Fizyka – Wstep

dr inz. Ireneusz Owczarek

CNMiF PŁ

ireneusz.owczarek@p.lodz.plhttp://cmf.p.lodz.pl/iowczarek

1 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Wstep Z karty przedmiotu

Literatura podstawowa

Halliday D., Resnick R, Walker J.Podstawy Fizyki t. 1-5.PWN, 2005.

Praca zbiorowa pod red. A. JustaWstep do analizy matematycznej i wybranych zagadnien z fizyki.Wydawnictwo PŁ, Łódz 2007.

Jaworski B., Dietłaf A.Kurs Fizyki t. 1-3.PWN, 1984.

Strona internetowa prowadzona przez CMF PŁhttp://cmf.p.lodz.pl/efizykae-Fizyka. Podstawy fizyki.

Kakol Z. Zukrowski J.http://home.agh.edu.pl/˜kakol/wyklady_pl.htmWykłady z fizyki.

W celu zrozumienia zagadnienia mozna korzystac z dowolnego podrecznika.

2 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Wstep Jak uczyc sie fizyki?

Obciazenie praca studenta

Systematyczna nauka na długo przed egzaminem i regularne powtarzanie –to rzadko praktykowany sposób przygotowania do egzaminu.

W jaki sposób uczyc sie fizyki?

zrezygnowac z uczenia sie fizyki na pamiec!!!,poprawic umiejetnosci matematyczne, jesli sa one niewystarczajace,

uczyc sie wzorów fizycznych poprzez analize zagadnienia.

Ogólne zasady uczenia sie fizyki

1 Systematycznosc.2 Operatywnosc.3 Posługiwanie sie wyobraznia.

Zadawajcie pytania!Mozecie zadawac pytania w kazdym momencie.

3 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Fizyka a rozwój nauki i techniki Nowe materiały

CIEKAWOSC na Marsie!

6 sierpnia (2012) o godzinie 7:31 powierzchni Czerwonej Planety dotknałnajpotezniejszy z badajacych ja łazików (CURIOSITY).

Wyposazony w 10 instrumentówbadawczych, w tym:

działko laserowe zespektrometremprzeprowadzajacym, naodległosc, analize składuchemicznego,

wiertło do drazenia dziur w glebie,

ramie zbierajace próbki glebyi skał,

nuklearny reaktortermoelektryczny (4,8 kg 23894 Pu).

4 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Notatki

Notatki

Notatki

Notatki

Fizyka a rozwój nauki i techniki Nowe materiały

Nobel (2009) za zonglowanie swiatłem

Nagrodzono pionierów obecnego swiata informacji i obrazu.Naukowców, którzy wynalezli matryce CCD (stosowana w fotografii cyfrowej)i zrewolucjonizowali przesyłanie bitów za pomoca szklanych autostrad.

Charles K. Kao, George E. Smith i Willard S. Boyle

5 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Fizyka a rozwój nauki i techniki Nowe materiały

Nobel (2010) za cudowny materiał – Andre Geim, KonstantinNowoselow

Grafen – weglowy plaster o grubosciatomu – posiada wielka wytrzymałosc,dzieki niezwykle silnym wiazaniommiedzy atomami wegla – swietnieprzewodzi prad.

Nadzieja elektroniki, motoryzacji, energetyki, medycyny. To materiał, któryw elektronice zdetronizuje krzem:

Bardzo dobry przewodnik ciepła – zmierzona przewodnosc cieplnawynosi od 4840 do 5300 W/mK (srebro – 429 W/mK),Posiada niewielka rezystancje,Jest niemal całkowicie przezroczysty (pochłania tylko 2,3 % swiatła),Jest ponad 100 razy mocniejszy niz stal, a zarazem tak elastyczny, zemozna go bez szkody rozciagnac o 20 %.

6 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Fizyka a rozwój nauki i techniki Nowe materiały

Grafen

Dr Włodzimierz Strupinski z InstytutuTechnologii MateriałówElektronicznych (ITME) stworzyłtechnologie produkcji grafenunajwyzszej jakosci, a ITME znalazł siena liscie najwazniejszych osrodkówzajmujacych sie grafenem, oboklaboratoriów IBM, MIT, Samsunga.

Inne własciwosci Grafenu

Grubosc: 0,34 nm – milion razy cienszy niz kartka papieru.

Waga: jeden 1 km2 grafenu wazy 757 g – lekki jak piórko.

Twardosc: porównywalna z twardoscia diamentu.

Przewodnosc elektryczna: miliard razy wyzsza niz przewodnoscdomieszkowanego krzemu w chipach komputerowych.

