PODSTAWY FIZYKI ŚRODOWISKA

PODSTAWY FIZYKI ŚRODOWISKA
Studia magisterskie
Kierunek: Ochrona Środowiska
Dr Cezariusz Jastrzębski
(GF p.136, w.7170)
Semestr I : W-2, C-2/4
Zaliczenie: Sprawdzian (pisemny) 40% wykł + 60% ćw = ocena zintegrowana
Semestr II : W-2, C-1
Zaliczenie: Egzamin (część pisemna + część ustna) 60% wykł + 40% ćw = oc. Zint.
Konsultacje: poniedziałek 15-16, wtorek 9-10?
Literatura
David Halliday, Robert Resnick, Podstawy fizyki tom 1 i 2
Fizyka t. 1-2, Orear Jay
PLAN WYKŁADU
1.
Wprowadzenie. Czym fizyka zajmuje się i jak zjawiska fizyczne opisywać?
1.
Punkt materialny (cząstka). Opis ruchu. Różne układy odniesienia. Transformacje pomiędzy układami.
2.
Siła. Oddziaływania. Zasady dynamiki Newtona. Układy nieinercjalne.
3.
Pęd-Zasada zachowania pędu. Moment pędu. Moment siły. Siła centralna. Zasada zachowania momentu
pędu.
4.
Praca. Energia. Siły zachowawcze. Zasada zachowania energii.
5.
Inny opis niż równania Newtona. Równania Lagrange’a. Równania Hamiltona.
7. STW
8. Pole –Koncepcja, Parametry. Pole Grawitacyjne.
9. Ruch drgający (harmoniczny). Rezonans. Składanie drgań.
10. Ruch falowy. Fale akustyczne
11. Ruch ciał o zmiennej masie. Napęd rakietowy.
12. Układ p-tów materialnych – Środek masy. Równania.
13. Bryła sztywna. Statyka i Dynamika – Pęd – Moment pędu - Energia-Równania Eulera.
14. Fizyka statystyczna. Rozkłady statystyczne.
15. Ciecze – Gazy (Statyka i Dynamika). Zjawiska Transportu (pędu, energii, masy).
16. Termodynamika. I zasada. Przemiany (Ciepło i Praca).
17. Termodynamika. II i III zasada. Entropia (Uporządkowanie, Przemiany fazowe).
18. Pole Elektryczne. Oddziaływania elektryczne. Prawo Gaussa. Dipol elektryczny.
19. Pojemność. Energia pola elektrycznego. Opór. Prawo Ohma. Prawa Kirchoffa.
20. Pole Magnetyczne. Oddziaływania magnetyczne. Siła Lorenza. Dipol magnetyczny. Prawo Biota,
Prawo Ampera.
21. Energia pola magnetycznego. Prawo indukcji Faraday’a. Obwody zmiennoprądowe.
22.Obwody RLC. Równania Maxwella. Fale elektromagnetyczne. Promieniowanie Dipola.
23 Światło. Podstawowe Prawa Propagacji. Lustro, soczewka, pryzmat, siatka dyfrakcyjna.
24 Światło. Zjawiska nieliniowe. Światłowody. Laser. Holografia.
25 Mechanika kwantowa. Podstawy. Pęd i energia fotonu. Hipoteza de’Broglia.
26 Mechanika kwantowa. Studnia. Laser. Zjawisko tunelowe. MBE-Nanostruktury. Pamięci optyczne.
27 Półprzewodniki, metale, izolatory. Własności elektryczne – Przewodnictwo. Tranzystor.
28 Atom. Magnetyczne właściwości materii. NMR. Spintronika. GMR. Pamięci magnetyczne.
29 Nanostruktury. Nanotechnologie. Elektronika. Optoelektronika. Spintronika. Przekaz informacji –
Komputer kwantowy.
30 Fizyka jądrowa. Przemiany jądrowe. Cząstki elementarne. Sprawdzian.
Czym zajmuje się fizyka?
Głównie obiektami materialnymi takimi, dla których własności lub relacje z innymi obiektami dają się wyrazić przy
pomocy liczb – tzw. Wielkości fizyczne.
Jaki jest rozmiar geometryczny tych obiektów, czyli skala wielkości
we wszechświecie?
Skala geometryczna obiektów we Wszechświecie
Student
means 10-30 meters
Proton
-30
Planck
Scale
-20
Cell
-10
Current
Atom
Experimental
Limit
To Nearest
Star
State
0
Comfort
Zone
10
Distance
To Sun
Visible
Universe
20
Milky
Way
Rozmiar najmniejszych cząstek 10-18 m
Rozmiar widzialnego Wszechświata 1026 m
Najmniejsza geometryczna wielkość teoretyczna “rozmiar Plancka”; 10 -35 m
c=300,000,000 m/s:
1 sekunada świetlna = 3x108 m
1 rok świetlny, to ok. 1016 m
The moon is 385,000 km away
>1.25 light seconds
The sun is 1.5×1011 m away (1 A.U.)
