1

Wprowadzenie do kursu fizyki

Opracowano na podstawie książki D. C. Giancoli, Physics for Scientists and Engineers with

Modern Physics, Third Edition, Prentice Hall 2003

Fizyka (http://fizyka.org/, http://www.olfiz1.republika.pl/, http://www.wiw.pl/fizyka/

http://pl.wikipedia.org/wiki/Fizyka, http://www.fizyka.net.pl/, http://en.wikipedia.org/wiki/Physics)

to najbardziej fundamentalna wśród innych nauka przyrodnicza. Na niej oparta jest cywilizacja

ziemska. Zajmuje się strukturą materii oraz zjawiskami, w których biorą udział obiekty materialne.

Dzieli się ją zazwyczaj na dwa działy: fizykę klasyczną i współczesną. Pierwsza z nich dotyczy:

ruchu, płynów, ciepła, dźwięku, światła, elektryczności i magnetyzmu, a drugi: teorii względności,

atomów, fazy skondensowanej (m.in. kryształów, półprzewodników, metali) jąder atomów, cząstek

elementarnych i astrofizyki.

Wiedza z zakresu podstawy fizyki jest kanonem kształcenia każdej osoby, która ma zamiar

pracować i robić karierę zawodową w nauce, technice lub przemyśle technologicznym

(nanotechnologii; patrz webstrony

http://pl.wikipedia.org/wiki/Nanotechnologia,

http://www.sprawozdania.info/nanotechnologie.php,

http://www.nanonet.pl/,

więcej za pomocą dowolnej przeglądarki internetowej i hasła wyszukiwania nanotechnologia).

Odnosi się to w równej mierze do: fizyków, wszystkich inżynierów, chemików, astronomów,

astrofizyków, matematyków, geologów, biologów. Fizyka jest podstawą działalności każdej nauki.

Przykładowo inżynierowie projektujący systemy ogrzewcze (lub chłodzące) muszą znać prawa

termodynamiki; inżynierowie projektujący urządzenia do medycznego obrazowania (tomografia

komputerowa (http://resmedica.pl/zdart2009.html, http://www.ws.aplus.pl/tomografia/

2

http://www.zdrowie.med.pl/bad_obraz/tomografia.html, http://pl.wikipedia.org/wiki/Tomografia_komputerowa ), endoskopy

(http://pl.wikipedia.org/wiki/Endoskopia, http://pl.wikipedia.org/wiki/Endoskop), rezonans magnetyczny

(http://pl.wikipedia.org/wiki/Obrazowanie_rezonansu_magnetycznego, http://wapedia.mobi/pl/MRI, http://wapedia.mobi/pl/NMR,

http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_resonance_imaging) muszą znać prawa elektromagnetyzmu

(http://pl.wikipedia.org/wiki/Kategoria:Elektromagnetyzm, http://pl.wikipedia.org/wiki/Oddzia%C5%82ywanie_elektromagnetyczne,

http://faleelektromagnetyczne.republika.pl/elektromagnetyzm.html, http://www.sciaga.pl/tekst/52430-53-elektromagnetyzm,

http://www.sciaga.pl/tekst/13527-14-elektromagnetyzm) i fizyki współczesnej (http://en.wikipedia.org/wiki/Modern_physics,

http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/fizyka/a_fizyka/15_fizykawsp/indexs.htm, http://hypertextbook.com/physics/modern/,

http://www.fizykon.org/fiz_wspolczesna/spis_fizyka_wspolczesna.htm, http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl) ;

projektanci satelitarnych systemów pozycjonowania (GPS (http://pl.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System ,

Galileo (http://pl.wikipedia.org/wiki/Galileo_(system_nawigacyjny), GLONASS (http://pl.wikipedia.org/wiki/GLONASS)) muszą

znać ogólną (http://portalwiedzy.onet.pl/22795,,,,wzglednosci_teoria_ogolna,haslo.html,

http://pl.wikipedia.org/wiki/Og%C3%B3lna_teoria_wzgl%C4%99dno%C5%9Bci, http://mpancz.webpark.pl/fizotw.php) i szczególną

teorię względności (http://library.thinkquest.org/19662/high/pol/relativity-theory.html, http://mpancz.webpark.pl/fizstw.php,

http://pl.wikipedia.org/wiki/Szczeg%C3%B3lna_teoria_wzgl%C4%99dno%C5%9Bci,

http://www.mif.pg.gda.pl/kfze/wyklady/WM2rozdzial8.pdf, http://www.fuw.edu.pl/~badelek/dydaktyka/2007/t_wzgl/t_wzgl.html)

