster o grubości
atomu – posiada wielka˛ wytrzymałość,
dzieki
˛ niezwykle silnym wiazaniom
˛
miedzy
˛
atomami wegla
˛
– świetnie
przewodzi prad.
˛
Nadzieja elektroniki, motoryzacji, energetyki, medycyny. To materiał, który
w elektronice zdetronizuje krzem:
Bardzo dobry przewodnik ciepła – zmierzona przewodność cieplna
wynosi od 4840 do 5300 W/mK (srebro – 429 W/mK),
Posiada niewielka˛ rezystancje,
˛
Jest niemal całkowicie przezroczysty (pochłania tylko 2,3 % światła),
Jest ponad 100 razy mocniejszy niż stal, a zarazem tak elastyczny, że
można go bez szkody rozciagn
˛ ać
˛ o 20 %.
9
dr inż. Ireneusz Owczarek
Fizyka a rozwój nauki i techniki
Fizyka – Wstep
˛
Nowe materiały
Grafen
Notatki
Dr Włodzimierz Strupiński z Instytutu
Technologii Materiałów
Elektronicznych (ITME) stworzył
technologie˛ produkcji grafenu
najwyższej jakości, a ITME znalazł sie˛
na liście najważniejszych ośrodków
zajmujacych
˛
sie˛ grafenem, obok
laboratoriów IBM, MIT, Samsunga.
Inne właściwości Grafenu
Grubość: 0,34 nm – milion razy cieńszy niż kartka papieru.
Waga: jeden 1 km2 grafenu waży 757 g – lekki jak piórko.
Twardość: porównywalna z twardościa˛ diamentu.
Przewodność elektryczna: miliard razy wyższa niż przewodność
domieszkowanego krzemu w chipach komputerowych.
10
dr inż. Ireneusz Owczarek
Fizyka a rozwój nauki i techniki
Fizyka – Wstep
˛
Nowe materiały
Nobel za kwanty pod kontrola˛ (2012)
Notatki
Nagroda za ujarzmienie kwantowego mikroświata – bedzie
˛
można stworzyć
bardziej precyzyjne zegary i kwantowe komputery.
David J. Wineland
Serge Haroche
Konstrukcje tzw. wnek
˛ rezonansowych dla fotonów i pułapek
elektromagnetycznych dla jonów.
11
dr inż. Ireneusz Owczarek
Podstawowe pojecia
˛
Fizyka – Wstep
˛
Co to jest fizyka?
Definicje
Notatki
Fizyka (z greckiego physiké - natura)
zajmuje sie˛ badaniem materii oraz zjawiskami zachodzacymi
˛
w przyrodzie.
Wg Alberta Einsteina
To proste, mój przyjacielu: ponieważ polityka jest trudniejsza od fizyki.
Wg Alberta Einsteina
To, co nazywamy fizyka,
˛ obejmuje cała˛ grupe˛ nauk przyrodniczych, które
opieraja˛ swe teorie na pomiarach i których idee i twierdzenia daja˛ sie˛
sformułować za pomoca˛ matematyki.
Wg Richarda Feynmana
Fizyka jest jak seks: pewnie, że może dawać jakieś praktyczne rezultaty,
ale nie dlatego to robimy.
12
dr inż. Ireneusz Owczarek
Fizyka – Wstep
˛
Podstawowe pojecia
˛
Co to jest fizyka?
Fizyka – nauka eksperymentalna
Notatki
Zjawiska fizyczne zachodza˛ w klasycznej przestrzeni i czasie:
Przestrzeń euklidesowa (kartezjański układ współrz˛ednych).
Czas absolutny.
Pierwszym etapem jest opisywanie rzeczywistości (Jak?).
1
Obserwacja zjawisk zachodzacych
˛
w przyrodzie zwiazana
˛
jest
z pomiarem przy użyciu odpowiednich przyrzadów.
˛
2
Uzyskuje sie˛ wyniki w postaci zbioru liczb rzeczywistych.
3
Ograniczenia pomiarowe:
dokładność – każdy pomiar obarczony błedem,
˛
zakres – fizyczny sens wielkości (np. rozmiar i wiek Wszechświata,
skończona predkość
˛
światła, zero bezwzgledne).
˛
Drugi etap poznawania to wyjaśnienie (Dlaczego?).
13
dr inż. Ireneusz Owczarek
Podstawowe pojecia
˛
Fizyka – Wstep
˛
Wielkości fizyczne i ich jednostki
Wielkości i prawa fizyczne
Notatki
Prawo fizyczne
opisuje zależności miedzy
˛
wielkościami fizycznymi, opisuje wyniki
przeprowadzonych badań, uogólnia zwiazki
˛ miedzy
˛
wielkościami fizycznymi.
