Fizyka doświadczalna, t. 1: Mechanika i ciepło
Czterotomowy podręcznik fizyki doświadczalnej, którego tom pierwszy niniejszym
przedstawiamy, ma służyć jako uzupełnienie i pogłębienie wykładów „Wstęp do
fizyki". Wykłady te prowadzone są w większości uniwersytetów niemieckich w
ramach studiów pierwszego stopnia (Vordiplom). Książka ta powstała po gruntownym
przeredagowaniu i poszerzeniu skryptów wykładów autora, z których przez wiele lat
korzystali studenci w Kaiserslautern.
Przedmowa do wydania polskiego/ XV
Przedmowa do wydania czwartego/ XVI
Przedmowa do wydania pierwszego/ XVII
1. Wstęp i zarys ogólny
1.1. Znaczenie eksperymentu/ 1
1.2. Rola modelu w fizyce/ 3
1.3. Rys historyczny/ 5
1.3.1. Starożytna filozofia przyrody/ 5
1.3.2. Rozwój fizyki klasycznej/ 6
1.3.3. Fizyka nowoczesna/ 9
1.4. Nasz dzisiejszy fizyczny obraz świata/ 11
1.5. Związki fizyki z naukami pokrewnymi/ 14
1.5.1. Biofizyka i fizyka medyczna/ 15
1.5.2. Astrofizyka/ 15
1.5.3. Geofizyka i meteorologia/ 15
1.5.4. Fizyka i technika/ 16
1.5.5. Fizyka i filozofia/ 16
1.6. Wielkości podstawowe w fizyce, ich wzorce i sposób mierzenia/ 17
1.6.1. Jednostki długości/ 18
1.6.2. Zasada pomiaru długości/ 19
1.6.3. Jednostki czasu/ 21
1.6.4. Pomiar czasu/ 24
1.6.5. Jednostki masy i jej pomiar/ 24
1.6.6. Jednostki ilości materii/ 25
1.6.7. Jednostka temperatury/ 26
1.6.8. Jednostka natężenia prądu stałego/ 26
1.6.9. Jednostka natężenia światła/ 26
1.6.10. Jednostki kątowe/ 26
1.7. Układy miar/ 27
1.8. Dokładność pomiarów i błędy pomiarów/ 28
1.8.1. Błędy systematyczne/ 28
1.8.2. Błędy przypadkowe (statystyczne), rozkład wartości mierzonej i wartość
średnia/ 29
1.8.3. Miara odchylenia standardowego/ 30
1.8.4. Prawo rozkładu błędów/ 31
1.8.5. Błąd wielkości złożonej/ 32
1.8.6. Rachunek wyrównawczy/ 34
Podsumowanie/ 36
Zadania/ 37
Spis treści
2. Mechanika punktu materialnego
2.1. Model punktu materialnego, tor/ 39
2.2. Prędkość i przyspieszenie/ 41
2.3. Ruch jednostajnie przyspieszony/ 42
2.3.1. Swobodny spadek/ 43
2.3.2. Rzut ukośny/ 43
2.4. Ruch dla przyspieszenia zmiennego/ 44
2.4.1. Ruch jednostajny po okręgu/ 44
2.4.2. Ruch krzywoliniowy/ 45
2.5. Siły/ 47
2.5.1. Siły jako wektory. Dodawanie sił/ 48
2.5.2. Pola sił/ 48
2.5.3. Pomiar sił/ 50
2.6. Podstawowe równania mechaniki/ 51
2.6.1. Zasady Newtona/ 51
2.6.2. Masa bezwładna i masa ciężka/ 53
2.6.3. Równania ruchu cząsteczki w dowolnym polu sił/ 53
2.7. Zasada zachowania energii w mechanice/ 57
2.7.1. Praca i moc/ 57
2.7.2. Praca niezależna od drogi. Pola sił zachowawczych/ 58
2.7.3. Energia potencjalna/ 60
2.7.4. Prawo zachowania energii w mechanice/ 61
2.7.5. Zależność między polem sił i potencjałem/ 62
2.8. Moment pędu i moment siły/ 63
2.9. Grawitacja i ruch planet/ 65
2.9.1. Prawa Keplera/ 65
2.9.2. Prawo powszechnego ciążenia Newtona/ 66
2.9.3. Tory planet/ 67
2.9.4. Potencjał efektywny/ 70
2.9.5. Pole grawitacyjne ciał rozciągłych/ 70
