Úvod do fyziky (následující text jsou velmi hrubé poznámky vyučujícího k přednášce, text zdaleka není definitivní a není mu věnována zvláštní pozornost co do struktury, grafiky a konečného stavu. Pro studenty je to jen vodítko, rozhodující je obsah předneseného.) 1. Co je fyzika ? 2. Fyzikální poznávání 3. Měření 4. Prostor, čas, pohyb 5. Síly, pole 6. Základní fyzikální konstanty 7. Zákony zachování 8. Kmity, vlny 9. Mikrosvět Poznámky k přednášce 1. Co je fyzika ? Jak studovat fyziku Fyzika je… Vztah k přírodním vědám Vztah k matematice Vztah k obecným problémům Fyzika a technické aplikace Fyzika a filosofie Fyzika - experimentální věda - měření - rozsah zájmu Požadavky: - znalost fyziky v rozsahu učebnic pro gymnázia - povinná návštěva semináře resp. cvičení Zkouška – písemná část (2hod), ústní část, možnost použití jakékoliv anglicky psané literatury. Jak studovat fyziku - pochopení podstaty, minimum paměti (př. s=v.t, v=s/t !!!, t=s/v !!!!!!) - slušná znalost matematiky - využití vlastní zkušenosti (spojení denního života s vědou, př. kilo chleba vs. těleso má hmotnost 1kg, váha, hmotnost……) - poctivost, přiznání nepochopení, kritický postoj - studium z více zdrojů - znalost angličtiny - využití počítače Fyzika je… - přírodní věda, cílem je poznání přírody - základní otázky: proč, proč? co je to? - zájem o základní, obecné poznatky, obecně platné zákony…. ( gravitace ( zde a ve vesmíru), zákony zachování…… - zájem o základní veličiny, jevy - prostor ( 1dm….11dm?.... - čas ( existuje ?,jeden směr ?.... - pohyb ( relativní? kde?.... - hmota (hmotnost – vlastnost, neviditelná ? - síla, pole, interakce……. „Fyzika je to dělají fyzikové“ (Marx), kdo jsou fyzici? „Fyzika je věda o základech přírody,… o obecných vlastnostech přírody….., Fyzika se dělí na:…….- není důležité (teoretická, experimentální, aplikovaná, matematická, chemická…… (mechanika, termodynamika, elektřina a magnetismus, optika, atomová……. (klasická, kvantová, relativistická…….. Vztah k přírodním vědám přírodní vědy: fyzika, chemie, biologie, geologie, geografie, astronomie……. Chemie – (atom, molekula, látka, vznik sloučenin, chemické vlastnosti…. (základem je kvantová mechanika atomů….a další chemické zákonitosti… Image:Johann Josef Loschmidt.jpg Obrázek “http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/67/Benzene_structure.png” nelze zobrazit, protože obsahuje chyby. Jan Josef Loschmidt ( 1821 - 1895) Biologie – (molekula, buňka,…..živý organismus ( základem je stavba molekul……..biologické zákony Obrázek “http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/76/Mendel.png” nelze zobrazit, protože obsahuje chyby. The structure of part of a DNA double helix The structure of part of a DNA double helix Geologie – (složení Země, stabilita – zemětřesení, šíření vln…….. Distribution of earthquake epicenters from 1975 to 1995. Astronomie, astrofyzika – (vývoj vesmíru, složení vesmíru, hledání života…….. image M81 This image combines data from the Hubble Space Telescope, the Spitzer Space Telescope, and the Galaxy Evolution Explorer (GALEX) Společné vlastnosti: - fyzikalizace přírodních věd – a opačný proces - hraniční discipliny – fyzikální chemie, chemická fyzika, biofyzika, matematická fyzika, geofyzika, astrofyzika…….., medicina, farmakologie……. - vzájemné ovlivňování, fyzika uvádí přesnost, měření, reprodukovatelnost, obecnost, hranice možností, základní filosofický kontext…….. Nepřírodovědné vědy - studie? Společenské vědy, právní vědy, ….- historie, sociologie, filosofie……… Pozn.: některé pojmy mají jiný obsah, např. zákon v právní vědě – dohoda Obrázek “http://nd01.jxs.cz/404/429/fc734c9c39_36775493_o2.jpg” nelze zobrazit, protože obsahuje chyby. Vztah k matematice Matematika není pokládána za přírodní vědu. Je pro ni charakteristický vysoký stupeň abstrakce, volitelnost pravidel a axiomů (Euklid, Lobačev….). Cílem matematiky je nalezení formálních konstrukcí, běžný postup: předpoklad, definice, důkaz, věta. Omezení je bezesporu dáno schopnostmi lidského mozku, tedy přírodou. Cílem fyziky je zkoumání přírody, běžný postup: pozorování, měření, zobecnění, teorie, zákony… Fyzika využívá matematiku jako nástroj pro přesnou formulaci, jednoduché (krásné) vyjádření, stručnost, velmi efektivní…. základem musí být vzájemná shoda a přírodou