Wykład 03

Fizyka mało znana –

Modele a rzeczywistość

Zbigniew Osiak (Tekst)

Małgorzata Osiak (Ilustracje)

© Copyright 2014 by

Zbigniew Osiak (text) and Małgorzata Osiak (illustrations)

Wydawnictwo: Self Publishing

e-mail: zbigniew.osiak@gmail.com

Linki do moich publikacji naukowych i popularnonaukowych, e-booków oraz audycji telewizyjnych i radiowych są dostępne w bazie ORCID pod adresem internetowym:

http://orcid.org/0000-0002-5007-306X

Oznaczenia

B – notka biograficzna

C – ciekawostka

D – propozycja wykonania doświadczenia

H – informacja dotycząca historii fizyki

I – adres strony internetowej

K – komentarz

P – przykład

U – uwaga

Wstęp

“Fizyka mało znana – Modele a rzeczywistość” zawiera pomocnicze materiały do prowadzonego przeze mnie seminarium dla słuchaczy Uniwersytetu Trzeciego Wieku w Uniwersytecie Wrocławskim.

Szczegółowe informacje dotyczące sygnalizowanych tam zagadnień zainteresowani Czytelnicy znajdą w innych moich eBookach:

• Z. Osiak: Elektryczność. Self Publishing (2011). ISBN: 978-83-272-3361-5

https://vixra.org/abs/1804.0176

• Z. Osiak: Szczególna Teoria Względności. Self Publishing (2012). ISBN: 978-83-272-3464-3

https://vixra.org/abs/1804.0179

• Z. Osiak: Ogólna Teoria Względności. Self Publishing (2012). ISBN: 978-83-272-3515-2

https://vixra.org/abs/1804.0178

• Z. Osiak: Antygrawitacja. Self Publishing (2012). ISBN: 978-83-272-3649-4

https://vixra.org/abs/1804.0495

• Z. Osiak: Giganci Teorii Względności. Self Publishing (2012). ISBN: 978-83-272-3359-2

https://vixra.org/abs/1804.0177

• Z. Osiak: Energia w Szczególnej Teorii Względności. Self Publishing (2012). ISBN: 978-83-272-3658-6

https://vixra.org/abs/1804.0496

• Z. Osiak: Energy in Special Relativity. Self Publishing (2011).

Theoretical Physics, Vol. 4, No. 1, March 2019, 22-25.

https://dx.doi.org/10.22606/tp.2019.41002

• Z. Osiak: Ilustrowany Słownik Fizyki. Self Publishing (2012). ISBN: 978-83-272-3658-6

• Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Mechanika. Self Publishing (2013). ISBN: 978-83-272-3885-6

https://vixra.org/abs/1804.04

• Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Akustyka. Self Publishing (2013). ISBN: 978-83-272-3886-3

https://vixra.org/abs/1804.0467

• Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Hydromechanika. Self Publishing (2013). ISBN: 978-83-272-3891-7

https://vixra.org/abs/1804.0466

Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Termodynamika. Self Publishing (2013). ISBN: 978-83-272-3894-8

https://vixra.org/abs/1804.0465

• Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Grawitacja. Self Publishing (2013). ISBN: 978-83-272-3892-4

https://vixra.org/abs/1804.0464

• Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Elektryczność. Self Publishing (2013). ISBN: 978-83-272-3895-5-0

https://vixra.org/abs/1804.0463

• Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Magnetyzm. Self Publishing (2013). ISBN: 978-83-272-3909-9

https://vixra.org/abs/1804.0462

• Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Elektromagnetyzm. Self Publishing (2013). ISBN: 978-83-272-3910-5

https://vixra.org/abs/1804.0461

• Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Optyka. Self Publishing (2013). ISBN: 978-83-272-3932-7

https://vixra.org/abs/1804.0460

• Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Kwanty. Self Publishing (2013). ISBN: 978-83-272-3938-9

https://vixra.org/abs/1804.0459

• Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Ciało Stałe. Self Publishing (2013). ISBN: 978-83-272-3941-9

https://vixra.org/abs/1804.0458

• Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Jądra. Self Publishing (2013). ISBN: 978-83-272-3942-6

https://vixra.org/abs/1804.0457

• Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Cząstki Elementarne. Self Publishing (2013). ISBN: 978-83-272-3954-9

https://vixra.org/abs/1804.0456

• Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Teoria Względności. Self Publishing (2013). ISBN: 978-83-272-3955-6

https://vixra.org/abs/1804.0455

• Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Stałe Uniwersalne i jednostki. Self Publishing (2013). ISBN: 978-83-272-3970-9

https://vixra.org/abs/1804.0454

• Z. Osiak: Zadania Problemowe z Fizyki. Self Publishing (2011). ISBN: 978-83-272-3407-0

https://vixra.org/abs/1804.0453

Table of Contents

Fizyka mało znana – Modele a rzeczywistość

Oznaczenia

Wstęp

Fizyka mało znana – Modele a rzeczywistość

Model

Choroba Pigmaliona*

Inercjalny układ odniesienia

Punkt materialny (cząstka)

Bryła sztywna

Oscylator harmoniczny

Wahadło matematyczne

Fala płaska

Solitony

Gaz doskonały

Cykl Carnota

Odwrotny cykl Carnota

Model

• Model → wyidealizowany opis obiektu, układu lub zjawiska fizycznego.