2.9.6. Doświadczalne badanie prawa grawitacji/ 73
2.9.7. Doświadczalne wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego/ 75
Podsumowanie/ 77
Zadania/ 78
3. Poruszające się układy odniesienia i szczególna teoria względności
3.1. Ruch względny/ 81
3.2. Układy inercjalne i transformacja Galileusza/ 81
3.3. Układy odniesienia poruszające się z przyspieszeniem, siły bezwładności/ 83
3.3.1. Układy odniesienia poruszające się z przyspieszeniem po linii prostej/ 83
3.3.2. Rotujące układy odniesienia/ 85
3.3.3. Siła odśrodkowa i siła Coriolisa/ 86
3.3.4. Podsumowanie/ 89
3.4. Stałość prędkości światła/ 90
3.5. Transformacja Lorentza/ 91
3.6. Szczególna teoria względności/ 93
3.6.1. Problem jednoczesności/ 93
3.6.2. Diagram Minkowskiego/ 94
3.6.3. Lorentzowska kontrakcja długości/ 95
3.6.4. Dylatacja czasu/ 97
3.6.5. Paradoks bliźniąt/ 98
3.6.6. Zdarzenia czasoprzestrzenne i przyczynowość/ 101
Podsumowanie. 103
Zadania. 103
4. Układ punktów materialnych/ Zderzenia
4.1. Pojęcia podstawowe/ 105
4.1.1. Środek masy/ 105
4.1.2. Masa zredukowana/ 106
4.1.3. Moment pędu układu cząstek/ 107
4.2. Zderzenia między dwoma cząstkami/ 109
4.2.1. Równania podstawowe/ 109
4.2.2. Zderzenia sprężyste w układzie laboratoryjnym/ 110
4.2.3. Zderzenia sprężyste w układzie środka masy/ 113
4.2.4. Zderzenia niesprężyste/ 115
4.2.5. Diagram Newtona/ 116
4.3. Czego nas uczą badania zderzeń/ 117
4.3.1. Rozproszenie w potencjale kulistometrycznym/ 118
4.3.2. Zderzenia złożone/ 121
4.4. Zderzenia przy energiach relatywistycznych/ 122
4.4.1. Relatywistyczny przyrost masy/ 122
4.4.2. Siła i pęd relatywistyczny/ 123
4.4.3. Energia relatywistyczna/ 124
4.4.4. Zderzenia niesprężyste przy energiach relatywistycznych/ 126
4.4.5. Zasada zachowania energii w szczególnej teorii względności/ 126
4.5. Zasady zachowania/ 127
4.5.1. Zasada zachowania pędu/ 127
4.5.2. Zasada zachowania energii/ 128
4.5.3. Zasada zachowania momentu pędu/ 128
4.5.4. Zasady zachowania i symetrie/ 128
Podsumowanie/ 131
Zadania/ 131
5. Dynamika bryły sztywnej
5.1. Model bryły sztywnej/ 133
5.2. Środek masy/ 134
5.3. Ruch bryły sztywnej/ 134
5.4. Siły i pary sił/ 135
5.5. Moment bezwładności i energia rotacji/ 137
5.6. Równanie ruchu obrotowego bryły sztywnej/ 140
5.6.1. Obrót wokół osi przy stałym momencie siły/ 141
5.6.2. Drgania obrotowe wokół ustalonej osi/ 142
5.6.3. Porównanie ruchu postępowego i obrotowego/ 143
5.7. Ruch obrotowy wokół swobodnej osi. Ruch bąka/ 143
5.7.1. Tensor bezwładności i elipsoida bezwładności/ 143
5.7.2. Moment bezwładności osi głównych/ 145
5.7.3. Przypadek osi swobodnych/ 147
5.7.4. Równania Eulera/ 148
5.7.5. Swobodny bąk symetryczny/ 149
5.7.6. Precesja bąka symetrycznego/ 151
5.7.7. Nakładanie nutacji i precesji/ 153
5.8. Ziemia jako bąk symetryczny/ 154
Podsumowanie/ 157
Zadania/ 158
6. Rzeczywiste ciała stałe i ciekłe
6.1. Model atomowy stanów skupienia/ 159
6.2. Odkształcalne ciała stałe/ 161
6.2.1. Prawo Hooke'a/ 161