7 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Fizyka a rozwój nauki i techniki Nowe materiały

Nobel za kwanty pod kontrola (2012)

Nagroda za ujarzmienie kwantowego mikroswiata – bedzie mozna stworzycbardziej precyzyjne zegary i kwantowe komputery.

David J. Wineland

Serge Haroche

Konstrukcje tzw. wnek rezonansowych dla fotonów i pułapekelektromagnetycznych dla jonów.

8 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Notatki

Notatki

Notatki

Notatki

Podstawowe pojecia Co to jest fizyka?

Definicje

Fizyka (z greckiego physiké - natura)

zajmuje sie badaniem materii oraz zjawiskami zachodzacymi w przyrodzie.

Wg Alberta Einsteina

To proste, mój przyjacielu: poniewaz polityka jest trudniejsza od fizyki.

Wg Alberta Einsteina

To, co nazywamy fizyka, obejmuje cała grupe nauk przyrodniczych, któreopieraja swe teorie na pomiarach i których idee i twierdzenia daja siesformułowac za pomoca matematyki.

Wg Richarda Feynmana

Fizyka jest jak seks: pewnie, ze moze dawac jakies praktyczne rezultaty,ale nie dlatego to robimy.

9 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Podstawowe pojecia Co to jest fizyka?

Fizyka – nauka eksperymentalna

Zjawiska fizyczne zachodza w klasycznej przestrzeni i czasie:Przestrzen euklidesowa (kartezjanski układ współrzednych).Czas absolutny.

Pierwszym etapem jest opisywanie rzeczywistosci (Jak?).1 Obserwacja zjawisk zachodzacych w przyrodzie zwiazana jest

z pomiarem przy uzyciu odpowiednich przyrzadów.2 Uzyskuje sie wyniki w postaci zbioru liczb rzeczywistych.3 Ograniczenia pomiarowe:

dokładnosc – kazdy pomiar obarczony błedem,

zakres – fizyczny sens wielkosci (np. rozmiar i wiek Wszechswiata,skonczona predkosc swiatła, zero bezwzgledne).

Drugi etap poznawania to wyjasnienie (Dlaczego?).10 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Podstawowe pojecia Wielkosci fizyczne i ich jednostki

Wielkosci i prawa fizyczne

Prawo fizyczne

opisuje zaleznosci miedzy wielkosciami fizycznymi, opisuje wynikiprzeprowadzonych badan, uogólnia zwiazki miedzy wielkosciami fizycznymi.

Zasada fizyki

to kazde prawo fizyczne, które opisuje typ zaleznosci uniwersalnychpowszechnie wystepujacych w przyrodzie tj. niezaleznie od jej warstwy czynatury zjawisk.

Wielkosci fizyczne

to mierzalne cechy czy własciwosci obiektów zdarzen, zjawisk i procesów.

11 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Podstawowe pojecia Wielkosci fizyczne i ich jednostki

Typy wielkosci fizycznych

Skalar

to wielkosc fizyczna lub geometryczna okreslana jedna liczba, np. masa, polepowierzchni.

12 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Notatki

Notatki

Notatki

Notatki

Podstawowe pojecia Wielkosci fizyczne i ich jednostki

Typy wielkosci fizycznych . . .

Wektor

to skierowany odcinek o zwrocie okreslonym przez kolejnosc punktów.

Tensor

to uogólnione pojecie wektora i skalara. Uzywa sie go do opisu np.odkształcen w osrodkach, zachowania sie bryły sztywnej, w teorii pola (np.w ogólnej teorii wzglednosci Einsteina) itd.

13 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Podstawowe pojecia Jednostki w układzie SI

Podstawowe jednostki w układzie SI

System International d’Unites został uchwalony na XI GeneralnejKonferencji Miar w 1960 roku.

Jednostki podstawowe Symbolmetr mkilogram kgsekunda samper Akelwin Kmol molkandela cd

oraz

Jednostki uzupełniajace Symbolradian radsteradian sr

14 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Podstawowe pojecia Jednostki w układzie SI

Definicje wybranych jednostek

Metr to odległosc, która w prózni przebywa swiatłow czasie 1/299 792 458 s.

Kilogram jest to masa wzorca – walcaplatyno-irydowego.

Sekunda jest równa 9 192 631 770 okresom przejsciapomiedzy podpoziomami F=3 i F=4 strukturynadsubtelnej poziomu podstawowego 2S1/2 atomu133Cs znajdujacego sie na poziomie morza.