Zasada fizyki
to każde prawo fizyczne, które opisuje typ zależności uniwersalnych
powszechnie wystepuj
˛ acych
˛
w przyrodzie tj. niezależnie od jej warstwy czy
natury zjawisk.
Wielkości fizyczne
to mierzalne cechy czy właściwości obiektów zdarzeń, zjawisk i procesów.
14
dr inż. Ireneusz Owczarek
Podstawowe pojecia
˛
Fizyka – Wstep
˛
Wielkości fizyczne i ich jednostki
Typy wielkości fizycznych
Notatki
Skalar
to wielkość fizyczna lub geometryczna określana jedna˛ liczba,
˛ np. masa, pole
powierzchni.
15
dr inż. Ireneusz Owczarek
Podstawowe pojecia
˛
Fizyka – Wstep
˛
Wielkości fizyczne i ich jednostki
Typy wielkości fizycznych . . .
Notatki
Wektor
to skierowany odcinek o zwrocie określonym przez kolejność punktów.
Tensor
to uogólnione pojecie
˛
wektora i skalara. Używa sie˛ go do opisu np.
odkształceń w ośrodkach, zachowania sie˛ bryły sztywnej, w teorii pola (np.
w ogólnej teorii wzgledności
˛
Einsteina) itd.
16
dr inż. Ireneusz Owczarek
Fizyka – Wstep
˛
Podstawowe pojecia
˛
Jednostki w układzie SI
Podstawowe jednostki w układzie SI
Notatki
System International d’Unites został uchwalony na XI Generalnej
Konferencji Miar w 1960 roku.
Jednostki podstawowe
metr
kilogram
sekunda
amper
kelwin
mol
kandela
Symbol
m
kg
s
A
K
mol
cd
oraz
Jednostki uzupełniajace
˛
radian
steradian
17
dr inż. Ireneusz Owczarek
Podstawowe pojecia
˛
Symbol
rad
sr
Fizyka – Wstep
˛
Jednostki w układzie SI
Definicje wybranych jednostek
Notatki
Metr to odległość, która˛ w próżni przebywa światło
w czasie 1/299 792 458 s.
Kilogram jest to masa wzorca – walca
platyno-irydowego.
Sekunda jest równa 9 192 631 770 okresom przejścia
pomiedzy
˛
podpoziomami F=3 i F=4 struktury
nadsubtelnej poziomu podstawowego 2S1/2 atomu
133
Cs znajdujacego
˛
sie˛ na poziomie morza.
18
dr inż. Ireneusz Owczarek
Podstawowe pojecia
˛
Fizyka – Wstep
˛
Jednostki w układzie SI
Porównanie wielkości fizycznych
19
dr inż. Ireneusz Owczarek
Podstawowe pojecia
˛
Notatki
Fizyka – Wstep
˛
Podstawowe stałe fizyczne
Parametry życiowe naszego Wszechświata
Nasz Wszechświat tak jak ludzie ma kilka liczb, które określaja˛ jego nature,
˛
temperature,
˛ wiek, witalność, a nawet ... płodność.
Nawet drobna zmiana w wartościach stałych fizycznych lub w prawach natury
sprawiłyby, że powstałby świat nieprzyjazny dla życia.
Przykłady:
Gdyby siły jadrowe
˛
zwiaż
˛ a˛ ze soba˛ protony i neutrony w jadrze
˛
atomowym były słabsze, Wszechświat wypełniałby jedynie wodór. Jadra
˛
cieższych
˛
pierwiastków – tlenu lub wegla
˛
– nigdy by nie powstały.
I nie powstałoby życie, jakie znamy.
Gdyby siły jadrowe
˛
były silniejsze, to w pierwszych minutach po Wielkim
Wybuchu cały wodór zamieniłby sie˛ w hel.
I życia też by nie było.
20
dr inż. Ireneusz Owczarek
Fizyka – Wstep
˛
Notatki
Podstawowe pojecia
˛
Podstawowe stałe fizyczne
Parametry życiowe naszego Wszechświat . . .
Notatki
Jeśliby zestaw stałych fizycznych był nieco inny, to powstałyby jakieś światy
istniejace
˛ dłużej niż ułamek sekundy, ale niemal na pewno nie byłoby w nich
istot, które mogłyby je podziwiać.
Stała grawitacji
G = 6,673 84(80) · 10−11
m3
,
kg s2
liczbowo jest równa sile grawitacji jaka˛ na siebie działaja˛ dwa ciała o masie
1 kg każde z odległości 1 m.
Gdyby ta stała miała wieksz
˛
a˛ wartość, to tworzyłyby sie˛ gwiazdy o wiele
wieksze
˛
od Słońca, które szybko sie˛ spalaja.
˛ Umieraja˛ w gwałtownym
wybuchu supernowej, zmiatajac
˛ w podmuchu eksplozji całe swe otoczenie.