6.2.2. Kontrakcja poprzeczna/ 163
6.2.3. Siły ścinające i moduł sprężystości postaci/ 164
6.2.4. Zginanie belki/ 165
6.2.5. Histereza sprężysta. Praca odkształcenia/ 167
6.2.6. Twardość ciała stałego/ 168
6.3. Nieruchoma ciecz. Hydrostatyka/ 169
6.3.1. Swobodna przesuwalność i swobodne powierzchnie cieczy/ 169
6.3.2. Ciśnienie statyczne w cieczy/ 170
6.3.3. Siła wyporu i pływanie/ 172
6.4. Zjawiska na granicy powierzchni cieczy/ 174
6.4.1. Napięcie powierzchniowe/ 174
6.4.2. Powierzchnie graniczne i siły przylegania/ 176
6.4.3. Włoskowatość/ 178
6.4.4. Podsumowanie/ 179
6.5. Tarcie między ciałami stałymi/ 180
6.5.1. Tarcie statyczne/ 180
6.5.2. Tarcie kinetyczne (poślizgowe)/ 181
6.5.3. Tarcie toczne/ 181
6.5.4. Znaczenie tarcia w technice/ 183
6.6. Ziemia jako ciało odkształcalne/ 183
6.6.1. Spłaszczenie biegunowe wirującej Ziemi/ 184
6.6.2. Odkształcenie wywołane pływami/ 185
6.6.3. Skutki działania pływów/ 188
6.6.4. Pomiar odkształcenia Ziemi/ 189
Podsumowanie/ 191
Zadania/ 192
7. Gazy
7.1. Rozważania makroskopowe/ 193
7.2. Ciśnienie powietrza i wzór barometryczny/ 194
7.3. Kinetyczna teoria gazów/ 196
7.3.1. Model gazu doskonałego/ 196
7.3.2. Podstawowe równania kinetycznej teorii gazów/ 197
7.3.3. Średnia energia kinetyczna i temperatura bezwzględna/ 198
7.3.4. Funkcja rozkładu/ 198
7.3.5. Rozkład prędkości Maxwella-Boltzmanna/ 200
7.3.6. Przekrój czynny na zderzenie i średnia droga swobodna/ 203
7.4. Doświadczalne sprawdzenie kinetycznej teorii gazów/ 204
7.4.1. Wiązki molekularne/ 204
7.5. Zjawiska transportu w gazach/ 207
7.5.1. Dyfuzja/ 207
7.5.2. Ruchy Browna/ 209
7.5.3. Przewodnictwo cieplne w gazach/ 210
7.5.4. Lepkość gazów/ 212
7.5.5. Podsumowanie/ 213
7.6. Atmosfera Ziemi/ 213
Podsumowanie/ 215
Zadania/ 216
8. Dynamika cieczy i gazów
8.1. Pojęcia podstawowe i rodzaje przepływów/ 219
8.2. Równanie Eulera dla cieczy doskonałych/ 221
8.3. Równanie ciągłości/ 222
8.4. Równanie Bernoullego/ 223
8.5. Przepływ laminarny/ 227
8.5.1. Tarcie wewnętrzne/ 227
8.5.2. Przepływ laminarny między dwoma równoległymi ścianami/ 229
8.5.3. Przepływ laminarny przez rury/ 230
8.5.4. Wiskozymetr z opadającą kulką. Prawo Stokesa/ 231
8.6. Równanie Naviera-Stokesa/ 232
8.6.1. Wiry i cyrkulacje/ 232
8.6.2. Twierdzenie Helmholtza o wirach płynów doskonałych/ 234
8.6.3. Powstawanie wirów/ 235
8.6.4. Przepływy turbulentne, opór strumienia/ 237
8.7. Aerodynamika/ 238
8.7.1. Dynamiczna siła nośna/ 239
8.7.2. Zależność między dynamiczną siłą nośną i siłą oporu przepływu/ 240
8.7.3. Siły występujące podczas lotu/ 241
8.8. Prawa podobieństwa, liczba Reynoldsa/ 242
8.9. Wykorzystanie energii wiatru/ 243
Podsumowanie/ 247
Zadania/ 248
9. Fizyka próżni
9.1. Podstawy i podstawowe pojęcia fizyki próżni/ 249
9.1.1. Różne obszary próżni/ 249
9.1.2. Wpływ zaadsorbowanych molekuł na powierzchni ściany/ 250
9.1.3. Szybkość pompowania i wydajność pompowania pomp próżniowych/ 251