(bez uwzględnienia efektów przewidzianych tymi teoriami systemy satelitarnego pozycjonowania

byłyby bezużyteczne; więcej w plikach PDF dostępnych na webstronie autora

http://www.if.pwr.wroc.pl/~wsalejda/ zawierających wykłady popularnonaukowe); wreszcie inżynierowie

budownictwa muszą znać metody wyznaczania rozkładu sił w projektowanych budowlach, które mają

być stabilne i bezpieczne; patrz ilustracje poniżej.

3

Akwedukt rzymski wybudowany 2000 lat temu.

Inny przykład akweduktu rzymskiego wybudowanego 2000 lat temu.

4

Bazylika Sagrada Familia w Barcelonie; autor projektu Antoni Gaudi

Golden Gate Bridge, zbudowany w 1937 roku; łączy miasto San Francisco z hrabstwem Marin nad

cieśniną Golden Gate.

5

PetronasTwin Towers (bliźniacze wieże) w Kuala Lumpur stolicy Malezji. Jedna z największych

bliźniaczych budowli świata.

PetronasTwin Towers (bliźniacze wieże) w Kuala Lumpur stolicy Malezji. Jedna z największych

bliźniaczych budowli świata; wysokość 452 m..

6

Tajpej – 101, Tajwan; wysokość 509 m.

Pentominium (w budowie), Dubaj,

Zjednoczone Emiraty Arabskie; wysokość

Obok najwyższy budowany obecnie

budynek; docelowa wysokość 819 m.

Dubaj, Zjednoczone Emiraty Arabskie.

7

Projekt Sky Tower; budynek będzie najwyższym w Polsce i jednym z wyższych wieżowców Europy. Wieża będzie

miała 258 metrów wysokości.

8

Sky Tower będzie obiektem wielofunkcyjnym. Na około 300 tys. m kw. powierzchni powstaną biura, apartamenty, galerie

handlowe wraz z galerią sztuki, czteropoziomowy parking, a także kort tenisowy, baseny, centrum medyczne, prywatne

przedszkole i boisko do minigolfa. Na samym szczycie mieszkańcy będą mogli podziwiać panoramę starówki z okien Sky

Clubu, luksusowego baru dostępnego tylko dla nich i ich gości.

9

Katastrofa budowlana na terenie Międzynarodowych Targów Katowickich – 28 I 2006 r. około

godziny 17:15, podczas trwania wystawy gołębi pocztowych, zawalił się dach hali Międzynarodowych

Targów Katowickich (MTK) położonych na granicy Katowic, Chorzowa i Siemianowic Śląskich

(województwo śląskie). W czasie katastrofy w hali znajdowało się około 700 osób, zwiedzających

i wystawców. W jej wyniku zginęło 65 osób, a ponad 170 zostało rannych, w tym około 13

cudzoziemców – Niemcy, Belgowie, Czesi, Słowak oraz Holender. Była to największa tego typu

katastrofa we współczesnych dziejach Polski.

Zniszczony dach hali sportowej Hartford Civic Center pod wpływem dużych opadów śniegu

rankiem 18 I 1978 r. Odnowiono i otworzono 17 I 1980 r. Hartford, Connecticut, USA.

10

Widok na halę MTK chwilę po przybyciu słuŜb ratunkowych.

Mówiąc najogólniej podstawowym celem każdej nauki, włączając w to fizykę, jest poszukiwanie

porządku w obserwowanych zjawiskach zachodzących w otaczającym nas świecie. Nauka, w tym

fizyka, nie jest kolekcjonowaniem opisów lub faktów. Nauka, a w szczególności fizyka, jest twórczą

aktywnością, jest formułowaniem wiedzy o zjawiskach przyrodniczych, jest aktywną działalnością

mającą na celu odkryciu prawidłowości w obserwowanych zjawiskach.

