Slajdy z wykładu – po 4 na stronie

Fizyka 1/F1
Jak się skutecznie (na)uczyć fizyki
Wykład → notatki
Paweł Machnikowski
Ćwiczenia
Konsultacje
Katedra Fizyki Teoretycznej WPPT
Praca własna
[email protected]
www.if.pwr.wroc.pl/~machnik
12 godzin
tygodniowo!
→ Dydaktyka → Fizyka 1
1
2
Jak się skutecznie (na)uczyć fizyki
Źródła i zasoby
Wykład → notatki
Notatki z wykładu
Ćwiczenia
Podręczniki
Konsultacje
Internet: Google, Wikipedia, …
Dyskusje i praca w grupie
Internetowe zasoby fizyczne
(applety, artykuły, materiały do wykładów, ...)
Praca własna (albo w grupie)
przegląd i uzupełnienie notatek (praca z podręcznikiem)
uzupełnienie wiedzy matematycznej
„lektura obowiązkowa” i „uzupełniająca”
przygotowanie ćwiczeń – rozwiązywanie zadań
przegląd treści kolejnego wykładu?
3
4
Nauka
Nauka
Formalne, falsyfikowalne modele, poddane próbie doświadczenia
→ wiedza oparta na faktach
Porządkowanie rzeczywistości
Formalność:
Modele (uproszczone)
celowość
(Arystoteles: przyczyna celowa)
Zdefiniowane pojęcia
Określone reguły wnioskowania
→ matematyka!
związki przyczynowe
(Arystoteles: przyczyna sprawcza)
Zasady fundamentalne
Model = struktura matematyczna + interpretacja
Uproszczona reprezentacja (idealizacja) zjawiska
Powtarzalność i podobieństwo zjawisk; wiara w sensowność przyrody
Utworzony ze względu na określony cel
→ „intuicyjna fizyka”
Umożliwia formalną (matematyczną) analizę
Abstrakcja:
konkret
(jednostkowe zjawisko)
abstrakt
(pojęcie,
niepoznawalny zmysłowo)
5
Współczesna metoda naukowa
– początki
Metoda naukowa
Empiryzm (Francis Bacon, 1561–1626)
Eksperymenty na granicy wiedzy i niewiedzy;
gromadzenie rzetelnych danych
abstrakcja
6
Isaac Newton (1642-1727):
(Wikipedia)
Hipoteza: zdanie ogólne uwzględniające jednostkowe obserwacje
i określające związki przyczynowe między nimi
Rezygnacja z poszukiwania
przyczyn transcendentnych
Model matematyczny zjawisk fizycznych:
równania różniczkowe → formalna przyczynowość
gromadzenie faktów obserwacyjnych
Teoria: logicznie spójny system praw i zasad, wyjaśniający pewną
klasę obserwacji w języku formalnego modelu
Ilościowa analiza zjawisk metodami matematyki
Przyroda jest matematyczna i zrozumiała
Żadna liczba obserwacji szczegółowych nie dowodzi twierdzenia
ogólnego (David Hume, 1711-1776)
a mogłaby być matematycznie transcendentna, zbyt skomplikowana
być może nawet amatematyczna/irracjonalna
Nie da się empirycznie dowieść bezwzględnej regularności zjawisk,
bo nie można obserwować zjawisk przyszłych
7
8
Matematyczność przyrody
matematyka
Współczesna metoda naukowa
Formalne uprawomocnienie twierdzeń naukowych:
falsyfikowalność (Karl Popper, 1902-1994)
przyroda
obserwacje
model
(dane wejściowe)
Teoria naukowa powinna jasno i precyzyjnie definiować
możliwości jej odrzucenia
zjawisko
Teoria jest stopniowo uwiarygodniana przez testy doświadczalne;
nie można jej w ścisłym sensie dowieść
rozumowanie
matematyczne
wnioski
przewidywanie
(dane wyjściowe)
Nowe obserwacje (zwykle) jedynie
zawężają zakres stosowalności teorii
Wiedza naukowa jest zawsze
przybliżona i prowizoryczna
inne (nowe)
zjawisko
nowa informacja
– niezawarta w danych obserwacyjnych
przewidywane zjawisko
faktycznie zachodzi
Równania są mądrzejsze niż ci, którzy je napisali (Heinrich Hertz)
9
10
Jak powstają teorie naukowe?