15 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Podstawowe pojecia Jednostki w układzie SI

Porównanie wielkosci fizycznych

16 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Notatki

Notatki

Notatki

Notatki

Podstawowe pojecia Podstawowe stałe fizyczne

Parametry zyciowe naszego Wszechswiata

Nasz Wszechswiat tak jak ludzie ma kilka liczb, które okreslaja jego nature,temperature, wiek, witalnosc, a nawet ... płodnosc.

Nawet drobna zmiana w wartosciach stałych fizycznych lub w prawach naturysprawiłyby, ze powstałby swiat nieprzyjazny dla zycia.

Przykłady:

Gdyby siły jadrowe zwiaza ze soba protony i neutrony w jadrzeatomowym były słabsze, Wszechswiat wypełniałby jedynie wodór. Jadraciezszych pierwiastków – tlenu lub wegla – nigdy by nie powstały.I nie powstałoby zycie, jakie znamy.

Gdyby siły jadrowe były silniejsze, to w pierwszych minutach po WielkimWybuchu cały wodór zamieniłby sie w hel.I zycia tez by nie było.

17 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Podstawowe pojecia Podstawowe stałe fizyczne

Parametry zyciowe naszego Wszechswiat . . .

Jesliby zestaw stałych fizycznych był nieco inny, to powstałyby jakies swiatyistniejace dłuzej niz ułamek sekundy, ale niemal na pewno nie byłoby w nichistot, które mogłyby je podziwiac.

Stała grawitacji

G = 6,673 84(80) · 10−11 m3

kg s2,

liczbowo jest równa sile grawitacji jaka na siebie działaja dwa ciała o masie1 kg kazde z odległosci 1m.

Gdyby ta stała miała wieksza wartosc, to tworzyłyby sie gwiazdy o wielewieksze od Słonca, które szybko sie spalaja. Umieraja w gwałtownymwybuchu supernowej, zmiatajac w podmuchu eksplozji całe swe otoczenie.

Z kolei gdyby grawitacja była słabsza, niz jest, zmalałaby liczbasupernowych. Tymczasem wybuchy supernowych rozsiewaja w przestrzenimiedzygwiezdnej pierwiastki ciezsze od wodoru i helu, które sa budulcemplanet i organizmów.

18 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Podstawowe pojecia Podstawowe stałe fizyczne

Parametry zyciowe naszego Wszechswiata . . .

Predkosc swiatła

to predkosc rozchodzenia sie fali elektromagnetycznej w prózni

c = 299 792 458ms,

nie zalezy od czestosci fali, ani układu odniesienia.

Temperatura zera bezwzglednego jest teoretyczna granica do jakiej moznaochłodzic układ termodynamiczny (wg trzeciej zasady termodynamiki).

Temperatura zera bezwzglednego

to temperatura w termodynamicznej skali temperatur – skali niezaleznej odzastosowanej substancji termometrycznej

−273,15 ◦C = 0K,

w której zanikaja wszelkie drgania czasteczek i wszystkie elementy układutermodynamicznego uzyskuja najnizsza z mozliwych energii.

Spowalniajac atomy za pomoca laserów, mozna chłodzic taki układ atomówdo temperatury zaledwie 10−6 K.

19 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Podstawowe pojecia Podstawowe stałe fizyczne

Parametry zyciowe naszego Wszechswiata . . .

Liczba Avogadra

NA = 6,022 141 29(27) · 1023 mol−1,

liczbowo równa liczbie atomów, czasteczek lub innych czastek materiizawartych w jednym molu tej materii.

Uniwersalna stała gazowa

R = 8,314 462 1(75)J

mol · K ,

nie zalezy od rodzaju gazu (dla kazdego gazu jest jednakowa).

20 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Notatki

Notatki

Notatki

Notatki

Podstawowe pojecia Podstawowe stałe fizyczne

Parametry zyciowe naszego Wszechswiata . . .

Stała Boltzmanna

kB = 1,380 648 8(13) · 10−23JK= 8,617 332 4(78) · 10−5 eV

K.

Trudniej o porzadek niz o chaos (jest tylko jedno własciwe uporzadkowaniei setki metod na zrobienie “bałaganu”).Stała Boltzmanna ujmuje ilosciowo te zaleznosc.

Stała Plancka

h = 6,626 069 57(29) · 10−34 Js = 4,135 667 516(91) · 10−15 eV · s.

Stała Diraca

~ = h

2π~ = 1,054 571 68(18) · 10−34 Js = 6,582 119 15(56) · 10−16 eV · s,

jest kwantem momentu pedu, a wiec tym samym i spinu.

