Fizyka 1 - Wstęp do fizyki

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

FIZ1

1

Głównym celem przedmiotu jest nauczenie studentów roli formalizmu matematycznego w odniesieniu do fizycznej przestrzeni pojęciowej w modelowaniu wybranych układów fizycznych. Przedmiot ma przekonać studenta, że fizyka nie jest wiedzą zastaną tylko wiedzą tworzoną m.in. dla potrzeb inżynierów: opisania otaczającej ich rzeczywistości w sposób z zasady niedoskonały, za to użyteczny. Takie pragmatyczne podejście do modelowania matematycznego, pokazane na konkretnym przykładzie ma zaowocować zrozumieniem roli (i ograniczeń) modelowania w analizie zagadnień technicznych, a przy okazji ogólnym obyciem w terminologii fizyki i zrozumieniem podstawowych zjawisk.

Głównym celem przedmiotu jest nauczenie studentów roli formalizmu matematycznego w odniesieniu do fizycznej przestrzeni pojęciowej w modelowaniu wybranych układów fizycznych. Przedmiot ma przekonać studenta, że fizyka nie jest wiedzą zastaną tylko wiedzą tworzoną m.in. dla potrzeb inżynierów: opisania otaczającej ich rzeczywistości w sposób z zasady niedoskonały, za to użyteczny. Takie pragmatyczne podejście do modelowania matematycznego, pokazane na konkretnym przykładzie ma zaowocować zrozumieniem roli (i ograniczeń) modelowania w analizie zagadnień technicznych, a przy okazji ogólnym obyciem w terminologii fizyki i zrozumieniem podstawowych zjawisk.

1. Pokazany jest sposób konstruowania pojęć i modeli oraz w konsekwencji ich użyteczność technologiczną.
2. Kolejnym celem jest nabycie przez studentów umiejętności posługiwania się wprowadzanymi pojęciami oraz doskonalenie sprawności stosowania metodologii fizyki i odpowiednich metod matematycznych do samodzielnego rozwiązywania problemów fizycznych.
3. Przygotowanie studentów do pogłębiania wiedzy w zakresie wybranych dyscyplin fizycznych (dynamika nieliniowa i teoria przejść fazowych, termodynamika fenomenologiczna i statystyczna) na zaawansowanym poziomie na wyższych latach studiów.
4. Przygotowanie i wdrożenie studentów do samokształcenia oraz do pracy zespołowej, w tym do racjonalnego korzystania z dostępnych źródeł wiedzy (podręczniki, zbiory zadań, materiały z Internetu, w tym materiały angielskojęzyczne, np. kursy fizyki udostępnione przez MIT)
5. Pobudzenie zainteresowania omawianymi zagadnieniami dzięki pokazom wybranych zjawisk fizycznych.
6. Przyzwyczajenie do umowności opisu, stała gotowość do rewizji poglądów.

Wykład prowadzony jest metodą tradycyjnego wykładu interaktywnego/problemowego, wychodzącego od przykładów i doświadczeń, ponieważ praca badacza często zaczyna się od pustej kartki, a prowadzenie wykładu ze slajdów podkreśla zastany charakter nauki. Prezentacje są wykorzystywane jedynie pomocniczo. Każde zagadnienie zaczyna się od określenia celu i potrzeby opracowania danej teorii, tak aby studenci znali kontekst: w jakim celu wprowadzana jest dana teoria w obszarze nauk podstawowych i jakie daje możliwości technologiczne. Na ćwiczeniach będą rozwiązywane zadania odnoszące się do tematów prezentowanych na wykładzie, które mają za zadanie potwierdzić rozumienie pojęć prezentowanych na wykładzie i umiejętność zastosowania ich do konstrukcji modelu matematycznego prezentowanego zagadnienia fizycznego.

