Joanna Drewicz

"Co każdy chłopiec/dziewczyna
o fizyce wiedzieć powinien/powinna?"
Joanna Drewicz
klasa I b
I Liceum Ogólnokształcące im. Tadeusza Kościuszki w Wieluniu
„To, co nazywamy fizyką, obejmuje całą grupę nauk przyrodniczych, które opierają swe teorie
na pomiarach i których idee i twierdzenia dają się sformułować za pomocą matematyki”. To
stwierdzenie Alberta Einsteina najtrafniej oddaje fakt, jak ściśle łączą się i przenikają nauki
matematyczno-przyrodnicze. Fizyka zajmuje się badaniem właściwości materii i zjawisk w niej
zachodzących, a także wykrywaniem ogólnych praw, którym te zjawiska podlegają.
Amerykański fizyk Richard Phillips Feynman porównał zachowanie się wszelkich obiektów,
które tworzą nasz świat do gry, której zasad nie znamy. Przyglądając się jej, zauważamy pewne
fakty, dzięki którym odkrywamy reguły, jakie nią rządzą.
Nawet nie przypuszczamy, że z prawami fizyki stykamy się na każdym kroku, wykonując
nawet najbardziej prozaiczne codzienne czynności. Gdy wstajemy z łóżka. Wstawanie jest
proste dzięki powszechnej grawitacji. Ziemia przyciąga nas z siłą 10 N na każdy kilogram masy
ciała. Gdy boso biegniemy z pokoju do łazienki, to terakota na podłodze w łazience wydaje się
chłodniejsza niż drewniana podłoga w pokoju, choć w całym mieszkaniu temperatura jest mniej
więcej jednakowa, często w łazience nawet nieco wyższa. Płytki są bowiem lepszym
przewodnikiem ciepła niż drewno i szybciej „odprowadzają ciepło”, jakie przenika do nich z
twoich stóp. Gdy głośno śpiewamy pod prysznicem. Głos ludzki jest efektem drgań strun
głosowych, które są w gardle każdego człowieka. Drgające struny pobudzają do drgań powietrze,
które je otacza. W powietrzu rozchodzą się rozrzedzenia i zagęszczenia powietrza, czyli
podłużne fale akustyczne. Fale te wprawiają w drgania błony bębenkowe uszu, co powoduje
przepływ impulsów elektrycznych wzdłuż nerwu słuchowego do mózgu. Wtedy ktoś może
usłyszeć nasz głos. Gdy wychodzimy spod prysznica jest nam zimno, ponieważ następuje
szybkie parowanie wody z powierzchni skóry. W trakcie trwania tego procesu woda pobiera
energię z otoczenia. Gdy przeglądamy się w lustrze. Podczas pocierania suchych włosów
grzebieniem z tworzywa sztucznego elektryzują się one przez tarcie. W efekcie trudno je
uczesać, bo włosy „podążają” za grzebieniem i są przez niego przyciągane. W lustrze widzimy
pozorny obraz nas samych. Jest on pozorny dlatego, że nie powstaje z promieni rzeczywiście
odbijających się od zwierciadła, ale z przedłużeń promieni odbitych. Nasze oko „nie wie”, że
trafiają do niego promienie odbite i „wyobraża” sobie ich źródło gdzieś poza płaszczyzną
zwierciadła. Gdy się ubieramy. Bluza oświetlona białym światłem słonecznym wydaje się żółta,
ponieważ odbija jedynie żółtą część padającego na nią promieniowania. Pozostałe kolory widma
taka powierzchnia pochłania. Dżinsy wydają się czarne, gdyż pochłaniają całe padające na nie
promieniowanie. Tak więc, gdyby bluzę, o której jesteśmy przekonani, że jest żółta, oświetlić
światłem w kolorze czerwonym, to będzie miała kolor czarny. Barwa przedmiotu zależy bowiem
od koloru padającego na przedmiot promieniowania. Gdy gotujemy wodę, aby zaparzyć
herbatę. Aby wodę doprowadzić do wrzenia, trzeba dostarczyć jej bardzo dużo energii. Różne
substancje w różnym tempie pochłaniają lub oddają energię wewnętrzną Nadzienie szarlotki
wyjętej prosto z piekarnika parzy język, ale kruche ciasto na spodzie tej szarlotki- nie. Dzieje się
tak, ponieważ substancje różnią się między sobą ciepłem właściwym . Spośród wszystkich
substancji w naszym otoczeniu największe ciepło właściwe ma woda. Długo stygnie (dlatego
nasze babcie stosowały termofory), ale też długo się nagrzewa (dzięki temu używamy jej w
chłodnicach samochodowych). Gdy podnosimy
i zarzucamy na plecy szkolny plecak. Gdy podnosimy plecak, działamy przeciw siłom
grawitacji i wykonujemy pracę. Im cięższy plecak, tym większa jest wykonana praca. Musimy
1
przyłożyć do plecaka siłę i przesuwać ciało w kierunku działania tej siły. Jeśli zaś trzymamy
plecak w ręku na pewnej wysokości, to w sensie fizycznym nie wykonujemy już żadnej pracy.