P Znanymi modelami są układ inercjalny, punkt materialny, bryła sztywna, oscylator harmoniczny, wahadło matematyczne, fala płaska, gaz doskonały, cykl Carnota, odwrotny cykl Carnota, próżnia, ciecz doskonała, ośrodek ciągły, jednorodne pole grawitacyjne, dipol, kwadrupol, gaz elektronowy, promień światła, światło monochromatyczne, światło spójne, foton, soczewka cienka, ciało doskonale czarne, ciało doskonale białe, ciało doskonale przezroczyste, model atomu wodoru Bohra, pasmowy model ciała stałego, dziura elektronowa, fonon, ekscyton, model standardowy, proton, antyproton, neutron, antyneutron, mezony, cząstka alfa, deuteron,tryton,

model stanu stacjonarnego wszechświata, teoria wielkiego wybuchu, czarna dziura.

Choroba Pigmaliona*

• Choroba Pigmaliona → wiara w to, że model rzeczywistości może być tożsamy z nią samą.

H Pigmalion był królem Cypru, który zakochał się w wyrzeźbionym przez siebie z kości słoniowej posągu kobiety.

K Ponieważ fizycy opisują rzeczywistość, posługując się modelami, powstaje naturalne pytanie: Czy świat realny jest poznawalny?

*John Lighton Synge:

Porozmawiajmy o teorii względności.

PWN (Biblioteka Problemów, tom 190), Warszawa 1974.

Inercjalny układ odniesienia

• Inercjalny układ odniesienia → układ odniesienia, w którym swobodna cząstka pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym wtedy i tylko wtedy, gdy suma działających na nią sił zewnętrznych jest równa zeru.

• Układy spoczywające lub poruszające się ruchem jednostajnym prostoliniowym względem danego układu inercjalnego są również układami inercjalnymi.

• W wielu zagadnieniach Ziemia może być traktowana jako inercjalny układ odniesienia.

Punkt materialny (cząstka)

• Punkt materialny (cząstka) → punkt obdarzony masą (m), którym można zastąpić dane ciało o masie (m), badając jego ruch. Punkt materialny pokrywa się najczęściej ze środkiem masy ciała.

• Analiza ruchu stanie się prostsza, jeżeli samochód zastąpi się białym punktem.

Bryła sztywna

• Bryła sztywna → ciało, w którym odległość między dwoma dowolnymi punktami jest stała. Bryła sztywna modeluje ciało, które doznaje zaniedbywalnie małych odkształceń pod wpływem działających na nie sił.

Oscylator harmoniczny

• Oscylator harmoniczny → cząstka wykonująca ruch drgający harmoniczny prosty. Równanie ruchu jednowymiarowego oscylatora harmonicznego można zapisać w poniższej postaci.

x – wychylenie

t – czas

T – okres drgań

ω – częstotliwość kątowa

f – częstotliwość drgań

Wahadło matematyczne

• Wahadło matematyczne → cząstka o masie (m) zawieszona na długiej, nierozciągliwej i nieważkiej nici, wykonująca małe drgania o okresie (T).

l – długość nici

g – przyspieszenie ziemskie

• Wahadło matematyczne

Fala płaska

• Fala płaska → fala, której czołem jest płaszczyzna. Propagację fali płaskiej opisuje równanie

Δy – zmiana wartości wielkości, której drgania rozchodzą się ruchem falowym, liczona względem niezaburzonej (równowagowej) wartości tej wielkości

(Δy)max – amplituda fali

– faza fali

Solitony

• Solitony → pojedyncze, bardzo stabilne “samotne fale”, które podczas wzajemnych zderzeń zachowują się tak jak cząstki.

H Solitony odkrył przypadkowo w 1834 Russell podczas konnej przejażdżki wzdłuż wąskiego kanału w pobliżu Edynburga. Według jego relacji fala wytworzona przez łódkę, która się nagle zatrzymała, zachowała prawie bez zmian swój kształt i prędkość na drodze około jednej lub dwóch mil. Nazwa “soliton” została wprowadzona w 1965 przez Normana J. Zabusky’ego i Martina D. Kruskala. Russel używał nazwy wave of translation.

B John Scott Russell (1808-1882), szkocki inżynier.

B Martin David Kruskal (1925-2006), amerykański matematyk i fizyk.

B Norman J. Zabusky (ur. 1929), amerykański fizyk.

• N. J. Zabusky, M. D. Kruskal:

Interaction of "Solitons" in a Collisionless Plasma and the Recurrence of Initial States.

Physical Review Letters 15, 6 (1965) 240-243.

Gaz doskonały

• Gaz doskonały → gaz, którego cząsteczki można traktować jako nieoddziałujące ze sobą na odległość punkty materialne, zderzające się sprężyście ze sobą oraz ze ściankami naczynia.

• Gaz doskonały (idealny) bywa również określany jako gaz spełniający równanie Clapeyrona, czyli równanie opisujące związek między ciśnieniem (p), objętością (V), temperaturą bezwzględną (T) i licznością materii (n) tego gazu.

Cykl Carnota

• Cykl Carnota → cykl będący modelem idealnego silnika cieplnego. Tworzą go cztery przemiany:

• izotermiczne rozprężanie od stanu (T_1, V_1, p_1) do stanu (T_1, V_2, p_2) wskutek pobrania ciepła Q_1 z grzejnika;

• adiabatyczne rozprężanie od stanu (T_1, V_2, p_2) do stanu (T_2, V_3, p_3);

• izotermiczne sprężanie od stanu (T_2, V_3, p_3) do stanu (T_2, V_4, p_4) wskutek oddania ciepła Q_2 do chłodnicy;

• adiabatyczne sprężanie od stanu (T_2, V_4, p_4) do stanu (T_1, V_1, p_1).

B Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), francuski fizyk.

• Wykres zależności ciśnienia (p) od objętości (V) w cyklu Carnota

Odwrotny cykl Carnota

• Odwrotny cykl Carnota → cykl obiegany przeciwnie niż cykl Carnota; jest modelem idealnej lodówki.

• Wykres zależności ciśnienia (p) od objętości (V) w odwrotnym cyklu Carnota