podstawy_fizyki

DZIEJE RELIGII, FILOZOFII I NAUKI

indeks | antologia religijna | antologia filozoficzna | filozofia nauki

podstawy fizyki

wykład 00:
wykład próbny, z dwoma prostymi przykładami:
- ile sił działa na gąbkę przesuwaną po tablicy?
- dlaczego napój ze szklanki przez słomkę wpływa do naszych ust?

wykład 01:
zapowiedź tych wykładów, z zachętą do systematyczności
polecane podręczniki:
na poziomie elementarnym L. N. Cooper, Istota i struktura fizyki
na poziomie bardziej zaawansowanym Halliday, Resnick, Walker, Podstawy fizyki
studium fizyki trzeba zacząć - wbrew rewolucjom relatywistycznejj i kwantowej - od MECHANIKI KLASYCZNEJ
najbardziej podstawowe z praw tej fizyki: przyspieszenie - czyli zmiana zmiany POŁOŻENIA w CZASIE - jest równa stosunkowi sumy SIŁ, jakie na ciało działają, do MASY tego ciała
a zatem świat jest zbudowany z przestrzeni, czasu, ciał (obdarzonych masą) i sił, jakimi te ciała na siebie wzajemnie działają
zacznijmy od przestrzeni - co to takiego? dla fizyka podstawowe jest tu pojęcie odległości i sposobów, w jakie odległość się mierzy - co nie zawsze jest proste
ERRATA: w 32. minucie dwukrotnie mówię "mechanika kwantowa" zamiast "mechanika klasyczna"

wykład 02:
Czym jest CZAS? Dla fizyka to zmienna w równaniach, a także coś, co można MIERZYĆ.
RUCH to zmiana położenia względem wybranego UKŁADU ODNIESIENIA.
PRĘDKOŚĆ jako pochodna POŁOŻENIA WZGLĘDEM CZASU.
PRZYSPIESZENIE jako POCHODNA PRĘDKOŚCI WZGLĘDEM CZASU - czyli jako DRUGA POCHODNA POŁOŻENIA WZGLĘDEM CZASU.

wykład 03:
PIERWSZA ZASADA MECHANIKI a INERCJALNY UKŁAD ODNIESIENIA
jeśli na ciało nie działa żadna sila lub siły działające się równoważą, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym po linii prostej - ta zasada byłaby dokładnie spełniona w inercjalnym układzie odniesienia
doskonale inercjalnych układów odniesienia nie ma, ale są układy inercjalne w dobrym przybliżeniu
w układach nieinercjalnych ciała będą podlegać tym samym prawom mechaniki, co w układach inercjalnych, jeśli dodamy do rozważań "fikcyjne" ruchy bezwładne
np. w moim pokoju ciała podlegają przyspieszeniu związanemu z dobowym obrotem Ziemi, a ciała w ruchu dodatkowo przyspieszeniu Coriolisa

wykład 04:
jeśli (x,y,z) jest układem inercjalnym, to inercjalny jest każdy inny układ, który porusza się względem niego ruchem jednostajnym, a kąty między osiami tych układów pozostają stałe
DRUGA ZASADA MECHANIKI jako definicja SIŁY: siła jest równa masie razy przyspieszenie
ale co to jest MASA? Newton: to ilość materii, z jakiej ciało jest zbudowane - o tym fizycy dziś wolą milczeć
wiemy, jak mierzyć masę, np. masa 1 dm2 wody destylowanej w temperaturze 3,98 stopnia Celsiusza, wynosi 1 kg (tak było kiedyś, dziś masę określa się przy wykorzystaniu stałej Plancka)
często lepiej jest mówić: siła jest równa zmianie PĘDU w czasie, a pęd to masa pomnożona przez prędkość
uzupełnienie na koniec (aparat mi się wyłączył): 5200 ton to ok. jedna milionowa milionowej milionowej masy Ziemi

wykład 05:
TRZECIA ZASADA MECHANIKI: jeśli ciało 1 działa na ciało 2 siłą, to 2 działa na 1 siłą taką samą, ale odwrotnie skierowaną
stąd wynika ZASADA ZACHOWANIA PĘDU: w układzie izolowanym suma pędów jest stała
przykład: zderzenie centralne samochodów z punktu widzenia zasady zachowania pędu

wykład 06:
ruch jednostajnie przyspieszony
Gdyby na ciało o stałej masie działała w kierunku jego ruchu stała niezrównoważona siła, to poruszałoby się ono ruchem jednostajnie przyspieszonym. Choć to się nie zdarza, to zdarza się czasem z dość dobrym przybliżeniem, a opanowanie umiejętności teoretycznego opisywania takiego ruchu to ważny krok w procesie opanowywania podstaw mechhaniki klasycznej.

wykład 07:
ruch jednostajny po okręgu i PRAWO GRAWITACJI
Ciało poruszające się ruchem jednostajnym po okręgu doznaje przyspieszenia skierowanego do środka okręgu - a zatem działa na nie siła dośrodkowa. Hooke i Newton analizując ruchy planet wyprowadzili PRAWO GRAWITACJI: każde dwa ciała przyciągają się siłami proporcjonalnymi do iloczynu ich mas, a odwrotnie proporcjonalnymi do kwadratu odległości między nimi.

wykład 08: siła grawitacji a ruchy ciał niebieskich i ziemskich
Pod wpływem siły grawitacji Słońce i planety poruszają się wokół środka ich mas - w pierwszym przybliżeniu po elipsach.
Pod wpływem siły grawitacji ciała wyrzucone przy powierzchni Ziemi pod pewnym kątem poruszają się, w pierwszym przybliżeniu, po parabolach.

wykład 09: jeszcze o SILE GRAWITACJI: dlaczego herbata przez słomkę, z której wysysamy powietrze, wpływa do naszych ust?
i trochę refleksji filozoficznych: chociaż wszystko wokół nas się ZMIENIA, to zmienia się zgodnie z NIEZMIENNYMI prawami
i pytanie bez odpowiedzi: jak to się dzieje, że siła grawitacji działa na odległość, wskroś pustej przestrzeni?

wykład 10: ELEKTRYCZNOŚĆ I MAGNETYZM
Najpierw krótkie podsumowanie dotychczasowych wykładów, a potem o siłach ELEKTRYCZNYCH i MAGNETYCZNYCH. Wstępne uwagi o podobieństwach i różnicach między elektrycznością i magnetyzmem, a na koniec wzory na siły między ciałami naelektryzowanymi i między biegunami magnesów - analogiczne do wzoru na siłę grawitacji.

wyklad 11: ELEKTRODYNAMIKA
Na pierwszy rzut oka elektryczność i magnetyzm nie łączą się ze sobą, tymczasem:
Ładunki elektryczne, które spoczywając wytwarzają wokół siebie pole (co to takiego?) elektryczne, poruszając się wytwarzają również - wirujące wokół kierunku ich ruchu - pole magnetyczne.

wykład 12: INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA
Chcecie wiedzieć, jak i dlaczego działa silnik elektryczny, a ten sam silnik może też działać jako prądnica? No to posłuchajcie. Nie będzie łatwo, ale bez tego nie zrozumiecie działania tylu codziennych urządzeń... Na razie doszliśmy do tego, że nie ma ładunków magnetycznych, a zjawiska magnetyczne są wytwarzane przez ładunki elektryczne w ruchu. A teraz opowiemy o INDUKCJI ELEKTROMAGNETYCZNEJ.

wykład 13: ELEKTRODYNAMIKA MAXWELLA cz. 1.
To, że siły elektryczne zależą nie tylko od ładunków i ich odległości, ale też od ich wzajemnych prędkości i przyspieszeń, sprawiło, że powstały wielkie trudności przy próbach opisania ich w kategoriach sił działających na odległość, wskroś pustej przestrzeni. James Clerk MAXWELL w 1855 zainicjował nowy program badań nad elektrycznością i magnetyzmem: te zjawiska są przejawami podległych prawom mechaniki procesów dokonujących się w eterze. Nie ma zatem pustej przestrzeni, choć samego eteru nie doświadczamy. Równolegle wprowadził pojęcia NATĘŻENIA POLA ELEKTRYCZNEGO i NATĘŻENIA POLA MAGNETYCZNEGO. Każdy punkt przestrzeni wokół ciał naelektryzowanych, ewentualnie znajdujących się w ruchu, zyskiwał te własności. Maxwell zapisał polowy odpowiednik prawa Coulomba, do czego doszło równanie mówiące, że nie ma ładunków magnetycznych (magnetyzm jest wyłącznie skutkiem ruchu elektryczności). Do tego doszły dwa kolejne równania, mówiące, że wokół prądów elektrycznych powstaje wirowe pole magnetyczne, a wokół obszarów, w których zmienia się pole magnetyczne, powstaje wirowe pole elektryczne. Tak uzyskany układ równań okazał się sprzeczny z prawem zachowania ładunku. Na następnym wykładzie opowiem, jak Maxwell tę sprzeczność usunął i do jak wielkich odkryć to doprowadziło.

wykład 14: ELEKTRODYNAMIKA MAXWELLA cz. 2
Z równaniami, jakie Maxwell zapisał do 1861 coś było nie tak: przeczyły one prawu zachowania ładunku. Aby usunąć tę sprzeczność trzeba było dodać wyrażenie na PRĄD PRZESUNIĘCIA. Maxwell uczynił to w 1862. Nie stały za tym żadne wyniki eksperymentów, natomiast wymagała tego matematyka. Mało tego, po dodaniu tego wyrażenia równania Maxwella zyskały rozwiązania falowe. Występująca w nich stała c okazała się - w świetle eksperymentów dotyczących zmian pól elektrycznego i magnetycznego, w których światła używano tylo do oświetlenia przyrządów - równa prędkości światła. Światło okazało się FALĄ ELEKTROMAGNETYCZNĄ, serią drgań pól elektrycznego i magnetycznego, zachodzących w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali. To z kolei pozwoliło Heinrichowi Hertzowi w 1887 na wytworzenie i odebranie fal radiowych, a Marconiemu i innym na zbudowanie radia (stabilną łączność ponad wodami Atlantyku uzyskano w 1906).

wykład 15: ŚWIATŁO
Światło to coś dziwnego: niby jest, a jakby go nie było (nie da się dotknąć, powąchać, a w pewnym sensie też go nie widać - bo widzimy rzeczy, a nie pooświatło). W próżni rozchodzi się z prędkością c równą ok. 300 milionów metrów na sekundę. Rozchodzi się po liniach prostych, ale mówiąć to popadamy w błędne koło, bo linią prostą nazywamy tor, po którym rozchodzi się światło. Co więcej, strumienie światła przechodzą przez siebie nie oddziałując ze sobą. Mówimy, że rozchodzi się po prostej, bo gdy oddziałuje z ciałami, to się od nich ODBIJA (a kąt padania równa się kątowi odbicia), zaś przechodząc np. z powietrza do wody lub do szkła ZAŁAMUJE się. Załamuje się, gdyż w np. w wodzie porusza się wolniej niż w powietrzu. Rządzi tym prawo: sin α / sin β = c_α / c_β , gdzie α - kąt padania, β - kąt załamania, c_α i c_β to prędkości rozchodzenia się światła w obu ośrodkach. Załamując się, światło dzieli się na barwy tęczy, ale te nie dzielą się dalej, a zmieszane tworzą na powrót światło białe. Dzieje się tak, gdyż współczynniiki załamania są nieco różne dla różnych barw. A wreszcie światło ulega POLARYZACJI, co zmusza do przyjęcia, że jeśli jest falą, to jest falą poprzeczną: taką, której drgania odbywają się prostopadle do kiedunku jej rozchodzenia się.

wykład 16: ŚWIATŁO, A TAKŻE PODCZERWIEŃ, MIKROFALE, FALE RADIOWE, A Z DRUGIEJ STRONY ULTRAFIOLET, PROMIENIE X I PROMIENIE GAMMA
Światło poza tym, że się odbija, załamuje i polaryzuje, ulega też DYFRAKCJI i INTERFERENCJI, a te silnie przemawiają za tym, że ma naturę falową. Po 1800 odkryto PODCZERWIEŃ I NADFIOLET, pod koniec XIX w. FALE RADIOWE i PROMIENIE X. Wszystkie, a także MIKROFALE i PROMIENIE GAMMA, mają własności falowe: ulejają odbiciu, załamaniu, polaryzacji, dyfrakcji, interferencji, a w próżni rozchodzą się z tą samą prędkością, co światło. Różnią się jedynie długościami fal.

wykład 17: ŚWIATŁO, UV, X, PODCZERWIEŃ itd. jako FALE ELEKTROMAGNETYCZNE
Wykład po części powtórkowy, ale nie tylko.

wykład 18: CIEPŁO a TEMPERATURA
Najpierw o naszych potocznch doświadczeniach z zimnem i ciepłem. Potem o termometrach i odróżnieniu CIEPŁA od TEMPERATURY. Temperatura to to, co mierzymy termometrem. A co to ciepło? 1 kaloria to ilość ciepła, która 1 gram wody ogrzewa o 1 stopień Celsjusza. Ale CIEPŁA WŁAŚCIWE różnych substancji są różne. Do tego dochodzą ciepła przemian fazowych, zwłaszcza CIEPŁO TOPNIENIA i CIEPŁO PAROWANIA.

wykład 19: ZASADA ZACHOWANIA ENERGII
Światło słoneczne, gdy pada na jakieś ciało (najlepiej czarne), wytwarza ciepło, a z kolei gdy pada na liść rośliny, to z wody i dwutlenku węgla, po dodaniu światła, powstają węglowodany i tlen. Gdy te węglowodany zjemy i zaczerpniemy tlenu, z powrotem powstają z tego woda, dwutlenek węgla, a także ciepło lub ruch mechaniczny. Poruszając się możemy pocierać o siebie ciała i wytwarzać ciepło. Albo podnieść ciężar w górę. Wykonujemy wtedy PRACĘ, a praca to siła pomnożona przez drogę, na jakiej działała: W = Fs. Gdy podnosimy ciężar mg na wysokość h, to wykonujemy pracę mgh. Potem ciało samo już spada, a to coś, co wyraża wzór mgh, zamienia się w coś, co wyraża się wzorem mv2/2. To coś - tak jak to się dzieje w elektrowni wodnej - poruszać może względem siebie magnesy i zwojnice drutu i w tych zwojnicach wytworzyć prąd elektryczny. Prąd z kolei zamieniamy w naszych domach na światło, ciepło lub ruch. Jest więc coś, co przekształca się z jednego w drugie, przybiera różne formy, ale w tych różnych formach jest tego czegoś zawsze - o czym świadczą wyniki niezliczonych eksperymentów - tyle samo. To coś nazwano ENERGIĄ. Mówimy w mechanice o energii potencjalnej i kinetycznej, w termodynamice o cieple jako formie przekazywania energii, mówimy o energii niesionej przez światło i tak dalej.

wykład 20: ZASADA WZROSTU ENTROPII
Najpierw jeszcze garść uwag o zasadzie zachowania energii, czyli o PIERWSZEJ ZASADZIE TERMODYNAMIKI.
Potem o maszynach cieplnych, zamieniających część ciepła w pracę, a część oddających do chłodnicy. Nie istnieje maszyna cieplna, która by całe pobierane ciepło trwale zamieniała w pracę. To prowadzi do zasady wzrostu entropii, czyli do DRUGIEJ ZASADY TERMODYNAMIKI. Zmiana entropii ciała to ilość ciepła, którą to ciało pobralo bądź oddało, podzielona przez temperaturę tego ciała.

wykład 21: PRAWA PRZEMIAN GAZOWYCH
Mamy zatem ZASADĘ ZACHOWANIA ENERGII i ZASADĘ WZROSTU ENTROPII, które obowiązują, ściśle biorąc, dla Wszechświata jako całości. Obie zasady dotyczą ciepła. A czym jest CIEPŁO? Pierwiastkiem chemicznym (o prawie zerowej masie właściwej)? A może (skoro ruch można zamienić w ciepło) ruchem? Ale ruchem czego? Najpierw udało się kinetyczne modele ciepła zbudować dla gazów. (1) Zmiany objętości, ciśnienia i temperatury gazów wiąże - z dobrym przybliżeniem - proste prawo pV/T = const. (o ile temperaturę wyrazimy w stopniach Kelwina). (2) ChmEicy odkryli, że ciała w naszym otoczeniu zbudowane są z atomów, a atomy danego pierwiastka mają takie same masy. W 1 molu danego pierwiastka znajduje się 6 x 10[23] atomów. Jeśli to uwzględnmy, to prawo przemian gazowych przyjmuje postać pV = NRT, gdzie - ciśnienie, V - objętość, N - liczba moli gazu, R - stała gazowa, T - temperatura w skali kelvina.