Dlaczego bardziej się męczymy wtedy, gdy wbiegamy z plecakiem na pierwsze piętro, niż
wtedy, gdy idziemy po schodach powoli? Wbiegając, wykonujemy pracę w krótkim czasie, czyli
mamy dużą moc. W krótkim czasie zużywamy zatem dużą ilość energii. Gdy stoimy w
autobusie, wiozącym nas do szkoły. Dopóki autobus jedzie ruchem jednostajnym, nie
odczuwamy żadnych efektów tego ruchu. Gdy jednak zacznie hamować, mamy wrażenie, jakby
niewidzialna siła pchała nas do przodu. W ten sposób objawia się nasza bezwładność. Nasze
rozpędzone ciało z trudem traci prędkość, mimo iż autobus już się zatrzymuje. Gdy skaczemy w
górę z radości, to tak naprawdę odpychamy się od ziemi. Ziemia siłą reakcji odpycha nas w
górę. Siła działa jedynie do momentu oderwania stóp od ziemi. Im większa jest ta siła, tym
większa jest prędkość wyskoku i wyższy skok. Po oderwaniu się od ziemi prędkość natychmiast
zaczyna maleć w tempie 10 m/s na każdą sekundę ruchu. Inaczej mówiąc, ruch w górę jest
ruchem opóźnionym z opóźnieniem 10m/s2 . Maksymalną wysokość osiągamy w momencie, gdy
nasza prędkość wyniesie 0 m/s. Od tego momentu zaczynamy spadanie, a prędkość przyrasta
znów o 10 m/s na każdą sekundę ruchu. Spadamy z przyspieszeniem ziemskim około 10 m/s 2
(przy zaniedbaniu oporu powietrza).
Świat fizyki jest pełen interesujących faktów. Wiele jej praw znalazło zastosowanie w
życiu codziennym, na przykład posypywanie ulic solą w czasie zimy, aby uniknąć gołoledzi.
Roztwór soli i wody ma dużo niższą temperaturę krzepnięcia, ok. -20°C. Jednak ze względów
ekologicznych i ekonomicznych (sól powoduje skażenie środowiska, a także ma negatywny
wpływ na karoserie samochodów i nasze obuwie) tę metodę „walki z zimą” w ostatnich latach
ograniczono.
Zjawisko rozszerzalności temperaturowej znalazło zastosowanie m.in. przy budowie szyn
kolejowych i mostów. Gdyby nie zostawiano dość szerokich odstępów, szyny, wydłużając się w
lecie, wyginałyby się, powodując katastrofy kolejowe.
Kiedyś zastanawiałam się, co pomaga rybom w stawie przetrwać zimę. Wszystko stało
się jasne, gdy dowiedziałam się, że woda zachowuje się w niezwykły sposób. W przeciwieństwie
do innych cieczy kurczy się, gdy jest ogrzewana od 0 do 4°C. Natomiast ogrzewana od 4°C do
wyższej temperatury, tak jak inne ciecze, rozszerza się. Oznacza to, że w temperaturze 4°C woda
ma najmniejszą objętość, a co za tym idzie największą gęstość i opada na dno zbiornika
wodnego. Dzięki temu, nawet jeśli powierzchnia jeziora pokryje się lodem, to na jego dnie woda
ma temperaturę 4°C, co pomaga rybom przeżyć zimę.
Dlaczego małe krople wody przybierają kształt kulisty? Dzieje się tak dzięki
występowaniu napięcia powierzchniowego. Fakt, że szklanka po umyciu jest mokra, świadczy o
tym, że cząsteczki wody oddziałują siłami przylegania ze szkłem.
Jako dziecko zastanawiałam się, dlaczego woda jest niebieska. Teraz wiem, że woda ma
barwę turkusową, gdyż pochłania czerwień. Grzbiet fali jest biały, gdyż znajduje się tam (jak w
chmurze) wiele różnorodnych kropelek wody, które rozpraszają wszystkie barwy światła.