Fyzika často inspiruje matematiku – např. Newton, infinitesimální počet Fyzika využívá často části matematiky, které jen zdánlivě byly jen mat. konstrukcí, např.: teorie grup, geometrie více dimenzí …. Nexton: Maxwell Schrodinger Vztah k obecným problémům Vliv na způsob myšlení – hledání podstaty, kritičnost, poctivost, přesnost, jednoznačnost, vyloučení spekulací, hledání přírodní podstaty…. Motivace pro bádání – převážně „poznání samo o sobě“, přirozená zvídavost, ale také (spíše na druhém místě) - úspěch prestiž, odměna….. Poznání vs. zneužívání Příklady pozitivních aplikací – elektronika, medicina….. Příklady zneužívání – atomová energie, zbraně….. Bádání – ekologie, pochopení chování přírody….. Fyzika a filosofie Historie – prehistorie, antika, středověk, současnost Až do středověku – pozorování přírody a filosofické spekulace tvořily jednotu, postupně krystalizovaly jednotlivé discipliny, rovněž filozofie Fyziku jako vědu lze považovat od okamžiku pozorování spojené s měřením, využíváním matematiky a provozováním experimentu počátek – snad Roger Bacon (1214- 96, vážení, měření….) - zcela určitě - Galileo Galilei (1564 – 1642) - vrchol v počátcích – Isaac Newton (1643 – 1727) Filosofie – zajímavé a oboustranné propojení, dnes je filozofie společenskou vědou založenou na spekulaci Př. Aristoteles (384- 322) , např. vývoj v přírodě je určen působením protikladů (země-voda-vzduch-oheň) – velmi spekulativní, dlouho základ přírodních filozofií Newton (1643-1727) newtonovský determinismus, klasická mechanika, známe-li počáteční podmínky lze pomoci znalostí zákonů mechaniky předpovědět přesně budoucí chování těles, např. planet Heisenberg (1901-1976) – pravděpodobností determinismus, relace neurčitosti Karel Popper (1902-1994) – princip falzifikace: stačí jeden nevysvětlitelný příklad k důkazu nepravdivosti příslušné teorie+ dříve převládal postup verifikace teorií – hledání důkazů na podporu teorie. Aristoteles 384 a.C. - c. 322.A.C Isaac Newton 1643-1727 Werner Karl Heisenberg (1901-1976). Photo taken circa 1926. Werner Karl Heisenberg (1901-1976) Karl Raimund Popper 1902-1994 Fyzika a technické aplikace Fyzika je obecným základem technických věd a disciplin Cílem techniky je aplikace, realizace, výroba, ekonomie,…. Např. mechanika – základ statiky, dynamiky ve stavebnictví, strojírenství elektřina a magnetismus – elektroprůmysl, elektrárny, motory….. optika – zobrazování, fotografie, optické přístroje…. fyzika pevných látek – polovodiče, elektronika, počítače…. jaderná fyzika – energetika… Obrázek “http://www.aeolus-online.com/catalog/pics/Earthmoving_Machinery_Gears.jpg” nelze zobrazit, protože obsahuje chyby. . Obrázek “http://sant.theiet.org.au/wp-content/uploads/2007/11/electricity-transmission-line.jpg” nelze zobrazit, protože obsahuje chyby. http://www.hellosanfrancisco.com/Images/Photos/972005Golden_Gate_Bridge-s.jpg Obrázek “http://www.cogito.org/Images/Full/284/image.axd” nelze zobrazit, protože obsahuje chyby. 300 mm - 45 nm Podobně : chemie – chemický průmysl biologie – biotechnologie, farmaceutický průmysl…. Fyzika - experimentální věda Fyzika – experimentální, teoretická, aplikovaná…nedůležité Metoda (obvykle)- kvalitativní pozorování ( den noc, slunce, planety, oheň, blesky…. - měření – kvantitativní pozorování (veličiny, jednotky…. - experiment v laboratoři – definované podmínky¨ - zobecnění, teorie, zákony……… - teoretická předpověď, potvrzení experimentem (neutrino…. Př.: Galileo, volný pád, vakuum…. Př.: pozorování chaosu, nelab. podmínky….. Galileo Galilei 1564-1642 Fyzika- měření Definice veličin, volba jednotek, zpracování měření, reprodukovatelnost viz kap.2. Př.: l=(2.17 0.06)m vždy: číslo, chyba (viz kap.3), jednotka špatný př.: l=(2.17 0.0635)m Snaha po vysoké přesnosti:- shoda s teorií (rozhodování o správnosti teorií, klasická mechanika vs. speciální teorie relativity…..) - principiální -praktické Hraniční přesnost – Existuje dokonalý přístroj?, mohu měřit absolutně přesně? Relace neurčitosti struktura látky, kvantování, fuzzy charakter, ………. Fyzika - rozsah zájmu Rozsah měření, úvah, teorií je dám charakterem přírody – obrovský m(kg) 10^-36 (neutrino) 10^0 (litr) 10^50 (vesmír) l(m) 10^-35 (Planck, struna) 10^0(člověk) 10^26 (vesmír) t(s) 10^-44(Planck) 10^0(srdce) 10^17(vesmír