Z kolei gdyby grawitacja była słabsza, niż jest, zmalałaby liczba
supernowych. Tymczasem wybuchy supernowych rozsiewaja˛ w przestrzeni
miedzygwiezdnej
˛
pierwiastki cieższe
˛
od wodoru i helu, które sa˛ budulcem
planet i organizmów.
21
dr inż. Ireneusz Owczarek
Fizyka – Wstep
˛
Podstawowe pojecia
˛
Podstawowe stałe fizyczne
Parametry życiowe naszego Wszechświata . . .
Notatki
Predkość
˛
światła
to predkość
˛
rozchodzenia sie˛ fali elektromagnetycznej w próżni
c = 299 792 458
m
,
s
nie zależy od cz˛estości fali, ani układu odniesienia.
Temperatura zera bezwzglednego
˛
jest teoretyczna˛ granica˛ do jakiej można
ochłodzić układ termodynamiczny (wg trzeciej zasady termodynamiki).
Temperatura zera bezwzglednego
˛
to temperatura w termodynamicznej skali temperatur – skali niezależnej od
zastosowanej substancji termometrycznej
−273,15 ◦ C = 0 K,
w której zanikaja˛ wszelkie drgania czasteczek
˛
i wszystkie elementy układu
termodynamicznego uzyskuja˛ najniższa˛ z możliwych energii.
Spowalniajac
˛ atomy za pomoca˛ laserów, można chłodzić taki układ atomów
do temperatury zaledwie 10−6 K.
22
dr inż. Ireneusz Owczarek
Fizyka – Wstep
˛
Podstawowe pojecia
˛
Podstawowe stałe fizyczne
Parametry życiowe naszego Wszechświata . . .
Notatki
Liczba Avogadra
NA = 6,022 141 29(27) · 1023 mol−1 ,
liczbowo równa liczbie atomów, czasteczek
˛
lub innych czastek
˛
materii
zawartych w jednym molu tej materii.
Uniwersalna stała gazowa
J
,
mol · K
nie zależy od rodzaju gazu (dla każdego gazu jest jednakowa).
R = 8,314 462 1(75)
23
dr inż. Ireneusz Owczarek
Fizyka – Wstep
˛
Podstawowe pojecia
˛
Podstawowe stałe fizyczne
Parametry życiowe naszego Wszechświata . . .
Stała Boltzmanna
kB = 1,380 648 8(13) · 10−23
J
eV
= 8,617 332 4(78) · 10−5
.
K
K
Trudniej o porzadek
˛
niż o chaos (jest tylko jedno właściwe uporzadkowanie
˛
i setki metod na zrobienie “bałaganu”).
Stała Boltzmanna ujmuje ilościowo te˛ zależność.
Stała Plancka
h = 6,626 069 57(29) · 10−34 Js = 4,135 667 516(91) · 10−15 eV · s.
Stała Diraca
h
2π
Js = 6,582 119 15(56) · 10−16 eV · s,
~=
−34
~ = 1,054 571 68(18) · 10
jest kwantem momentu pedu,
˛
a wiec
˛ tym samym i spinu.
Uważana za stała˛ bardziej podstawowa˛ niż sama stała Plancka.
24
dr inż. Ireneusz Owczarek
Fizyka – Wstep
˛
Notatki
Podstawowe pojecia
˛
Podstawowe stałe fizyczne
Stałe fundamentalne
Notatki
Naprawde˛ fundamentalne stałe sa˛ bezwymiarowe, gdyż jednostki zależa˛ od
wymiarów określonych przez człowieka. Określaja˛ one wzgledne
˛
nateżenie
˛
poszczególnych oddziaływań podstawowych, zależnych od wielkości
charakteryzujacych
˛
dane oddziaływanie.
Stała struktury subtelnej
e2
1
≈
,
~c
137
charakteryzujaca
˛ siłe˛ oddziaływań elektromagnetycznych.
α=
Iloraz masy elektronu do masy protonu
β=
m
1
≈
.
Mp
1836
Stała charakteryzujaca
˛ oddziaływania silne
s1 =
25
masa mezonu π
≈ 0,15.
masa protonu
dr inż. Ireneusz Owczarek
Model Standardowy
Fizyka – Wstep
˛
Rodzaje czastek
˛
elementarnych
Wszystkie czastki
˛
Wszechświata
Notatki
Symetria – główna idea współczesnej fizyki czastek
˛
elementarnych.
Model Standardowy (MS) jest jedna˛ z najważniejszych teorii współczesnej
fizyki.
Zakłada sie,
˛ że istnieja˛ dwa rodzaje czastek
˛
elementarnych:
czastki
˛
które sa˛ materia˛ (jak elektrony, protony, neutrony i kwarki).