Dziś chyba wszystkich ciekawią nowoczesne technologie. Laser jest źródłem światła o
szczególnych właściwościach. Niektóre z nich mogą wytworzyć bardzo silny błysk światła
trwający ułamek sekundy, ale o olbrzymiej mocy, mogący spowodować np. przecięcie blachy
stalowej. Laserów używa się do wiercenia otworów o mikroskopijnych średnicach, a także do
spawania mikroskopijnych elementów. Światło laserowe ma też zastosowanie w medycynie, jako
niezwykle precyzyjny skalpel. Przecinane światłem laserowym naczynia krwionośne zasklepiają
się na skutek wysokiej temperatury, co zapobiega krwawieniu rany. Laserów używa się także
przy nagrywaniu płyt kompaktowych i odtwarzaniu dźwięków, w drukarkach laserowych, w
łączności kosmicznej i sterowaniu pojazdami kosmicznymi oraz pociskami. W supermarketach
służą one do odczytywania cen towarów z kodów kreskowych.
Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia znalazło niezwykle ważne zastosowanie
praktyczne m.in. w światłowodach. Mogą one przenosić ogromną ilość informacji (rozmowy
telefoniczne, wiadomości wysyłane faksem, połączenia internetowe, itp.) w bardzo krótkim
czasie (nawet do dwóch miliardów impulsów światła laserowego na sekundę). Szkło, z którego
2
wykonane jest włókno światłowodu jest tak czyste, że sygnały świetlne mogą w nim wędrować
niemal bez straty energii. Ponieważ włókna te mają bardzo małe średnice (są cieńsze od
ludzkiego włosa), można je wyginać w dowolny sposób bez groźby złamania i przerwania
światłowodu.
Dlaczego latem w ciemnych ubraniach jest nam goręcej niż w jasnych? Przedmioty
czarne, na które pada światło słoneczne, bardzo się nagrzewają, ponieważ pochłaniają światło o
wszystkich barwach. Natomiast przedmioty białe są chłodniejsze, ponieważ całe światło odbijają.
Dlatego w upalne dni dobrze jest wkładać ubrania wykonane z jasnych tkanin.
Barwny obraz w odbiorniku telewizyjnym tworzy się w wyniku mieszania barw. Każdy
element obrazu na ekranie telewizora składa się z trzech małych, kolorowych, świecących
plamek o barwach: czerwonej, niebieskiej i zielonej, zwanych barwami podstawowymi. I tak w
czerwonej części obrazu świecą tylko plamki czerwone, w niebieskiej- tylko niebieskie, a w
zielonej- tylko zielone. Tam, gdzie widzimy barwę żółtą, świecą plamki czerwone i zielone, a w
części białej świecą plamki o wszystkich trzech barwach podstawowych.
Picie napojów przez słomkę jest przykładem wykorzystania ciśnienia atmosferycznego.
Wciągając do płuc powietrze ze słomki, obniżamy w niej ciśnienie powietrza (wytwarzamy
podciśnienie), a wówczas ciśnienie atmosferyczne panujące nad powierzchnią napoju „wpycha”
napój do słomki i w ten sposób dostaje się on do naszych ust.
Ciśnienie atmosferyczne wykorzystano także w odkurzaczu. Silnik elektryczny napędza
wentylator, który obracając się, zmniejsza ciśnienie za pojemnikiem na kurz. Wytworzona w ten
sposób różnica ciśnień powoduje przepływ powietrza przez odkurzacz. Ścianki papierowego
pojemnika przepuszczają powietrze, a zatrzymują kurz. Gdyby jednak bardzo małym cząstkom
kurzu udało się przeniknąć przez papier, to napotkają przy wylocie powietrza na dodatkowy filtr,
który je zatrzyma.
Prawo Pascala, mówiące o tym, że jeśli na zamkniętą w zbiorniku ciecz (lub gaz)
działamy siłą, to wytworzone w ten sposób dodatkowe ciśnienie jest jednakowe w całej objętości
cieczy (lub gazu), stanowi podstawę budowy i działania maszyn hydraulicznych i
pneumatycznych (np. różnego rodzaju podnośników, układów hamulcowych w samochodach).
W każdym z tych urządzeń, działając na tłok o małej powierzchni siłą o małej wartości,
otrzymujemy na drugim tłoku o większej powierzchni siłę o większej wartości.