Ważnym aspektem działalności naukowej jest obserwowanie zjawisk (zdarzeń), co w fizyce

oznacza zaprojektowanie (zaplanowanie) i wykonanie eksperymentu. Od fizyka wymagana jest

ponadto duża doza wyobraźni (http://pl.wikipedia.org/wiki/Wyobra%C5%BAnia, http://www.sciaga.pl/tekst/57152-58-

wyobraznia_jej_pojecie_i_rodzaje, http://pl.wiktionary.org/wiki/wyobra%C5%BCa%C4%87) oraz umiejętność

abstrahowania (http://pl.wiktionary.org/wiki/abstrahowa%C4%87, http://www.sjp.pl/co/abstrahowa%E6), tj. wskazania

istotnych czynników wpływających na przebieg obserwowanego zjawiska i zaniedbywanie

nieważnych. Przykładem są rozumowania Arystotelesa (384-322) (http://pl.wikipedia.org/wiki/Arystoteles)

11

Arystoteles, rzeźba Lizypa, Luwr

oraz Galileusza (1564-1642) (http://pl.wikipedia.org/wiki/Galileusz, http://www.sciaga.pl/tekst/27121-28-galileusz )

Galileo Galilei (1564-1642)

12

dotyczące ruchu ciała po płaszczyźnie poziomej. Arystoteles obserwując ciało popchnięte

i poruszające się po płaszczyźnie poziomej, które wskutek tarcia zawsze zatrzymuje się, wysnuł

wniosek: Naturalnym stanem każdego ciała jest stan spoczynku, tj. bezruch. Analizując to samo

zjawisko Galileusz doszedł do innej konkluzji: Naturalnym stanem ruchu każdego ciała jest stan

spoczynku, tj. bezruch, albo ruch jednostajny prostoliniowy. W swojej analizie wyników

eksperymentu Galileusz, dzięki posiadanej umiejętności abstrahowania i dużej wyobraźni,

zaniedbał/wykluczył (w wyobraźni) działanie sił oporu (w tym przypadku tarcia) i doszedł do bardzo

ważnego i prawdziwego do dziś wniosku, który Isaac Newton (http://pl.wikipedia.org/wiki/Isaac_Newton) ujął

w postaci pierwszego prawa dynamiki (http://pl.wikipedia.org/wiki/Zasady_dynamiki_Newtona). Zauważmy, że

stwierdzenie Galileusza jest rozszerzeniem konkluzji Arystotelesa. Jest to typowy paradygmat nauki:

Nowe nie jest rogiem starego. Nowa wiedza jest uogólnieniem starszej.

W nawiązaniu do pojęć abstrahowania i wyobraźni (imaginacji; http://www.sjp.pl/co/imaginacja) warto

w tym kontekście i miejscu przypomnieć utwór (piosenkę) Johna Lennona pt. Imagine, z albumu z

1971 r. Oto tekst utworu:

Imagine there's no Heaven

It's easy if you try

No hell below us

Above us only sky

Imagine all the people

Living for today

Imagine there's no countries

It isn't hard to do

Nothing to kill or die for

13

And no religion too

Imagine all the people

Living life in peace

You may say that I'm a dreamer

But I'm not the only one

I hope someday you'll join us

And the world will be as one

Imagine no possessions

I wonder if you can

No need for greed or hunger

A brotherhood of man

Imagine all the people

Sharing all the world

You may say that I'm a dreamer

But I'm not the only one

I hope someday you'll join us

And the world will live as one

Piosenka – wykonanie autorskie dostępne w postaci videoklipu na stronie

http://www.youtube.com/watch?v=jEOkxRLzBf0 – ma wymowę antyreligijną, antynacjonalistyczną,

nonkonformistyczną i antykapitalistyczną. W 2004 r., magazyn muzyczny Rolling Stone uznał

"Imagine" za trzecią piosenkę wszechczasów.

14

Strawberry Fields – pomnik ku pamięci Johna Lennona w Central Parku (Nowy Jork).

Obserwacje a następnie bardzo starannie wykonany eksperyment oraz pomiary wielkości

fizycznych, to tylko jedna strona naukowej działalności. Druga strona to sformułowanie teorii

(http://pl.wikipedia.org/wiki/Teoria, ) wyjaśniającej/interpretującej wyniki doświadczeń/obserwacji. Należy

podkreślić, że teoria nie jest wyprowadzana, nie wynika, nie wywodzi się bezpośrednio tylko

z obserwacji. Obserwacje mogą pomóc odgrywając inspirującą rolę przy tworzeniu/formułowaniu

teorii, które są akceptowane lub odrzucane w zależności od tego, czy są zgodne lub sprzeczne

z wynikami doświadczeń/obserwacji. Największe i najważniejsze teorie można porównać do

najsłynniejszych dzieł artystycznych w zakresie literatury lub malarstwa. W tym sensie są one ważnym

składnikiem kultury. Ale teorie, w odróżnieniu od dzieł artystycznych, podlegają weryfikacji

doświadczalnej. Teorie niezgodne z wynikami obserwacji są zarzucane, są nieważne i zapominane.

