Fizyka wokół nas

Album fotograficzny Fizyki XVII Przedmowa do ucznia XX Przedmowa do nauczyciela XXI Podziękowania XXVI 1. O nauce 2 1.1. Pomiary naukowe 3 Jak Eratostenes zmierzył wielkość Ziemi 3 Wielkość Księżyca 5 Odległość do Księżyca 6 Odległość do Słońca 7 Rozmiary Słońca 8 Matematyka językiem nauki 8 1.2. Metody naukowe 9 Postawa naukowa 10 1.3. Nauka, sztuka i religia 14 ■ PSEUDONAUKA 16 1.4. Nauka i technologia 17 1.5. Fizyka jako podstawa nauk przyrodniczych 18 ■ OCENA RYZYKA 18 1.6. Perspektywy nauki 20 CZĘŚĆ 1. Mechanika 23 2. Pierwsza zasada dynamiki Newtona – bezwładność 24 2.1. Ruch w ujęciu Arystotelesa 25 Ruch Ziemi według Kopernika 27 ■ ARYSTOTELES (384–322 P.N.E.) 27 2.2. Doświadczenia Galileusza 28 Pochyła wieża w Pizie 28 Równie pochyłe 28 ■ GALILEUSZ (GALILEO GALILEI) (1564–1642) 29 2.3. Pierwsza zasada dynamiki Newtona 31 ■ ESEJ OSOBISTY 32 2.4. Siła wypadkowa. Wektory 34 Wektory sił 35 2.5. Warunki równowagi 36 ■ DOŚWIADCZENIE 38 2.6. Siła podparcia 38 2.7. Równowaga ciał poruszających się 40 2.8. Ruch Ziemi 41 3. Ruch prostoliniowy 48 3.1. Względność ruchu 49 3.2. Prędkość 50 Prędkość chwilowa 50 Prędkość średnia 50 3.3. Wektor prędkości 52 Prędkość stała 53 Zmiana prędkości 53 3.4. Przyspieszenie 54 Przyspieszenie na pochylniach Galileusza 56 3.5. Spadek swobodny 57 Jak szybko 57 Jak daleko 59 Jak szybko zmienia się prędkość 61 3.6. Dodawanie wektorów prędkości 61 ■ CZAS WYSKOKU 63 4. Druga zasada dynamiki 71 4.1. Siła jako przyczyna przyspieszania 72 4.2. Tarcie 73 4.3. Masa i ciężar 75 Masa przeciwstawia się przyspieszaniu 78 4.4. Druga zasada dynamiki Newtona 78 4.5. Ruch z przyspieszeniem g – spadek swobodny 80 4.6. Ruch z przyspieszeniem mniejszym niż g – spadek z tłumieniem 81 5. Trzecia zasada dynamiki 91 5.1. Siły i oddziaływania 92 5.2. Trzecia zasada dynamiki 94 Określenie układu 95 5.3. Akcja i reakcja przy różnych masach 97 ■ DOŚWIADCZENIE: PRZECIĄGANIE LINY 100 5.4. Wektory a trzecia zasada dynamiki 100 5.5. Podsumowanie trzech zasad dynamiki 104 6. Pęd 110 6.1. Pęd 111 6.2. Popęd siły 112 6.3. Popęd siły a zmiana pędu 113 Przypadek 1. Wzrost pędu 114 Przypadek 2. Zmniejszenie pędu w dłuższym czasie 114 Przypadek 3. Zmniejszenie pędu w krótkim czasie 115 6.4. Odbicie 116 6.5. Zasada zachowania pędu 117 ■ PRAWA ZACHOWANIA 120 6.6. Zderzenia 120 6.7. Zderzenia pod kątem 124 7. Energia 133 7.1. Praca 134 Moc 136 Energia mechaniczna 137 7.2. Energia potencjalna 138 7.3. Energia kinetyczna 140 7.4. Związek pracy z energią 141 7.5. Zasada zachowania energii 143 ■ ENERGIA A TECHNOLOGIA 145 ■ FIZYKA W CYRKU 145 Energia z odzysku 146 7.6. Maszyny proste 146 7.7. Sprawność 148 7.8. Źródła energii 150 ■ WIEDZA FAŁSZYWA 154 8. Ruch obrotowy 162 8.1. Ruch po okręgu 163 ■ KOŁA WAGONÓW KOLEJOWYCH 165 8.2. Bezwładność w ruchu obrotowym 167 8.3. Moment siły 170 8.4. Środek masy i środek ciężkości 172 Położenie środka