Jak to możliwe, że ciężki samolot unosi się w powietrzu? Otóż, Przekrój skrzydła
samolotu przypomina swoim kształtem „położoną na boku” łzę o spłaszczonej podstawie.
Szeroki, zaokrąglony koniec skrzydła zwrócony jest do przodu samolotu, natomiast spłaszczony,
cienki- do tyłu. Ten kształt skrzydła określany jest mianem profilu lotniczego lub
aerodynamicznego. Względem lecącego samolotu powietrze porusza się do tyłu. Powietrze to
dzieli się na dwa strumienie, w których jeden przepływa nad skrzydłem samolotu, a drugi pod
nim. Powietrze poruszające się nad górną powierzchnią skrzydła (tam, gdzie przekrój strumienia
powietrza jest mniejszy) przebywa dłuższą drogę. Porusza się więc szybciej , a to powoduje, że
ciśnienie powietrza panujące nad skrzydłem jest mniejsze od ciśnienia panującego pod
skrzydłem. Na skutek różnicy ciśnień powstaje tzw. siła nośna zwrócona ku górze, powodująca
unoszenie samolotu. Aby na skrzydłach pojawiła się wystarczająca siła nośna, samolotowi należy
nadać odpowiednio dużą szybkość. W tym celu jest on wyposażony w silnik spalinowy lub
odrzutowy. Dopiero wówczas, gdy samolot na pasie startowym osiągnie dostateczną szybkość,
pojawia się odpowiednio duża siła nośna, która może go poderwać w górę.
Przykładem praktycznego zastosowania próżni jako złego przewodnika ciepła jest termos.
Składa się on z dwóch szklanych ścianek, między którymi panuje próżnia. Uniemożliwia ona
wymianę ciepła między wnętrzem termosu a jego otoczeniem. Dlatego termos może mieć
zastosowanie do utrzymania stałej temperatury zarówno gorących cieczy, jak i zimnych lodów.
Magnesowanie się niektórych materiałów (np. zawierających tlenek żelaza) wykorzystuje
się powszechnie do zapisywania dźwięku na taśmach magnetofonowych i taśmach wideo, a także
do zapisywania danych na twardych dyskach, dyskietkach, kartach kredytowych i wszystkich
urządzeniach z tzw. paskiem magnetycznym.
3
Patrząc na odbijające się od płyty CD światło, widzimy kolory tęczy. Białe światło odbite
od płyty rozszczepia się na różne barwy, ponieważ nacięta jest na niej tak duża liczba rowków i o
tak małej szerokości, że zobaczenie ich gołym okiem jest niemożliwe. Pełnią one funkcje
pryzmatów. Światło na rowkach ugina się, jednak każdy kolor nieco inaczej.
Fizyka jest nauką dynamicznie rozwijającą się już od starożytności. Żyjący bowiem w
tamtych czasach Archimedes z Syrakuz był twórcą hydrostatyki i statyki, prekursorem
rachunku całkowitego. Jako pierwszy podał też przybliżoną wartość liczby pi. Legenda głosi, że
król zwrócił się do Archimedesa, aby ten zbadał, czy korona, którą wykonał pewien
syrakuzański złotnik zawiera tylko złoto, czy jest to jedynie pozłacane srebro. Archimedes długo
nad tym rozmyślał, aż wreszcie pewnego razu w czasie kąpieli w wannie poczuł jak w miarę
zanurzania się w wodzie ciężar jego ciała się zmniejsza. Oszołomiony swoim odkryciem,
wyskoczył z wanny i z okrzykiem Eureka! ("znalazłem") nago wybiegł na ulicę i udał się do
króla. Po otrzymaniu odpowiedniej wartości dla ciężaru właściwego korony Archimedes
porównał ją z ciężarem właściwym czystego złota – okazało się, że korona nie była z niego
wykonana. Stara wersja prawa Archimedesa brzmiała następująco: Ciało zanurzone w cieczy lub
gazie traci pozornie na ciężarze tyle, ile waży ciecz lub gaz wyparty przez to ciało.
Żyjący na przełomie XVI i XVII wieku Galileusz był twórcą podstaw nowożytnej fizyki. Był on
zwolennikiem heliocentrycznej budowy świata i teorii Mikołaja Kopernika, przez co naraził się
włoskiej Inkwizycji. W 1609 roku Galileusz był jednym z pierwszych, którzy używali teleskopu
do obserwacji gwiazd, planet i Księżyca.