Trudno jednak odrzucić i zapomnieć albo zaniedbać dzieła artystyczne Salvadora Dali, który

ilustrował swój sposób rozumienia, pojmowana i odczuwania czasu na kilka sposobów pokazanych

poniżej.

15

Odlew "Profil Czasu" Salvadora Dali. W 2008 r. odlew rzeźby "Profil czasu" wykonanej na

podstawie obrazu "Uporczywość pamięci" został z inicjatywy Leszka Czarneckiego zakupiony za

prawie 3 miliony dolarów przez spółkę LC Corp i umieszczony w Arkadach Wrocławskich we

Wrocławiu. Rzeźba ma zostać później przeniesiona przed należący do korporacji wieżowiec Sky

Tower.

16

Soft Watch at the Moment of First Explosion, 1954

The Persistence of Memory (Uporczywość pamięci); S. Dali (1931).

17

Profil czasu, S. Dali.

18

Autumn Cannibalism (Jesienny kanibalizm) , 1936. S. Dali.

The Disintegration of the Persistence of Memory (Rozpad pamięciowej uporczywości). S. Dali

(1954).

19

Słonie, 1948 r. S. Dali.

Galeria dział malarskich S. Dali na stronie

http://www.dali-gallery.com/html/galleries/paintings.htm

Stwierdzenie o tym, że doświadczalne przetestowanie i potwierdzenie danej teorii (zgodność

teorii z wynikami doświadczeń) jest dowodem na jej słuszność należy traktować z odpowiednią

ostrożnością i sceptycyzmem. Każdy wynik pomiaru obarczony jest niepewnością

(http://pl.wikipedia.org/wiki/Niepewno%C5%9B%C4%87_pomiaru); nie istnieją idealne przyrządy pomiarowe

mierzące z nieskończoną dokładnością1. Teorii nie może potwierdzić pojedynczy eksperyment. Ze

względu na to nie można być absolutnie pewnym słuszności jakiejkolwiek teorii. W tym miejscu warto

dodać, że Karl Popper (http://pl.wikipedia.org/wiki/Karl_Popper, http://pl.wikipedia.org/wiki/Popperyzm) – zwolennik

1 Takie przyrządy zapewne w ogóle nie istnieją. Pomiar dawałby wynik zawierający nieskończoną liczbę cyfr, których

wyświetlenie trwałoby nieskończenie długo. Nawet gdyby zostały wyświetlone, to ich odczyt zajmowałby nieskończenie

wiele czasu. Wszystko to prowadzi do absurdalnych wniosków, których nie będziemy tutaj dalej rozwijać.

20

krytycznego racjonalizmu – zasugerował, aby daną teorię (ale także zdanie, twierdzenie, model,

przypuszczenie) uznawać za naukową pod warunkiem, że jest możliwa jej falsyfikacja

(http://pl.wikipedia.org/wiki/Falsyfikacja, http://wapedia.mobi/pl/Falsyfikacja, http://wapedia.mobi/pl/pozytywizm), czyli

wykazanie jej fałszywości. Zatem, jeśli nie istnieje sposób falsyfikacji danej teorii, to nie jest ona

naukowa.

Kiedy naukowiec próbuje zrozumieć określony zbiór zjawisk, to często posługuje się modelem.

Model (http://pl.wikipedia.org/wiki/Model, http://en.wikipedia.org/wiki/Model), w sensie naukowym, to rodzaj

analogii, umysłowe wyobrażenie pojedynczego procesu lub zjawiska fizycznego za pomocą pojęć,

które są zrozumiałe i znane. Przykładowo: światło (http://pl.wikipedia.org/wiki/%C5%9Awiat%C5%82o,

http://en.wikipedia.org/wiki/Light) traktujemy jako falę (http://pl.wikipedia.org/wiki/Fala, http://en.wikipedia.org/wiki/Wave) ,

choć nikt tych właściwości nie widział, jak to jest w przypadku fal na powierzchni wody. Gaz

w naczyniu, balonie, powietrze w sali wykładowej modelujemy za pomocą obiektów punktowych –

cząsteczek – poruszających się chaotycznie we wszystkich kierunkach. Ale tych cząsteczek nigdy nie

widzimy. Głównym więc celem modelu jest danie nam przybliżonego umysłowego lub wizualnego

obrazu zjawiska wówczas, gdy nie znamy, nie wiemy co naprawdę zachodzi.