Fizyka
Fundamentalne prawa przyrody; wiara w ich ostateczną prostotę i
jedność
Rewolucje naukowe (Thomas S. Kuhn, 1922-1996)
Powstawanie teorii
Unifikacje:
fakty obserwacyjne, formalizm matematyczny, wyobraźnia,
„moda”, czynniki społeczne
nauka o cieple + mechanika → mechanika statystyczna
(A. Avogadro, J. C. Maxwell, XVII-XIX w.)
Kryteria akceptacji teorii:
elektryczność + magnetyzm → teoria pola elektromagnetycznego
(J. C. Maxwell, XIX w.)
prostota, jedność, ciągłość, zakres wyjaśnianych i
przewidywanych zjawisk,
oddziaływania elektromagnetyczne i słabe
→ teoria oddziaływań elektrosłabych
(S. Weinberg, Abdus Salam, 1967)
„czynnik ludzki” (anarchizm metodologiczny – Paul Feyerabend,
1924-1994)
Teorie nie powstają i nie są uprawomocniane indukcyjnie
(empirycznie)
11
12
Ogólny obraz przyrody
Fizyka – założenia
Atomy, cząstki elementarne, kwarki,... + oddziaływania
Polowy obraz oddziaływań; realność pól; nośniki oddziaływań;
przyczynowość
Obojętność w stosunku do istnienia realnego świata
(badane są modele oparte na wrażeniach zmysłowych; nie ma – w
rtamach nauk przyrodniczych – przejścia do rzeczy samej w sobie)
Rola symetrii i niezmienniczości; geometryzacja
Matematyczność (zrozumiałość przyrody)
Kwantowa natura świata w małej skali:
zasada nieoznaczoności, indeterminizm, splątanie (korelacje
kwantowe), związek z informacją
Idealizowalność przyrody: uproszczone modele przybliżają
rzeczywiste zjawiska („obserwacyjna stabilność”)
Elementarność przyrody:
istnieje poziom „pierwotny” (formalizm matematyczny)
Wszechświat w wielkiej skali:
oddziaływania grawitacyjne: układy planetarne, gromady, galaktyki,
gromady galaktyk; związek rozkładu masy z geometrią przestrzeni;
osobliwości: granica współczesnej wiedzy
Jedność przyrody:
jedność metody; unifikacje w fizyce
13
14
Fizyka – program kursu
Wielkości fizyczne
Pomiary → wyniki liczbowe – wielkości fizyczne
Mechanika
Określenie wielkości – porównanie z wzorcem
→ jednostki miar; układ SI
kinematyka i dynamika nierelatywistyczna
sprężystość, fale
Sem. 1
Jednostki podstawowe – definicja operacyjna lub wzorzec
elementy szczególnej teorii względności
czas – sekunda (s)
elementy hydrodynamiki
9 192 631 770 okresów oscylacji mikrofal emitowanych przejściu między dwoma
poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego 2S1/2 atomu
cezu
Teoria kinetyczna i termodynamika
Elektrodynamika
Oddziaływania cząstek naładowanych, pola,
fale elektromagnetyczne
Sem. 2
długość – metr (m):
droga przebywana przez światło w czasie 1/299792458 s
masa – kilogram (kg): wzorzec
Elementy fizyki współczesnej
Teoria kwantów, fizyka atomowa i jądrowa, cząstki elementarne,
ogólna teoria względności, astrofizyka, kosmologia
Sem. 3
Jednostki pochodne – równanie definiujące
np. energia – dżul (J): 1 J = 1 kg·m2/s2
Przedrostki
Wymiar wielkości fizycznej: T, L, M,...
15
16
Wielkości fizyczne
Zgodność wymiarów i jednostek w równaniach
Zamiana jednostek
Niepewność pomiaru i cyfry znaczące;
postać wykładnicza liczb i notacja naukowa
Rząd wielkości i oszacowania
Wielkości wektorowe
17