Tylko jeden człowiek wykrył prawa rządzące wzajemnym przyciąganiem się ciał
niebieskich, dając tym samym początek nowoczesnej astronomii, był to Sir Isaac Newton –
angielski fizyk, matematyk, astronom i badacz Biblii. W swoim słynnym dziele z 1687r.
przedstawił prawo powszechnego ciążenia (jak głosi legenda, Newton sformułował prawo
powszechnego ciążenia za sprawą jabłka, które spadło mu na głowę). Jako pierwszy wykazał, że
te same prawa rządzą ruchem ciał na Ziemi jak i ruchem ciał niebieskich. Jego dociekania
doprowadziły do rewolucji naukowej i przyjęcia teorii heliocentryzmu.
Obecny stan wiedzy w dziedzinie elektryczności zawdzięczamy odkryciom Alessandro
Volta. Ten włoski fizyk i wynalazca w roku 1781 skonstruował elektroskop, a w 1782
kondensator.
Michael Faraday – angielski badacz i wynalazca, również przyczynił się do rozwoju tej
gałęzi fizyki. W 1831r. odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej, co przyczyniło się do
powstania elektrodynamiki.
Kolorowe fotografie zawdzięczamy w dużej mierze Jamesowi Maxwellowi. Odkrył on,
że można ją wykonać za pomocą czerwonych, niebieskich i zielonych filtrów optycznych.
Pierwszą fotografię barwną zaprezentował w 1861 roku. Maxwell udowodnił, że elektryczność i
magnetyzm są dwoma rodzajami tego samego zjawiska – elektromagnetyzmu.
Wielu naukowców za swoje badania i odkrycia w dziedzinie fizyki otrzymało Nagrodę
Nobla. Jako pierwszy w historii (w 1901 roku) został nią uhonorowany Wilhelm Röntgen za
odkrycie nowego typu promieniowania, które sam nazwał promieniowaniem X (niewiadoma).
Największą dumą Polski jest dwukrotna noblistka Maria Skłodowska-Curie. Do jej
dokonań należą: opracowanie teorii promieniotwórczości, technik rozdzielania izotopów
promieniotwórczych oraz odkrycie dwóch nowych pierwiastków– radu i polonu. Z jej inicjatywy
prowadzono także pierwsze badania nad leczeniem raka za pomocą promieniotwórczości.
Wyróżniona Nagrodą Nobla za osiągnięcia naukowe, po raz pierwszy w roku 1903 z fizyki wraz
z mężem Pierre'm i Henrim Becquerelem za badania nad odkrytym przez Becquerela zjawiskiem
promieniotwórczości, po raz drugi w 1911 roku z chemii za wydzielenie czystego radu i badanie
właściwości chemicznych pierwiastków promieniotwórczych. Do dziś pozostaje jedyną kobietą,
która tę nagrodę otrzymała dwukrotnie, a także jedynym uczonym w historii uhonorowanym
Nagrodą Nobla w dwóch różnych dziedzinach nauk przyrodniczych.
Jeden z największych fizyków-teoretyków XX wieku,Albert Einstein, był twórcą
ogólnej i szczególnej teorii względności (1905). Został Laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie
4
fizyki w 1921 roku za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego. Opublikował ponad 450 prac, w
tym ponad 300 naukowych. Wniósł też swój wkład do rozwoju filozofii nauki. Szczególna teoria
względności pozwala pogodzić względność ruchu z obserwowaną niezależnością prędkością
światła od obserwatora i zawiera słynną formułę E=mc2.
Fizyka jest nauką niezwykle ciekawą i pasjonującą, zajmuje się ona bowiem
badaniem otaczającego nas świata. Każde nowe odkrycie czy wynalazek ma ogromny
wpływ na życie ludzi. Na początku XX wieku człowiek żył średnio 48 lat. Obecnie, w
dużym stopniu dzięki wykorzystaniu odkryć fizycznych w medycynie, żyjemy prawie
dwukrotnie dłużej. Z urządzeń technicznych opartych na prawach fizyki korzystają dziś
chyba wszyscy, niezależnie od wieku czy wykonywanej pracy. My również się nimi
posługujemy i czujemy się znacznie pewniej, gdy choć z grubsza wiemy, na czym opiera
się ich działanie. Jak powiedział Albert Einstein: „Fizyka jest zasadniczo nauką opartą na
intuicji i konkretnych faktach”. Tak więc badaczem może zostać każdy z nas. Wystarczy
jedynie uważnie obserwować, zastanawiać się, wyciągać wnioski i przede wszystkim
zadawać pytanie „Dlaczego?”.
5