9.1.4. Przewodność przepływu przewodów układów próżniowych/ 251
9.1.5. Osiągalne ciśnienie końcowe/ 253
9.2. Otrzymywanie próżni/ 254
9.2.1. Pompy mechaniczne/ 254
9.2.2. Pompy dyfuzyjne/ 258
9.2.3. Pompy kriogeniczne i sorpcyjne/ 259
9.3. Pomiar niskich ciśnień/ 261
9.3.1. Cieczowe mierniki ciśnienia/ 261
9.3.2. Manometry membranowe/ 262
9.3.3. Próżniomierz cieplno-przewodnościowy/ 263
9.3.4. Próżniomierze jonizacyjne i Penninga/ 263
9.3.5. Próżniomierze cierne/ 264
Podsumowanie/ 265
Zadania/ 266
10. Nauka o cieple
10.1. Temperatura i ilość ciepła/ 267
10.1.1. Pomiar temperatury, termometry i skala temperatur/ 268
10.1.2. Rozszerzalność cieplna ciał stałych i ciekłych/ 269
10.1.3. Rozszerzalność cieplna gazów, termometr gazowy/ 273
10.1.4. Bezwzględna skala temperatur/ 273
10.1.5. Ilość ciepła i ciepło właściwe/ 274
10.1.6. Objętość molowa i stała Avogadra/ 276
10.1.7. Energia wewnętrzna i molowe ciepło właściwe gazu doskonałego/ 276
10.1.8. Ciepło właściwe gazu przy stałym ciśnieniu/ 277
10.1.9. Interpretacja molekularna ciepła właściwego/ 278
10.1.10. Ciepło właściwe ciał stałych/ 279
10.1.11. Ciepło topnienia i ciepło parowania/ 280
10.2. Transport ciepła/ 281
10.2.1. Konwekcja/ 282
10.2.2. Przewodnictwo cieplne/ 283
10.2.3. Rura cieplna (heat pipe)/ 287
10.2.4. Metody izolacji termicznej/ 288
10.2.5. Promieniowanie cieplne/ 290
10.2.6. Wykorzystanie termicznej energii Słońca/ 296
10.3. Zasady termodynamiki/ 298
10.3.1. Wielkości opisujące stan układu/ 298
10.3.2. Pierwsza zasada termodynamiki/ 299
10.3.3. Wybrane procesy jako przykłady pierwszej zasady termodynamiki/ 300
10.3.4. Druga zasada termodynamiki/ 302
10.3.5. Cykl Carnota/ 302
10.3.6. Równoważne sformułowania drugiej zasady termodynamiki/ 305
10.3.7. Entropia/ 306
10.3.8. Procesy odwracalne i nieodwracalne/ 309
10.3.9. Potencjały termodynamiczne/ 311
10.3.10. Reakcje chemiczne/ 312
10.3.11. Związek między wielkościami stanu i potencjałami termodynamicznymi/ 312
10.3.12. Stany równowagi/ 313
10.3.13. Trzecia zasada termodynamiki (twierdzenie Nernsta)/ 314
10.3.14. Silniki termodynamiczne/ 316
10.4. Termodynamika gazów rzeczywistych i cieczy/ 319
10.4.1. Równanie stanu van der Waalsa/ 319
10.4.2. Ciała w różnych stanach skupienia/ 321
10.4.3. Roztwory i mieszaniny/ 328
Podsumowanie/ 330
Zadania/ 332
11. Drgania i fale mechaniczne
11.1. Swobodny oscylator nietłumiony/ 333
11.2. Opis drgań/ 334
11.3. Superpozycja drgań/ 335
11.3.1. Superpozycje jednowymiarowe/ 336
11.3.2. Superpozycja dwuwymiarowa, figury Lissajous/ 339
11.4. Oscylator tłumiony/ 340
11.5. Drgania wymuszone/ 343
11.6. Bilans energii podczas drgań punktu materialnego/ 346
11.7. Oscylator parametryczny/ 347
11.8. Oscylatory sprzężone/ 349
11.8.1. Sprzężone wahadła sprężynowe/ 349
11.8.2. Drgania wymuszone dwóch wahadeł sprzężonych/ 351
11.8.3. Drgania normalne/ 352
11.9. Fale mechaniczne/ 353
11.9.1. Różne sposoby przedstawiania harmonicznych fal płaskich/ 353