ciężkości 174 Równowaga 176 8.5. Siła dośrodkowa 179 8.6. Siła odśrodkowa 181 ■ DOŚWIADCZENIE: KRĘCENIE WIADREM Z WODĄ 181 Siła odśrodkowa w obracającym się układzie odniesienia 182 Sztuczna grawitacja 183 8.7. Moment pędu 185 8.8. Zasada zachowania momentu pędu 186 9. Grawitacja 198 9.1. Prawo powszechnej grawitacji 199 9.2. Stała grawitacji G 201 9.3. Zależność siły grawitacji od odległości: prawo odwrotności kwadratu 203 9.4. Ciężar i nieważkość 205 9.5. Pływy oceaniczne 207 Pływy wewnątrz Ziemi i w jej atmosferze 210 Pływy na Księżycu 211 9.6. Pole grawitacyjne 212 Pole grawitacyjne wewnątrz planety 213 Teoria grawitacji Einsteina 215 9.7. Czarne dziury 216 9.8. Powszechna grawitacja 217 10. Rzuty. Ruch satelitarny 226 10.1. Rzuty 227 Rzut poziomy 228 Rzut ukośny 230 ■ DOŚWIADCZENIE: DYNDAJĄCE PACIORKI 232 ■ CZAS UNOSZENIA SIĘ – INACZEJ 236 10.2. Rzuty z dużą prędkością – satelity 236 10.3. Kołowe orbity satelitarne 238 10.4. Orbity eliptyczne 240 ■ MONITOROWANIA ŚWIATA PRZEZ SATELITY 242 10.5. Prawa Keplera w ruchu planet 243 ■ ZNAJDOWANIE WŁAŚCIWEJ TRASY 245 10.6. Zasada zachowania energii w ruchu satelitarnym 245 10.7. Prędkość ucieczki 246 CZĘŚĆ 2. Własności materii 259 11. Atomowa struktura materii 260 11.1. Hipoteza atomowa 262 ■ SPADAJĄCA ALICJA 262 11.2. Charakterystyka atomów 263 11.3. Obrazowanie atomów 265 11.4. Budowa atomu 266 Pierwiastki 267 11.5. Układ okresowy pierwiastków 268 Rozmiary atomów 269 11.6. Izotopy 272 11.7. Związki chemiczne i mieszaniny 273 11.8. Cząsteczki 275 11.9. Antymateria 276 Ciemna materia 277 12. Ciała stałe 282 12.1. Struktura krystaliczna 283 ■ UZDRAWIAJĄCA MOC KRYSZTAŁÓW? 285 12.2. Gęstość 286 12.3. Sprężystość 287 12.4. Naprężenia i odkształcenia 289 ■ DOŚWIADCZENIE: WYTRZYMAŁOŚĆ ZAPAŁEK 290 12.5. Sklepienia łukowe 291 ■ DRUKOWANIE 3-WYMIAROWE 293 12.6. Analiza wymiarowa (skalowanie) 294 13. Ciecze 304 13.1. Ciśnienie 305 13.2. Ciśnienie hydrostatyczne 306 13.3. Siły wyporu 310 13.4. Prawo Archimedesa 311 13.5. Dlaczego jedne ciała pływają, a inne toną? 312 13.6. Unoszenie się na powierzchni 314 ■ PŁYWAJĄCE GÓRY 316 13.7. Prawo Pascala 317 13.8. Napięcie powierzchniowe 319 13.9. Włoskowatość 321 14. Gazy 329 14.1. Atmosfera ziemska 330 14.2. Ciśnienie atmosferyczne 331 Barometr 334 14.3. Prawo Boyle’a 336 14.4. Siły wyporu w gazach 338 14.5. Prawo Bernoulliego 340 Wykorzystanie prawa Bernoulliego 341 ■ DOŚWIADCZENIE 343 14.6. Plazma 344 Plazma w otaczającym nas świecie 345 Plazmowe źródła mocy 346 CZĘŚĆ 3. Ciepło 355 15. Temperatura; ciepło; rozszerzalność 356 15.1. Temperatura 358 15.2. Ciepło 360 Pomiar ciepła 361 15.3. Ciepło właściwe 362 15.4. Ciepło właściwe wody 363 15.5. Rozszerzalność cieplna 364 Rozszerzalność wody 367 ■ ŻYCIE W EKSTREMALNYCH WARUNKACH 370 16. Przenoszenie ciepła 377 16.1. Przewodzenie ciepła 378 16.2. Konwekcja 380 ■ DOŚWIADCZENIE 383 16.3. Promieniowanie 383 Emisja