Plan wykładu Fizyka – Wstep˛ -...
Transcript of Plan wykładu Fizyka – Wstep˛ -...
Fizyka – Wstep
dr inz. Ireneusz Owczarek
CMF PŁ[email protected]://cmf.p.lodz.pl/iowczarek
2013/14
1 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep
Plan wykładu
1 Wstep
Z karty przedmiotu
Jak uczyc sie fizyki?
2 Fizyka a rozwój nauki i techniki
Nowe materiały
3 Podstawowe pojecia
Podstawowe prawa i zasady
Co to jest fizyka?
Wielkosci fizyczne i ich jednostki
Jednostki w układzie SI
4 Model Standardowy
Rodzaje czastek elementarnych
Prostota praw fizyki
2 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep
Wstep Z karty przedmiotu
Formy zajec
Wykład Cwiczenia Laboratorium Suma w semestrze
10 10 10 30
Cele przedmiotu
Umozliwienie zdobycia wiedzy w zakresie opisu zjawisk fizycznych
zachodzacych zarówno w srodowiskach naturalnych, jak i spotykanych
w technice oraz w zakresie podstawowych praw z wybranych działów
fizyki.
Kształtowanie umiejetnosci rozwiazywania podstawowych zadan
z wybranych działów fizyki.
Umozliwienie zdobycia umiejetnosci obsługi podstawowego sprzetu
laboratoryjnego, opracowywania wyników i prezentowania ich w postaci
raportu.
3 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep
Wstep Z karty przedmiotu
Efekty kształcenia
Umiejetnosci i kompetencje
Student potrafi:
Wiazac zjawiska przyrodnicze i działanie urzadzen technicznych
z okreslonymi prawami fizyki.
Wykorzystywac matematyke jako narzedzie opisu wybranych zjawisk
fizycznych.
Rozwiazywac proste zadania rachunkowe w sposób logiczny
i przejrzysty.
Obsługiwac w podstawowym zakresie wybrany sprzet laboratoryjny.
Wykorzystywac odpowiednie metody opracowania wyników
eksperymentu i dokonywac ich ewaluacji.
4 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep
Wstep Z karty przedmiotu
Program
Tresci merytoryczne i formy zaliczenia
1 Elementy fizyki jadrowej i kwantowej.
2 Fizyczna zasada działania masera i lasera.
3 Zjawisko nadprzewodnictwa.
Sprawdzenie osiagniec efektów kształcenia
Wykład – Pisemne kolokwium z omawianych zagadnien.
Cwiczenia – Pisemne kolokwium z zadan.
Laboratorium – pisemne sprawozdania, jeden sprawdzian ustny, praca
podczas zajec.
Uwaga! Zaliczenie laboratorium jest warunkiem koniecznym!!
Ocena koncowa jest srednia wazona z ocen:
60% – kolokwia z cwiczen i wykładów,
40% – laboratorium (opracowanie wyników -24%, odpowiedz - 12%
i aktywnosc - 2% ).
5 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep
Wstep Z karty przedmiotu
Literatura podstawowa
Kania S.
Wykłady z fizyki cz. 1 i 2.
Wydawnictwo PŁ, Łódz 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. Zukrowski J.
http://home.agh.edu.pl/˜kakol/wyklady_pl.htm
Wykłady z fizyki.
6 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.
7 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 dotknał
najpotezniejszy z badajacych ja łazików (CURIOSITY).
Wyposazony w 10 instrumentów
badawczych, w tym:
działko laserowe ze
spektrometrem
przeprowadzajacym, na
odległosc, analize składu
chemicznego,
wiertło do drazenia dziur w glebie,
ramie zbierajace próbki gleby
i skał,
nuklearny reaktor
termoelektryczny (4, 8kg 23894 Pu).
8 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep
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
9 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 grubosci
atomu – posiada wielka wytrzymałosc,
dzieki niezwykle silnym wiazaniom
miedzy atomami wegla – silniejszym
niz te, które czynia diament
najtwardszym z minerałów.
Gdyby uszyc z niego hamak - to chocwazyłby ledwie ułamek miligrama, beztrudu utrzymałby kota.
To materiał, który w elektronice zdetronizuje krzem:
Bardzo dobry przewodnik ciepła — zmierzona przewodnosc cieplna
wynosi od 4840± 440 do 5300± 480W/mK (srebro – 429W/mK),
Posiada niewielka rezystancje,
Jest niemal całkowicie przezroczysty (pochłania tylko 2, 3 proc. swiatła),
Jest ponad 100 razy mocniejszy niz stal, a zarazem tak elastyczny, ze
mozna go bez szkody rozciagnac o 20%.
10 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 stworzyc
bardziej precyzyjne zegary i kwantowe komputery.
David J. Wineland
Serge Haroche
Konstrukcje tzw. wnek rezonansowych dla fotonów i pułapek
elektromagnetycznych dla jonów.
11 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep
Podstawowe pojecia Podstawowe prawa i zasady
Fizyka wokół nas
Zródłem informacji w fizyce sa obserwacje i pomiary.