11.9.2. Podsumowanie/ 355
11.9.3. Ogólne przedstawienie dowolnych fal. Równanie fali/ 355
11.9.4. Różne rodzaje fal/ 356
11.9.5. Rozchodzenie się fal w różnych ośrodkach/ 359
11.9.6. Gęstość energii i transport energii fali/ 364
11.9.7. Dyspersja, prędkość fazowa i grupowa/ 364
11.10. Nakładanie się fal/ 367
11.10.1. Koherencja i interferencja/ 367
11.10.2. Nakładanie się dwóch fal harmonicznych/ 367
11.11. Ugięcie, odbicie i załamanie fal/ 369
11.11.1. Zasada Huygensa/ 369
11.11.2. Ugięcie na przeszkodach/ 371
11.11.3. Podsumowanie/ 372
11.11.4. Odbicie i załamanie fal/ 372
11.12. Fale stojące/ 374
11.12.1. Jednowymiarowe fale stojące/ 374
11.12.2. Doświadczalne demonstrowanie fal stojących/ 375
11.12.3. Dwuwymiarowe drgania własne membran/ 376
11.13. Fale podczas ruchu źródła/ 378
11.13.1. Efekt Dopplera/ 378
11.13.2. Czoła fal ruchomych źródeł/ 379
11.13.3. Fale uderzeniowe/ 381
11.14. Akustyka/ 382
11.14.1. Definicje/ 382
11.14.2. Amplituda ciśnienia i gęstość energii fal dźwiękowych/ 383
11.14.3. Wytwarzanie fal dźwiękowych/ 384
11.14.4. Detektory dźwięku/ 384
11.14.5. Ultradźwięki/ 385
11.15. Fizyka instrumentów muzycznych/ 387
11.15.1. Podział instrumentów muzycznych/ 388
11.15.2. Akordy, gamy, strojenie/ 388
11.15.3. Fizyka skrzypiec/ 390
11.15.4. Fizyka gry fortepianowej/ 392
Podsumowanie/ 393
Zadania/ 395
12. Dynamika nieliniowa i chaos
12.1. Stabilność układów dynamicznych/ 399
12.2. Logistyczne prawo wzrostu i wykres Feigenbauma/ 403
12.3. Oscylator parametryczny/ 405
12.4. Eksplozja demograficzna/ 406
12.5. Układy z opóźnionym sprzężeniem zwrotnym/ 408
12.6. Samopodobieństwo/ 409
12.7. Fraktale/ 410
12.8. Zbiory Mandelbrota/ 411
12.9. Wnioski dla naszego rozumienia świata/ 414
Podsumowanie/ 415
Zadania/ 415
Dodatek
A.1. Rachunek wektorowy/ 417
1.1. Definicja wektora/ 417
1.2. Opis wektorów/ 417
1.2.1. Współrzędne kartezjańskie/ 417
1.2.2. Współrzędne sferyczne lub biegunowe/ 418
1.2.3. Współrzędne cylindryczne/ 418
1.3. Wektory osiowe i biegunowe/ 418
1.4. Dodawanie wektorów/ 419
1.5. Mnożenie wektorów/ 419
1.5.1. Mnożenie wektora przez skalar/ 419
1.5.2. Iloczyn skalarny/ 419
1.5.3. Iloczyn wektorowy/ 420
1.5.4. Iloczyny złożone/ 420
1.6. Różniczkowanie wektorów/ 421
1.6.1. Pole wektorowe/ 421
1.6.2. Różniczkowanie wektora względem skalara/ 421
1.6.3. Gradient wielkości skalarnej/ 422
1.6.4. Dywergencja pola wektorowego/ 422
1.6.5. Rotacja pola wektorowego/ 423
1.6.6. Różniczkowania wielokrotne/ 423
A.2. Układy współrzędnych/ 424
2.1. Współrzędne kartezjańskie/ 424
2.2. Współrzędne cylindryczne/ 424
2.3. Współrzędne sferyczne (współrzędne kuliste)/ 425
A.3. Liczby zespolone/ 426
3.1. Działania na liczbach zespolonych/ 427
3.2. Przedstawienie liczb zespolonych (we współrzędnych biegunowych)/ 428
A.4. Analiza Fouriera/ 428
Rozwiązania zadań/ 429
Ilustracje barwne/ 461
Spis literatury/ 469
Skorowidz rzeczowy/ 475
484 stron, Format: 198 x 248 mm, oprawa twarda