Uwazana za stała bardziej podstawowa niz sama stała Plancka.21 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Podstawowe pojecia Podstawowe stałe fizyczne

Stałe fundamentalne

Naprawde fundamentalne stałe sa bezwymiarowe, gdyz jednostki zaleza odwymiarów okreslonych przez człowieka. Okreslaja one wzgledne natezenieposzczególnych oddziaływan podstawowych, zaleznych od wielkoscicharakteryzujacych dane oddziaływanie.

Stała struktury subtelnej

α =e2

~c≈ 1137

,

charakteryzujaca siłe oddziaływan elektromagnetycznych.

Iloraz masy elektronu do masy protonu

β =m

Mp≈ 11836

.

Stała charakteryzujaca oddziaływania silne

s1 =masa mezonu πmasa protonu

≈ 0,15.

22 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Model Standardowy Rodzaje czastek elementarnych

Wszystkie czastki Wszechswiata

Symetria – główna idea współczesnej fizyki czastek elementarnych.Model Standardowy (MS) jest jedna z najwazniejszych teorii współczesnejfizyki.Zakłada sie, ze 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+, Z0

i gluony rózniace sie kolorem, tj. ładunkiem silnym).

23 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Model Standardowy Rodzaje czastek elementarnych

Jakie sa najmniejsze składniki materii?

Kwarki nie moga wystepowac samodzielnie i sa uwiezione w hadronach(nukleony, hiperony lub mezony ).

24 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Notatki

Notatki

Notatki

Notatki

Model Standardowy Rodzaje czastek elementarnych

Trwaja poszukiwania czastki Higgsa?

MS przewiduje tez istnienie czastki, która oddziałujac z innymi czastkaminadaje im mase — jest to bozon Higgsa.Czy wreszcie ja odkryto w osrodku CERN (Wielki Zderzacz Hadronów) podGenewa?

Potencjał pola Higgsa, nazywany jest czasem "El Sombrero".25 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Model Standardowy Rodzaje czastek elementarnych

Czy złamano testament Nobla?

Nagrode Nobla z fizyki w 2013 podziela miedzy siebie Francois Englerti Peter W. Higgs za wyjasnienie mechanizmu, dzieki któremu podstawoweskładniki materii – czastki elementarne – nabieraja masy.

Zgodnie z testamentem Alfreda Noblanagradzane miały byc tylko odkryciamajace praktyczne znaczenie dlaludzkosci.

Nauka jest owocem naszej potrzebyodkrywania i eksploracji. To, ze przyokazji zawojowalismy swiat, powstałynarzedzia i wynalazki, bez którychdzis nie wyobrazamy sobie zycia, totylko skutek uboczny.

26 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Model Standardowy Prostota praw fizyki

Teoria Wielkiej Unifikacji Oddziaływan

Oddziaływanie elektromagnetyczne

polega na wymianie miedzy czastkami naładowanymi elektrycznieposredniczacego fotonu.

Zmienne pole elektromagnetyczne rozprzestrzenia sie w postaci falielektromagnetycznej. Kwantem oddziaływania elektromagnetycznego jestfoton.

Oddziaływanie silne

łaczace kwarki w hadrony, przenoszone jest przez osiem rodzajów gluonów(o zerowej masie spoczynkowej). Sposób oddziaływania (rodzaj gluonu)oznaczany jest własciwoscia nazywana kolorem gluonu.

Oddziaływanie słabe

to oddziaływanie, w którym uczestnicza wszystkie czastki z wyjatkiem fotonu(i grawitonu).

Jest odpowiedzialne za rozpad β i zwiazana z nim radioaktywnosc.

27 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Model Standardowy Prostota praw fizyki

Teoria Wielkiej Unifikacji Oddziaływan . . .

Oddziaływania przenoszone sa przez specjalne czastki i polega nawytworzeniu lub pochłonieciu czastki przenoszacej oddziaływanie.

Własnosci Słabe Silne Elektro-magn. GrawitacyjneZródło wszystkie czastki hadrony ładunki masaNosnik W−, W+, Z0 gluony foton (γ) grawitonZasieg 10−18m 10−15m ∞ ∞Wzgledna siła 10−6 1 1

137 10−39

Stała struktury subtelnej

α =e2

4πε0~c≈ 1137

.

MS dobrze opisuje oddziaływania, jednak nie uwzglednia oddziaływaniagrawitacyjnego. Ma wady:

ok. 20 wolnych parametrów o nie znanych wartosciach,czastka Higgsa nie została odkryta?!

Strategia na najblizsza przyszłosc to:znalezc czastke Higgsa lub wykluczyc jej istnienie (ok. 1TeV),poszukiwac nowych czastek (od 50GeV do 5TeV).

28 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep

Notatki

Notatki

Notatki

Notatki