Treść wykładu

1. Wprowadzenie do fizyki (2 godz.)
   Związek fizyki z filozofią przyrody. Pojęcie prawdy w naukach przyrodniczych; społeczność naukowa jako źródło oceny prawdziwości tez naukowych, racjonalność dowodu naukowego. Metoda analityczna i syntetyczna. Podstawowe pojęcia fizyki: model i pomiar. Model fizyczny: wprowadzenie matematycznej precyzji do opisu przyrody. Założenia opisu, niedoskonałość opisu, umiejętność do rewizji założeń. Inżynieria: potrzeba opisu pragmatycznego – do realizacji zadania, dialog z naukami podstawowymi. Umowność pojęć: elektron, masa, światło, energia (przykład: światło jako fala i cząstka, E=mc2). Ruch w pojęciu greckim jako zmienność, pojęcie przyczyny ruchu i łańcucha przyczyn. Determinizm i losowość w fizyce. Energia jako miara zdolności do ruchu. Powtarzalność pomiaru. Precyzja w opisie warunków pomiaru.
2. Mechanika klasyczna (4 godz.)
   Kinematyka i dynamika punktu materialnego. Prawa Newtona. Układy współrzędnych krzywoliniowych. Fizyczne przykłady pochodnych i całek na przykładzie ruchu jednostajnie przyspieszonego. Pojęcie pędu, siły, momentu siły, momentu pędu i momentu bezwładności, przygotowanie do pojęcia spinu. Całkowanie równań ruchu. Układy inercjalne i nieinercjalne, siły bezwładności, względność ruchu. Siły zachowawcze. Praca, moc, energia kinetyczna i potencjalna; potencjał skalarny pola wektorowego. Zasady zachowania.
3. Szczególna teoria względności (3 godz.)
   Czasoprzestrzeń, transfomacja Lorentza na przykładzie przestrzeni Minkowskiego. Układy odniesienia. Pojęcie czasu, jednoczesność jako pojęcie względne, krytyczna rola prędkości rozchodzenia się informacji, przyczynowość. Między zdarzeniami jednoczesnymi może ale nie musi występować związek przyczynowo-skutkowy. Dynamika relatywistyczna, równoważność masy i energii, defekt masy. Reakcje rozszczepienia i syntezy jądra atomowego. Rodzaje promieniowania jądrowego, sposoby jego wykorzystania i sposoby ochrony przed nimi.
4. Teoria drgań (3 godz.)
   Małe drgania układów mechanicznych na przykładzie sprężyny i struny. Energia potencjalna i kinetyczna oscylatora; zachowanie energii. Mody drgań. Oscylator z tłumieniem i wymuszeniem. Rezonans. Absorpcja energii drgań/fal w ośrodku. Przezroczystość ośrodka – cecha, którą można sterować. Drgania relaksacyjne. Podstawowe pojęcia dynamiki nieliniowej, chaos deterministyczny. Mapa logistyczna jako model dynamiki populacji i zarazem generator liczb losowych. Zjawiska fizyczne i modele matematyczne jako generatory liczb losowych. Stateczność. Bifurkacje. Obwód Chua.
5. Ruch falowy (3 godz.)
   Fale płaskie, kuliste, poprzeczne, podłużne. Równanie różniczkowe ruchu falowego. Relacja dyspersji. Kierunek rozchodzenia się fali. Fale stojące. Prędkość fazowa i grupowa. Dudnienia. Odbicie i załamanie fal. Fale akustyczne, szybkość rozchodzenia się dźwięku, instrumenty muzyczne. Zjawisko Dopplera klasyczne i relatywistyczne, interferencja, refrakcja i dyfrakcja, opis w dziedzinie czasu i częstotliwości, widmo fal, faza fali. Modulacja amplitudowa i fazowa. Fale materii. Hipoteza de Broglie.

Treść ćwiczeń

Ćwiczenia audytoryjne będą głównie nakierowane na ilustrację zadań i problemów poruszanych na wykładach, w ćwiczeniach pakiety numeryczne takie jak scipy/numpy, Mathematica i/lub Matlab/Octave będą wykorzystane do generowania rozwiązań w celu ich dyskusji. Zostaną omówione następujące zagadnienia:

1. Umiejętność konstruowania i rozwiązywania równań ruchu w kartezjańskich i biegunowych układach współrzędnych.
2. Relacja kinematycznego i dynamicznego równania ruchu.
3. Stosowanie pojęcia pracy mocy i energii.
4. Użycie transformacji Lorentza do wyznaczenia skrócenia Lorentza-Fitzgeralda i dylatacji czasu.
5. Opracowanie symulacji dowolnego nieliniowego układu dynamicznego. Obserwacja.
6. Wyprowadzenie wzoru na maksima interferencyjne i wzoru Bragga.

Materiały do zajęć – slajdy, opracowania, podręczniki:

1. W. Bogusz, J. Garbarczyk, F. Krok, „Podstawy Fizyki”, OW PW, Warszawa 1997 i wyd. następne.

Literatura uzupełniająca (opcjonalna):

1. J. Orear, Fizyka, t.1, 2, WNT, Warszawa 2005.
2. Stauffer, Stanley, Od Newtona do Mandelbrota.

Inne:

1. Pakiety matematyczne oraz prezentacje internetowe (m.in. www.falstad.com) do realizacji zadań zarówno teoretycznych jak i praktycznych w ramach wykładów, ćwiczeń i zajęć laboratoryjnych.

Sprawdzanie założonych efektów uczenia się realizowane jest przez:

• ocenę wiedzy i umiejętności rozwiązywania zadań na ćwiczeniach – ocenę aktywności na zajęciach i kolokwiach;
• ocenę wiedzy i umiejętności związanych z realizacją zadań laboratoryjnych – ocenę poprawności realizowanych zadań, ocenę sprawozdań i przygotowanych materiałów, w tym podczas sprawdzianu wejściowego;
• ocenę wiedzy i umiejętności wykazanych na egzaminie ustnym.

105000 - Wydział Fizyki

105000 - Wydział Fizyki

105000 - Wydział Fizyki

105000 - Wydział Fizyki