8 light minutes
Pluto is 40 A.U. away: 6x1012 m
a parsec is 3.26 light years: nearest
star is 1.4 pc away
Nearest Star to Sun: Proxima Centauri
4.5 light years
Walk 5 times around earth at normal
walking speed
Milky Way Galaxy
20,000 light years to center from here
100,000 light years in diameter
disk is a few hundred light years thick
where we live
Andromeda Galaxy
(nearest large spiral)
2,200,000 (2.2
million) light years
away
Light we receive
today is older than
Homo sapiens
Most distant galaxies yet
imaged
12.5 billion light years
Czy wszechświat jest ograniczony !!!
Problems with an infinite universe
• Olber’s Paradox: Why is the night
sky dark?
infinite number of
shells
> infinite luminosity
Universe is finite !!!
Jakie relacje między obiektami i jakie własności obiektów
interesują fizykę.
Między innymi ....
What is matter made of?
Antique:
Empedokles:
Elements!
Demokrit: Atoms!
19th century: Periodic table of elements = atoms
Masa – ilość materii w danej objętości (dokładniej materii i energii)
1kg – wzorzec platynowo-irydowy
Brak wzorca czysto atomowego
1 j.a.m = 1/12 masy atomu C12
1 j.a.m = 1.66054 x 10-27 kg
Nuclei in the nucleus
Proton, neutron, electron: that’s it?
Neutrinos
Predicted 1930 by W.Pauli
Discovered 1953 by F.Reines
Antimatter
Predicted 1928 by P.A.M.Dirac
Discovered 1932 by C.D.Andersen
Quarks
More quarks and leptons
Co dalej?
Oddziaływania pomiędzy tymi obiektami!!!
At CERN in Geneva:
Cyklotron o obwodzie 27 km
Do opisu relacji pomiędzy obiektami potrzebna jest
Skala czasu
Pierwotnie 1s = 1/(60x60x24) dnia lecz jest to mało dokładne
1s = 9 192 631 770 drgań atomu cezu
Cs – 133 – atomowy zegar, 1 przejście = 1/10 ns
Dokładność 1/(1013 ) s, czyli 1s na 300 000 lat.
The Big Bang, czyli jak powstał wszechświat
The Universe is expanding > Expanding → cooling (diluting energy
content)
The Cooling Universe
The Cosmic microwave Background Explorer
COBE satellite,
launched 1991
Red means cooler, blue means warmer, but only by tens of micro-Kelvins.
COBE’s vision was limited to 7 degree resolution, but we see structure
at this scale, representing density variations in the recombining plasma
when atoms first formed. These density variations reveal the seeds of
galaxy formation. This is as far back as we see--the wall to our vision.
The perfect cosmological principle
• homogeneous: the universe looks the same everywhere on large
scales
there is no special place (center)
• isotropic: the universe looks the same in all directions on the sky
there is no special direction (axis)
• unchanging: The universe looks the same at all times there is no
special epoch
The cosmic microwave background
radiation (CMB)
= afterglow from the big bang.
It’s smooth to 1 part in 105
yes, the universe appears to be
homogeneous and isotropic
Galaxies today
and
Galaxies 10 billion years ago
no, the universe appears to change with time
>The cosmological principle: -homogeneous /-isotropic
Pomiar odległości pomiędzy obiektami:
• parallaxes
• travel time
• via size of objects: comparison with standard yard stick
• via brightness of objects: comparison with standard
candle
Parallaxes
Measure the position of an object with respect to its background
• nearby objects show a larger “motion” than objects far away do
• The parallax angle,  the distance of the object , D and the diameter
of the Earth’s orbit d are connected by simple geometrical relations.
For small angles, it is
Comparison with a standard candle
• A nearby object appears brighter than an object of same luminosity
far away
• The absolute luminosity L absolute of an object, its distance D and its
apparent luminosity L apparent are connected by simple geometrical
relations. It is
L apparent = L absolute / D2
• If the absolute luminosity L absolute of an object is known ( standard
candle ), its distance D can be determined by measuring its apparent
luminosity L apparent
1 LY = 300 000 km/s x 86400 s/d x 365 d/yr = 9.5 x 1012
km
1 parsec (1pc) is the distance that produces a parallax shift of 1”
or
1 parsec (1pc) is the distance under which the radius of the Earth’s
orbit around the Sun spans an angle of 1”
1 pc = 3.26 LY
• Today: radioactive dating of rocks Earth (and solar system) is 4.6
billion years old
• later in this class: age of the universe ~ 14 billion years
• What happened before the universe
existed?
• What is outside the universe?
• What is the universe like right now ?
• How did it get there ?
The anthropic principle
• The weak anthropic principle states that the universe must be
compatible with our existence.
• The strong anthropic principle states that the universe is such as it
is because its purpose is to create life.
Example
• Existence of life (as we know it) strongly depends on the presence of
carbon
• If the nuclear force (the force that keeps atomic nuclei together)
would have been slightly different, no carbon could have been formed.
• Why is the nuclear force as strong as it is ?
Anthropic principle >If it had been different, we wouldn’t ask this
question.
Mathematics: the natural language of Physics
Engineering
Biology
Geology
Chemistry
Astronomy
Physical
Reality
Abstraction
Our
Universe
What Is Science?
•
•
•
•
•
•
Discovery
Experiment/Observation
Hypothesis
Prediction
Test
Theory