Fermiony sa˛ podstawowymi elementami budujacymi
˛
materie.,
˛
czastki
˛
które przenosza˛ oddziaływania (fotony, bozony W − , W + , Z 0
i gluony różniace
˛ sie˛ kolorem, tj. ładunkiem silnym).
26
dr inż. Ireneusz Owczarek
Model Standardowy
Fizyka – Wstep
˛
Rodzaje czastek
˛
elementarnych
Jakie sa˛ najmniejsze składniki materii?
Notatki
Kwarki nie moga˛ wystepować
˛
samodzielnie i sa˛ uwiezione
˛
w hadronach
(nukleony, hiperony lub mezony ).
27
dr inż. Ireneusz Owczarek
Model Standardowy
Fizyka – Wstep
˛
Rodzaje czastek
˛
elementarnych
Trwaja˛ poszukiwania czastki
˛
Higgsa?
MS przewiduje też istnienie czastki,
˛
która oddziałujac
˛ z innymi czastkami
˛
nadaje im mase˛ — jest to bozon Higgsa.
Czy wreszcie ja˛ odkryto w ośrodku CERN (Wielki Zderzacz Hadronów) pod
Genewa?
˛
Potencjał pola Higgsa, nazywany jest czasem "El Sombrero".
28
dr inż. Ireneusz Owczarek
Fizyka – Wstep
˛
Notatki
Model Standardowy
Rodzaje czastek
˛
elementarnych
Czy złamano testament Nobla?
Notatki
Nagrode˛ Nobla z fizyki w 2013 podziela˛ miedzy
˛
siebie Francois Englert
i Peter W. Higgs za wyjaśnienie mechanizmu, dzieki
˛ któremu podstawowe
składniki materii – czastki
˛
elementarne – nabieraja˛ masy.
Zgodnie z testamentem Alfreda Nobla
nagradzane miały być tylko odkrycia
majace
˛ praktyczne znaczenie dla
ludzkości.
Nauka jest owocem naszej potrzeby
odkrywania i eksploracji. To, że przy
okazji zawojowaliśmy świat, powstały
narz˛edzia i wynalazki, bez których
dziś nie wyobrażamy sobie życia, to
tylko skutek uboczny.
29
dr inż. Ireneusz Owczarek
Model Standardowy
Fizyka – Wstep
˛
Prostota praw fizyki
Teoria Wielkiej Unifikacji Oddziaływań
Notatki
Oddziaływanie elektromagnetyczne
polega na wymianie miedzy
˛
czastkami
˛
naładowanymi elektrycznie
pośredniczacego
˛
fotonu.
Zmienne pole elektromagnetyczne rozprzestrzenia sie˛ w postaci fali
elektromagnetycznej. Kwantem oddziaływania elektromagnetycznego jest
foton.
Oddziaływanie silne
łacz
˛ ace
˛ kwarki w hadrony, przenoszone jest przez osiem rodzajów gluonów
(o zerowej masie spoczynkowej). Sposób oddziaływania (rodzaj gluonu)
oznaczany jest właściwościa˛ nazywana˛ kolorem gluonu.
Oddziaływanie słabe
to oddziaływanie, w którym uczestnicza˛ wszystkie czastki
˛
z wyjatkiem
˛
fotonu
(i grawitonu).
Jest odpowiedzialne za rozpad β i zwiazan
˛
a˛ z nim radioaktywność.
30
dr inż. Ireneusz Owczarek
Model Standardowy
Fizyka – Wstep
˛
Prostota praw fizyki
Teoria Wielkiej Unifikacji Oddziaływań . . .
Notatki
Oddziaływania przenoszone sa˛ przez specjalne czastki
˛
i polega na
wytworzeniu lub pochłonieciu
˛
czastki
˛
przenoszacej
˛ oddziaływanie.
Własności
Źródło
Nośnik
Zasieg
˛
Wzgledna
˛
siła
Słabe
wszystkie czastki
˛
W −, W +, Z0
10−18 m
10−6
Silne
hadrony
gluony
10−15 m
1
Elektro-magn.
ładunki
foton (γ)
∞
1
137
Grawitacyjne
masa
grawiton
∞
10−39
Stała struktury subtelnej
α=
e2
1
≈
.
4π0 ~c
137
MS dobrze opisuje oddziaływania, jednak nie uwzglednia
˛
oddziaływania
grawitacyjnego. Ma wady:
ok. 20 wolnych parametrów o nie znanych wartościach,
czastka
˛
Higgsa nie została odkryta?!
Strategia na najbliższa˛ przyszłość to:
znaleźć czastk˛
˛ e Higgsa lub wykluczyć jej istnienie (ok. 1 TeV),
poszukiwać nowych czastek
˛
(od 50 GeV do 5 TeV).
31
dr inż. Ireneusz Owczarek
Fizyka – Wstep
˛
Notatki