Na ich podstawie fizycy formułuja prawa i zasady
opisujace przebieg zjawisk i zwiazki wystepujace
pomiedzy mierzonymi wielkosciami.
Prawa i zasady formułuja tez organizacje
miedzynarodowe i rzadowe, prawnicy, politycy,
ekonomisci.
Prawom fizyki podlegaja wszyscy – cała przyroda.Praw tych nie da sie uniknac.
Zmiany systemów ekonomicznych i społecznych nie
maja na nie zadnego wpływu.
12 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep
Podstawowe pojecia Podstawowe prawa i zasady
Ignorowanie praw fizyki
Próby nieprzestrzegania lub ignorowania praw
fizyki sa zawsze skazane na niepowodzenie,
a skutki bywaja czesto tragiczne.
Nieuwzglednienie np. siły odsrodkowej na
zakrecie, zmiany współczynnika tarcia na
mokrej nawierzchni . . . .
Kiedy prasa donosi o zawaleniu sie dachu hali
widowiskowej lub mostu mozna stwierdzic
z ubolewaniem, "ktos znów nie uczył sie
fizyki".
13 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep
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, które
opieraja swe teorie na pomiarach i których idee i twierdzenia daja sie
sformułowac za pomoca matematyki.
Wg Richarda Feynmana
Fizyka jest jak seks: pewnie, ze moze dawac jakies praktyczne rezultaty,
ale nie dlatego to robimy.
14 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?).
15 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 wyniki
przeprowadzonych badan, uogólnia zwiazki miedzy wielkosciami fizycznymi.
Zasada fizyki
to kazde prawo fizyczne, które opisuje typ zaleznosci uniwersalnych
powszechnie wystepujacych w przyrodzie tj. niezaleznie od jej warstwy czy
natury zjawisk.
Wielkosci fizyczne
to mierzalne cechy czy własciwosci obiektów zdarzen, zjawisk i procesów.
16 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, pole
powierzchni.
17 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep
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.
18 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 Generalnej
Konferencji Miar w 1960 roku.
Jednostki podstawowe Symbol
metr mkilogram kgsekunda samper Akelwin Kmol molkandela cd
oraz
Jednostki uzupełniajace Symbol
radian radsteradian sr
19 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep
Podstawowe pojecia Jednostki w układzie SI
Definicje wybranych jednostek
Metr to odległosc, która w prózni przebywa swiatło
w czasie 1/299792458s.
Kilogram jest to masa wzorca – walca
platyno-irydowego.
Sekunda jest równa 9 192 631 770 okresom przejscia
pomiedzy podpoziomami F = 3 i F = 4 struktury
nadsubtelnej poziomu podstawowego 2S1/2 atomu133Cs znajdujacego sie na poziomie morza.
20 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep
Podstawowe pojecia Jednostki w układzie SI
Porównanie wielkosci fizycznych
21 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 współczesnej
fizyki.
Zakłada sie, ze istnieja dwa rodzaje czastek elementarnych:
czastki które sa materia (jak elektrony, protony, neutrony i kwarki),
czastki które przenosza oddziaływania (fotony, bozony W−,W+, Z0
i gluony rózniace sie kolorem, tj. ładunkiem silnym).
22 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 ).
23 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep
Model Standardowy Rodzaje czastek elementarnych
Trwa poszukiwanie czastki Higgsa!
MS przewiduje tez istnienie czastki, która oddziałujac z innymi czastkami
nadaje im mase — jest to bozon Higgsa. Jej istnienia jak dotad nie udało sie
potwierdzic doswiadczalnie.
Potencjał pola Higgsa, nazywany jest czasem "El Sombrero".
24 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep
Model Standardowy Prostota praw fizyki
Teoria Wielkiej Unifikacji Oddziaływan
Oddziaływanie elektromagnetyczne
polega na wymianie miedzy czastkami naładowanymi elektrycznie
posredniczacego fotonu.
Zmienne pole elektromagnetyczne rozprzestrzenia sie w postaci fali
elektromagnetycznej. Kwantem oddziaływania elektromagnetycznego jest
foton.
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.
25 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep
Model Standardowy Prostota praw fizyki
Teoria Wielkiej Unifikacji Oddziaływan . . .
Oddziaływania przenoszone sa przez specjalne czastki i polega na
wytworzeniu lub pochłonieciu czastki przenoszacej oddziaływanie.
Własnosci Słabe Silne Elektro-magn. Grawitacyjne
Zródło wszystkie czastki hadrony ładunki masa
Nosnik W−,W+, Z0 gluony foton (γ) grawiton
Zasieg 10−18m 10
−15m ∞ ∞
Wzgledna siła 10−6
11
13710−39
Stała struktury subtelnej
α =e2
4πǫ0~c≈1
137.
MS dobrze opisuje oddziaływania, jednak nie uwzglednia oddziaływania
grawitacyjnego. 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 ).
26 dr inz. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep