Wykład 2

1. Wykład 2 Wiadomości wstępne - ciąg dalszy A.1. Podstawowe pojęcia fizycznego opisu natury A.2 Podstawowe jednostki fizyczne Reinhard Kulessa

2. A.1. Podstawowe pojęcia fizycznego opisu natury Wiemy już, że istnieją różnego rodzaju cząstki i oddziaływania pomiędzy nimi. Zadajmy sobie pytanie, jak zachowuje się cząstka pod wpływem tych oddziaływań? W przeważającej liczbie przypadków stwierdzimy, że cząstka się porusza. Z pewnością zaś cząstka będzie się poruszała pod wpływem sił grawitacji. Jaki będzie tor tej cząstki? Jak poruszają się nukleony pod wpływem sił jądrowych? Jak poruszają się ładunki pod wpływem sił elektromagnetycznych? Pierwszą próbę odpowiedzi na pytanie – jak porusza się ciało pod wpływem działania siły podjął się w 1687 r. Newton. Równania opisujące ruch, do których Newton doszedł stanowią podstawę mechaniki klasycznej. Wiążą one ze sobą pewne wielkości opisujące ruch, oraz powodującą ten ruch siłę. Reinhard Kulessa

3. Równania Newtona stanowiły rezultat obserwacji doświadczalnych. Później okazało się, że można je łatwo wyprowadzić ze znacznie ogólniejszych zasad zachowania. Obszar zastosowań mechaniki klasycznej jest bardzo szeroki. Obejmuje on takie dziedziny jak ruch planet, ruch przedmiotów na Ziemi, działanie maszyn, rotacje, drgania, kinematykę zderzeń, szereg zjawisk termodynamicznych i wiele innych. Okazało się jednak, że istnieje szereg zjawisk, których nie da się opisać przy pomocy mechaniki klasycznej. Należą do nich m.in.. ruchy z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła, czy ruchy w mikroświecie. Mechanikę klasyczną musieliśmy więc uzupełnić teorią względności i mechaniką kwantową. Reinhard Kulessa

4. Mechanika Newtonowska posługiwała się pojęciem przestrzeni i czasu, przy czym czas był taki sam niezależnie od układu współrzędnych, niezależnie od tego czy układ współrzędnych się poruszał czy spoczywał. Einstein w 1905 roku przepowiedział, że czas zależy od układu współrzędnych. Zostało to dowiedzione doświadczalnie. Faktem jest również to, że żadne ciało nie może się poruszać z prędkością większą niż prędkość światła c. Z kolei opis ruchów w mikroświecie, jak np.. nukleonów w jądrze atomowym, czy elektronów w atomie znalazł swoje rozwiązanie w latach 30 XX wieku. Impulsem do tego była obserwacja, że cząstki mogą zachowywać się jak fale, a fale jak cząstki. Falowy charakter materii daje jednak znać o sobie dopiero przy ruchach w rozmiarach mikroskopowych. Jedną z podstawowych reguł jest tu relacja nieoznaczoności Heissenberga. Mówi ona, że niedokładność wyznaczenia położenia jest tym większa, im mniejsza jest niedokładność wyznaczenia prędkości. Reinhard Kulessa

5. W opisie zjawisk fizycznych jesteśmy zdani na własne obserwacje, które bardzo często są subiektywne. Dla jednych obserwowane ciało w ruchu będzie poruszało się wolno, dla innych szybko. Czas również płynie różnie dla różnych osób. Nasze zmysły różnie reagują na odbierane bodźce. Musimy o efektach tych pamiętać w czasie obserwacji zjawisk i wykonywania pomiarów. Nie wystarczy ocenić średnicy wewnętrznych okręgów, trzeba je dokładnie zmierzyć. Reinhard Kulessa

6. Proszę policzyć liczbę jasnych i ciemnych punktów w rogach kratek. Reinhard Kulessa

7. Czy któreś z poziomych wewnętrznych linii są do siebie równoległe? Reinhard Kulessa

8. Jesteśmy prawie pewni, że widzimy spiralę. Reinhard Kulessa

9. Inne przykłady Reinhard Kulessa

10. Ile nóg ma ten słoń? Saksofonista? Reinhard Kulessa

11. Gdzie jest leży mały sześcian? Ile na rysunku jest sześcianów? Reinhard Kulessa

12. Ile różowych kolorów widzę? Reinhard Kulessa

13. Dokąd te schody? Ilu nas jest? Reinhard Kulessa

14. A.2 Podstawowe jednostki fizyczne Będziemy zajmowali się nauką o ruchu, jego przyczyną i skutkach. Początki nauki o ruchu sięgają czasów Galileusza (Galileo Galilei 1564-1642). Impulsem do opisu ruchu, czyli opisu położenia ciała w funkcji czasu było odkrycie KOPERNIKA. Galileusz zaczął badać ruchy na Ziemi, a w szczególności spadek swobodny i rzuty. Jego zasługą było to, że planował eksperymenty i ilościowo opisywał czasowy i przestrzenny przebieg ruchu. Przy eksperymencie staczania się kulek po równi pochyłej mierzył czas przy pomocy własnego pulsu, oraz na podstawie ilości wypływającej z naczynia wody. Jednymi z podstawowych wielkości w mechanice są długość i czas. Reinhard Kulessa

15. Pomiar podstawowych wielkości mechaniki Pomiar długości Pomiar przy pomocy części ciała: łokieć 1m jest długością, jaką światło pokonuje w 1/299 792 458 części sekundy Reinhard Kulessa

16. Przegląd podstawowych rozmiarów Odległość Ziemia-Słońce: 150 000 000 000m Odległość Ziemia-Księżyc: 380 000 000m Długość muru chińskiego: 2 400 000m Wysokość Mt. Everestu: 8 848m Wzrost człowieka: ~1.8m Grubość włosa ludzkiego: 0.000 08m Rozmiar cząsteczki H2O : 0.000 000 001m Rozmiar atomu: 0.000 000 000 3m Reinhard Kulessa

17. Nasza Galaktyka z obłokiem Magellana 9325 Galaktyk 1026=100 000 000 000 000 000 000 000 000 Metrów Układ Słoneczny Układ Słoneczny 1022=10 000 000 000 000 000 000 000 Metrów Droga Ziemi w 6 tygodniach nasza Galaktyka 1013=10 000 000 000 000 Metrów 1012=1000 000 000 000 Metrów 1011=100 000 000 000 Metrów 1021=1000 000 000 000 000 000 000 Metrów Akcelerator LEP Droga Ziemi w 4 dniach Jezioro Genewskie Orbita Księżyca CERN 105=100 000 Metrów 104=10 000 Metrów 103=1000 Metrów 1010=10 000 000 000 Metrów 109=1000 000 000 Meter Przegląd podstawowych rozmiarów 1023=100 000 000 000 000 000 000 000 Metrów 1020=100 000 000 000 000 000 000 Metrów 106=1000 000 Metrów 1014=100 000 000 000 000 Metrów 108=100 000 000 Metrów 101=10 Metrów 100=1 Metr 102=100 Metrów 107=10 000 000 Metrów Reinhard Kulessa

18. Jądro Atomowe Proton zKwarkami Atom Węgla 10-15=0.000 000 000 000 001 Metra 10-10=0.000 000 000 1 Metra 10-14=0.000 000 000 000 01 Metra Molekuła DNS 10-8=0.000 000 01 Metra Oko Muchy Włosek Facetten 10-3=0.001 Metra 10-5=0.000 01 Metra 10-4=0.000 1 Metra Przegląd podstawowych rozmiarów 10-2=0.01 Metra 10-1=0.1 Metra 100=1 Metr 10-7=0.000 000 1 Metra 10-6=0.000 001 Metra Reinhard Kulessa

19. Pomiar czasu Pierwsze określenie Kalendarza Zegar mechaniczny Zegar atomowy Reinhard Kulessa

20. 1s =9192631770 okresów promieniowania przejścia w Pomiar czasu Fontanna-CsjakoZegar Atomowy Częstość rezonansowa: 9,192,631,770 Hz www.boulder.nist.gov/timefreq/cesium/fountain.htm Reinhard Kulessa

21. Pomiar czasu-opis NIST-F1 is referred to as a fountain clock because it uses a fountain-like movement of atoms to measure frequency and time interval. First, a gas of cesium atoms is introduced into the clock’s vacuum chamber. Six infrared laser beams then are directed at right angles to each other at the center of the chamber. The lasers gently push the cesium atoms together into a ball. In the process of creating this ball, the lasers slow down the movement of the atoms and cool them to temperatures near absolute zero. Two vertical lasers are used to gently toss the ball upward (the “fountain” action), and then all of the lasers are turned off. This little push is just enough to lift the ball about a meter high through a microwave-filled cavity. Under the influence of gravity, the ball then falls back down through the microwave cavity. The round trip up and down through the microwave cavity lasts for about 1 second. During the trip, the atomic states of the atoms might or might not be altered as they interact with the microwave signal. When their trip is finished, another laser is pointed at the atoms. Those atoms whose atomic state were altered by the microwave signal emit light (a state known as fluorescence). The photons, or the tiny packets of light that they emit, are measured by a detector. This process is repeated many times while the microwave signal in the cavity is tuned to different frequencies. Eventually, a microwave frequency is found that alters the states of most of the cesium atoms and maximizes their fluorescence. This frequency is the natural resonance frequency of the cesium atom (9,192,631,770 Hz), or the frequency used to define the second. Reinhard Kulessa www.boulder.nist.gov/timefreq/cesium/fountain.htm

22. Poza metrem [m] i sekundą[s] jednostkami układu jednostek SI, którym będziemy się posługiwali są: kilogram[kg] – jednostka masy, Kelvin[K] -- jednostka temperatury Candela [Cd] – jednostka natężenia światła Amper[A] -- jednostka natężenia prądu elektrycznego Reinhard Kulessa