promieniowania 384 Pochłanianie energii promieniowania 385 Odbicie energii promieniowania 387 Nocne ochłodzenie przez wypromieniowanie 387 16.4. Prawo ostygania 389 16.5. Efekt cieplarniany 390 16.6. Zmiany klimatyczne 391 16.7. Energia słoneczna 392 ■ DOŚWIADCZENIE 393 16.8. Blokowanie przepływu ciepła 393 17. Zmiany stanu skupienia 399 17.1. Fazy materii 400 17.2. Parowanie 401 17.3. Skraplanie 402 Kondensacja w atmosferze 404 Mgła i chmury 405 17.4. Wrzenie 405 Gejzery 406 Wrzenie powoduje oziębianie 407 Jednoczesne wrzenie i krzepnięcie 407 17.5. Topnienie i krzepnięcie 408 Regelacja 409 17.6. Związek przemian fazowych z energią 409 ■ DOŚWIADCZENIE 413 18. Termodynamika 419 18.1. Termodynamika 420 18.2. Temperatura zera bezwzględnego 421 Energia wewnętrzna 423 18.3. Pierwsza zasada termodynamiki 423 18.4. Procesy adiabatyczne 425 18.5. Pierwsza zasada termodynamiki a meteorologia 425 18.6. Druga zasada termodynamiki 429 Silniki cieplne 430 ■ NIEZWYKŁA TERMODYNAMIKA 433 18.7. Rozpraszanie energii 434 18.8. Entropia 435 CZĘŚĆ 4. Akustyka 445 19. Drgania i fale 446 19.1. Drgania 447 Ruch wahadła 448 19.2. Charakterystyka fali 449 19.3. Ruch falowy 451 ■ DOŚWIADCZENIE 451 Fale poprzeczne 452 Fale podłużne 452 19.4. Prędkość fali 453 19.5. Interferencja fal 454 Fale stojące 455 19.6. Zjawisko Dopplera 457 19.7. Fale dziobowe 459 19.8. Fale uderzeniowe 460 20. Dźwięk 467 20.1. Istota dźwięku 468 Źródła dźwięku 468 Przechodzenie dźwięku przez ośrodek 469 20.2. Dźwięk w powietrzu 470 ■ GŁOŚNIK 472 Prędkość dźwięku w powietrzu 472 ■ DOŚWIADCZENIE 473 Energia fal dźwiękowych 473 20.3. Odbicie dźwięku 474 20.4. Załamanie fal dźwiękowych 475 20.5. Drgania wymuszone 477 Częstotliwość własna 477 20.6. Rezonans 477 20.7. Interferencja 479 20.8. Dudnienia 481 ■ RADIOFONIA 483 21. Dźwięki muzyczne 489 21.1. Szumy a muzyka 490 21.2. Wysokość tonu 491 21.3. Natężenie dźwięku, głośność 492 21.4. Barwa dźwięku 494 21.5. Instrumenty muzyczne 495 21.6. Analiza Fouriera 497 21.7. Od zapisu analogowego do cyfrowego 498 CZĘŚĆ 5. Elektryczność i magnetyzm 507 22. Elektrostatyka 508 22.1. Elektryczność 509 Siły elektryczne 510 22.2. Ładunki elektryczne 511 22.3. Zasada zachowania ładunku 512 ■ ISKRZENIE W ELEKTRONICE 514 22.4. Prawo Coulomba 514 22.5. Przewodniki i izolatory 516 Półprzewodniki 516 Nadprzewodniki 517 22.6. Elektryzowanie ciał 517 Elektryzowanie przez pocieranie lub zetknięcie 517 Elektryzowanie przez indukcję 518 22.7. Polaryzacja ładunkowa 520 22.8. Pole elektryczne 522 ■ KUCHENKA MIKROFALOWA 524 Ekranowanie elektryczne 525 22.9. Potencjał elektryczny 526 Magazynowanie energii elektrycznej 529 Generator Van de Graaffa 530 23. Prąd elektryczny 539 23.1. Przepływ ładunku i prąd elektryczny 540 23.2. Źródła napięcia 541 23.3. Opór elektryczny 543 23.4. Prawo Ohma 544 Prawo Ohma a porażenie elektryczne 545 23.5. Prąd stały i prąd przemienny 547 Prostowanie