ebook Fizyka wokół nas Paul G. Hewitt

Spis treści ebooka 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