Teoria fizyczna dotyczy określonego zbioru zjawisk fizycznych, które opisuje zazwyczaj dość

dokładnie. Podaje także przewidywania co do wyników zjawisk, których jeszcze nie zbadano

doświadczalnie. Przykładem służy teoria o atomowej strukturze materii.

Naukowcy nazywają prawem (http://pl.wikipedia.org/wiki/Prawa_fizyki, http://en.wikipedia.org/wiki/Physical_law )

zwięzłe ale ogólne stwierdzenia dotyczące tego jak zachowuje się natura. Przykład2: prawo Ohma;

2 prawo: Ampère'a, prawo Archimedesa, prawo Avogadra, prawo Bernoulliego, prawo Biota-Savarta, prawo Boyle'a-Mariotte'a,

prawo Bragga, prawo Charlesa,prawo Coulomba, prawo Curie, prawo Daltona, prawo Dulonga-Petita, prawo Faradaya, prawo Faradaya elektrolizy,prawo Faradaya indukcji elektromagnetycznej, prawo Fouriera, prawo Gaussa,prawo Gaussa (elektryczność), prawo Gaussa (magnetyzm), prawo Gay-Lussaca (gaz doskonały), prawo grawitacji, prawo Hagena-Poiseuille'a, prawo Hooke'a, prawo Hubble'a, prawo Joule'a, prawo Kirchhoffa, prawo Kirchhoffa pierwsze, prawo Kirchhoffa drugie, prawo Lamberta, prawo Lamberta-Beera, prawo Lenza, prawo Moseleya, prawo Ohma, prawo ostygania, prawo Pascala, prawo powszechnego ciążenia,

21

prawo Daltona, prawo Faradaya etc. Prawa często są zapisywane w postaci zależności między

wielkościami fizycznymi. Odnosi się zazwyczaj do ściśle określonej i ograniczonej grupy zjawisk fizycznych

Ale uwaga: Nigdy nie wiemy, czy dane prawo fizyczne jest absolutnie prawdziwe. Używamy praw,

których prawdziwość potwierdziło szereg doświadczeń znając przy tym ograniczenia i zakres ich

stosowalności. Przykładowo: zasady (http://pl.wikipedia.org/wiki/Zasada_(fizyka)) dynamiki Newtona są słuszne

pod warunkiem, że prędkości obiektów poruszających się są znacznie mniejsze od prędkości światła.

Będziemy jednak stosować wiele praw przyjmując milcząco ich prawdziwość. Ale będziemy otwarci na

wszelkie nowe informacje, które mogą zmienić sens stosowanych praw albo je wręcz odrzucać.

Prawa naukowe mają charakter opisowy i są odmienne od praw np. polityki lub zapisów prawa

karnego, które mają naturę nakazową (znaki nakazu w prawie o ruchu drogowym), zalecającą (apele

polityków o pokój na świecie, ogólnoświatowe rozbrojenie lub zaprzestanie produkcji broni

masowego rażenia), określającą (przepisy kodeksu karnego definiujące rodzaje przestępstw i

wysokości kar) lub regulaminową (np. przepisy o bezpieczeństwie i higienie pracy).

Najogólniejszym rodzajem praw są zasady fizyczna, w języku angielskim używa się określenia

physical principle (http://en.wikipedia.org/wiki/Physical_science#Basic_principles_of_physics,

http://en.wikipedia.org/wiki/Physical_science, http://pl.wikipedia.org/wiki/Zasada_(fizyka) ), które w odróżnieniu od

pojęcia prawa fizycznego odnoszą się zazwyczaj do szerokiej klasy zjawisk i najczęściej nie są

formułowane w postaci matematycznej. Przykładem są zasady: zachowania energii, pędu, momentu

pędu, ładunku elektrycznego.

Często używamy zamiennie pojęć prawa i zasady. Przykładowo mówimy drugie prawo Newtona

albo druga zasada Newtona.

Włodzimierz Salejda

Wrocław, 5 X 2008

prawo promieniowania temperaturowego, prawo przesunięć (fizyka jądrowa), prawo rozpadu naturalnego, prawo rozpadu promieniotwórczego, prawo Stefana-Boltzmanna