prądu przemiennego 547 23.6. Prędkość elektronów w obwodzie i ich źródła 548 23.7. Moc prądu 550 23.8. Lampy oświetleniowe 551 23.9. Obwody elektryczne 552 Obwody szeregowe 553 ■ OGNIWA PALIWOWE 553 Obwody równoległe 555 Obwody równoległe a przeciążenie 556 Bezpieczniki 557 24. Magnetyzm 565 24.1. Magnetyzm 566 24.2. Bieguny magnetyczne 567 24.3. Pole magnetyczne 568 24.4. Domeny magnetyczne 570 24.5. Pole magnetyczne prądu elektrycznego 572 ■ DOŚWIADCZENIE 572 24.6. Elektromagnesy 573 Elektromagnesy nadprzewodzące 574 24.7. Siły magnetyczne 574 Siła wywierana na poruszający się ładunek 574 Siła wywierana na przewodnik z prądem elektrycznym 575 Elektryczne przyrządy pomiarowe 576 Silniki elektryczne 577 24.8. Pole magnetyczne Ziemi 578 Promieniowanie kosmiczne 579 24.9. Biomagnetyzm 581 ■ TOMOGRAFIA REZONANSU MAGNETYCZNEGO 581 25. Indukcja elektro magnetyczna 586 25.1. Indukcja elektromagnetyczna 588 25.2. Prawo Faradaya 589 25.3. Generatory prądu zmiennego 590 25.4. Źródła mocy 592 Turbogeneratory 592 Prądnice magnetohydrodynamiczne 593 25.5. Transformatory 594 25.6. Samoindukcja 598 25.7. Przesyłanie energii 598 25.8. Indukowanie pola elektrycznego 599 CZĘŚĆ 6. Światło 609 26. Własności światła 610 26.1. Fale elektromagnetyczne 612 26.2. Prędkość fal elektromagnetycznych 613 26.3. Widmo promieniowania elektromagnetycznego 614 ■ ANTENY FRAKTALNE 615 26.4. Ośrodki przezroczyste 616 26.5. Ośrodki nieprzezroczyste 619 Cienie 620 26.6. Natura widzenia – oko 622 27. Barwa 632 27.1. Barwy w naszym otoczeniu 633 27.2. Odbicie selektywne 633 27.3. Przechodzenie selektywne 635 27.4. Mieszanie barw światła 636 Barwy podstawowe 637 Barwy dopełniające 637 27.5. Mieszanie barwników 638 27.6. Dlaczego niebo jest niebieskie 641 27.7. Dlaczego zachodzące Słońce jest czerwone 642 ■ DOŚWIADCZENIE 644 27.8. Dlaczego chmury są białe 644 27.9. Dlaczego woda w oceanach jest zielononiebieska 645 28. Odbicie i załamanie światła 650 28.1. Odbicie 651 Zasada najkrótszego czasu 652 28.2. Prawo odbicia 652 Zwierciadła płaskie 653 Odbicie rozproszone 655 28.3. Załamanie 656 Współczynnik załamania 659 Miraże 659 28.4. Przyczyny załamania 661 28.5. Dyspersja. Tęcza 662 28.6. Całkowite odbicie wewnętrzne 666 28.7. Soczewki 669 Tworzenie obrazów przez soczewkę 670 ■ DOŚWIADCZENIE 671 28.8. Wady soczewek 673 29. Falowe własności światła 682 29.1. Zasada Huygensa 683 29.2. Dyfrakcja 685 29.3. Dodawanie fal. Interferencja 688 29.4. Interferencja na cienkich błonach 691 Jednobarwna interferencja na cienkich błonach 691 Barwy interferencyjne 693 ■ DOŚWIADCZENIE 695 29.5. Polaryzacja 695 Widzenie trójwymiarowe 698 29.6. Holografia 700 30. Emisja światła 705 30.1. Emisja światła 706 30.2. Wzbudzenia 707 30.3. Widma emisyjne 709 30.4. Świecenie termiczne 711 30.5. Widma absorpcyjne 713 30.6. Fluorescencja 714 30.7. Fosforescencja 716 30.8. Lampy 717 Lampy żarowe 717 Lampy fluorescencyjne (świetlówki) 718 Kompaktowe lampy fluorescencyjne 718 Diody świecące LED 719 30.9. Lasery 720 31. Kwanty promieniowania 728 31.1. Narodziny teorii kwantowej 729 31.2. Kwantowanie. Stała Plancka 730 31.3. Zjawisko fotoelektryczne 732 31.4. Dualizm korpuskularno-falowy 735 31.5. Doświadczenie z dwoma szczelinami 735 31.6. Falowe własności cząstek: dyfrakcja elektronów 737 31.7. Zasada nieoznaczoności 740 31.8. Komplementarność 743 ■ PRZEWIDYWALNOŚĆ I CHAOS 744 CZĘŚĆ 7. Fizyka atomu i jądra atomowego 751 32. Atom w ujęciu kwantowym 752 32.1. Odkrycie jądra atomowego 754 32.2. Odkrycie elektronu 755 32.3. Widma atomowe kluczem do poznania budowy atomu 757 32.4. Model atomu Bohra 758 32.5. Przyczyny kwantowania poziomów energetycznych atomu: fale elektronowe 760 32.6. Mechanika kwantowa 762 32.7. Zasada odpowiedniości 764 ■ BOZON HIGGSA 764 33. Jądro atomowe i promieniotwórczość 768 33.1. Promienie Röntgena i promieniotwórczość 769 33.2. Promienie alfa, beta i gamma 771 33.3. Promieniotwórczość w środowisku naturalnym 772 Jednostki promieniowania 773 Dawki promieniowania 774 Znaczniki promieniotwórcze 776 33.4. Jądro atomowe i oddziaływania silne 776 33.5. Okres połowicznego rozpadu 780 33.6. Detektory promieniowania jądrowego 781 33.7. Przemiany pierwiastków 784 Transmutacja naturalna 784 Sztuczne przemiany pierwiastków 786 33.8. Datowanie radiometryczne 787 ■ NAŚWIETLANIE ŻYWNOŚCI 788 34. Rozszczepienie i synteza jąder atomowych 795 34.1. Rozszczepienie jądrowe 797 34.2. Reaktory jądrowe 801 ■ PLUTON 803 34.3. Reaktor powielający 804 34.4. Elektrownie jądrowe 805 34.5. Równoważność masy i energii 807 ■ FIZYKA A BEZPIECZEŃSTWO NA LOTNISKACH 811 34.6. Synteza jądrowa 811 34.7. Kontrolowana synteza jądrowa 815 CZĘŚĆ 8. Teoria względności 823 35. Szczególna teoria względności 824 35.1. Względność ruchu 825 Doświadczenie Michelsona–Morleya 826 35.2. Postulaty szczególnej teorii względności 827 35.3. Równoczesność 829 35.4. Czasoprzestrzeń. Dylatacja czasu 830 ■ MIEJSKI ZEGAR OBSERWOWANY Z TRAMWAJU 835 Podróż bliźniaka 836 35.5. Dodawanie prędkości 842 Podróże w przestrzeń kosmiczną 843 ■ SKOKI W PRZYSZŁOŚĆ 845 35.6. Skrócenie długości 846 35.7. Pęd relatywistyczny 848 35.8. Masa i energia: E = mc² 849 35.9. Zasada odpowiedniości 852 36. Ogólna teoria względności 860 36.1. Zasada równoważności 862 36.2. Grawitacyjne zakrzywienie światła 863 36.3. Grawitacja i czas: przesunięcie ku czerwieni 866 36.4. Grawitacja i przestrzeń: ruch Merkurego 869 36.5. Grawitacja, przestrzeń i nowa geometria 870 36.6. Fale grawitacyjne 872 36.7. Grawitacja w ujęciu Newtona i Einsteina 873 Zakończenie 879 DODATEK A. Układy jednostek 880 DODATEK B. Więcej o ruchu 885 DODATEK C. Wykresy 890 DODATEK D. Zastosowania wektorów 894 DODATEK E. Wzrost wykładniczy i okres podwajania 898 Odpowiedzi do zadań o numerach nieparzystych 903 Słowniczek 949 Źródła 970 Skorowidz 976