Toruński Podręcznik do Fizyki Gimnazjum I Klasa.pdf

(7094 KB) Pobierz
Toruński poręcznik
do fizyki
Gimnazjum I klasa
Autorzy:
Dr Krzysztof Rochowicz, astronom, absolwent Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika
w Toruniu, jest nauczycielem w V Liceum Ogólnokształcącym w Toruniu i asystentem w Zakładzie Dydaktyki
Fizyki UMK. Zajmuje się badaniami spektroskopowymi atmosfer układów planetarnych.
Mgr Magdalena Sadowska jest nauczycielką w Zespole Szkół w Kaliszu obejmującym: Gimnazjum dla
Dorosłych, Zasadniczą Szkołę Zawodową oraz Technikum Uzupełniające. Realizuje doktorat w zakresie
dydaktyki fizyki na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu, pod kierunkiem prof. G. Karwasza.
Prof. dr hab. inż. Grzegorz Karwasz, z wykształcenia mgr inż. fizyki (Politechnika Gdańska) i ekonomista
(handel zagraniczny, Uniwersytet Gdański), prowadzi prace badawcze w dziedzinie fizyki atomowej i fizyki
ciała stałego. Jest autorem 120 artykułów naukowych, 200 komunikatów konferencyjnych oraz 4 monografii. Od
10 lat zajmuje się popularyzacją i dydaktyką fizyki, organizując między innymi wystawy interaktywne „Fizyka
zabawek”; był koordynatorem projektu UE „Physics is Fun” i MOSEM. Obecnie jest kierownikiem Zakładu
Dydaktyki Fizyki UMK.
Współpraca:
Mgr Krzysztof Gołębiowski, doradca metodyczny TODMiDN w Toruniu, nauczyciel dyplomowany w I LO
w Toruniu, ekspert MEN (przedmioty
ścisłe,
informatyka, zarządzanie oświatą).
Mgr Marta Juszczyńska, doktorantka Zakładu Dydaktyki Fizyki na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika
w Toruniu pod kierunkiem prof. Grzegorza Karwasza.
1
Spis treści
Rozdział I WSTĘP
i) Fizyka jako nauka ………………………………………………………………
1.1 Zjawiska fizyczne …………………………………………………………………
1.2 Fizyka i filozofia ………………………………………………………………….
1.3 Fizyka a inne nauki ……………………………………………………………….
ii) Materia w przyrodzie …………………………………………………………..
1.4 Co to jest materia? ………………………………………………………………….
1.5 Trzy stany skupienia materii …………………………………………….…………
1.6 Siły między cząsteczkami i atomami w różnych stanach skupienia ……………….
1.7 Atomy i cząsteczki …………………………………………………………………
1.8 Elektrony i prąd elektryczny ……………………………………………………….
1.9 Jony i elektroliza ……………………………………………………………………
1.10 Inne stany skupienia ……………………………………………………………..
1.11 Kondensat Bosego-Einsteina – piąty stan skupienia ………………………………
Rozdział II WIELKOŚCI FIZYCZNE
2.1 Czytanie wielkości fizycznych ………………………………………………….....
2.2 Wielkości przybliżone ……………………………………………………………..
2.3 Obliczenia przybliżone …………………………………………………………….
2.4 Jednostki pomiaru wielkości fizycznych …………………………………………..
2.5 Przedrostki jednostek pomiaru …………………………………………………….
2.6 Przykład pomiaru – gęstość ………………………………………………………..
Rozdział III KINEMATYKA
3.1 Ruch i jego opis …………………………………………………………………….
3.2 Ruch jednostajny prostoliniowy ……………………………………………………
3.3 Prędkość
średnia
i prędkość chwilowa ……………………………………………..
3.4 Droga w ruchu jednostajnym ………………………………… …………………….
3.5 Ruch jednostajnie przyspieszony …………………………………………………..
3.6 Prędkość w ruchu jednostajnie przyspieszonym …………………………………..
3.7 Droga w ruchu jednostajnie przyspieszonym ………………………………………
3.8 Podsumowanie ……………………………………………………… ……………..
Dodatek 3.9 Ruch jednostajny po okręgu ……………………………………………...
Dodatek 3.10 Więcej o wykresach zależności czasowej w ruchu ……… ……………..
Rozdział IV DYNAMIKA
4.1 Pojęcie i własności sił ………………………………………………………………
4.2 Siła jako wektor …………………………………………………………………….
4.3 I Prawo dynamiki Newtona …………………………………………………………
4.4 II Prawo dynamiki Newtona …………………………………………… …………..
4.5 III Prawo dynamiki Newtona ……………………………………………………….
4.6 Przykłady oddziaływań w przyrodzie ……………………………………………….
Rozdział V PRAWA ZACHOWANIA W MECHANICE
5.1 Pojęcie pędu …………………………….…………………………………………..
5.2 Zasada zachowania pędu ……………………………………………………………
5.3 Pojęcie energii ………………………………………………………………………
5.4 Praca ………………………………………………………………………………..
5.5 Energia mechaniczna i jej rodzaje ………………………………………………….
5.6 Zasada zachowania energii mechanicznej ………………………………………….
3
3
5
6
7
7
8
9
10
11
12
13
15
17
18
20
22
23
24
30
36
42
46
48
51
53
57
58
61
63
65
69
71
73
75
77
79
81
81
83
84
Uwagi dla nauczyciela …………………………………………………………………. 86
2
ROZDZIAŁ I Wstęp
i) Fizyka jako nauka
1.1 Zjawiska fizyczne
Czym zajmuje się fizyka? Odpowiadając,
że
zjawiskami „fizycznymi” popełniamy błąd
logiczny zwany
tautologią,
czyli wyjaśnianiem pojęcia przez to samo pojęcie jak
w stwierdzeniu,
że
w skład masła wchodzi masło (82%, sprawdź!) i woda.
Za zjawiska fizyczne tradycyjnie uważało się te, które nie prowadzą do
żadnej
zmiany
oddziaływujących
substancji.
Innymi słowy, zjawiska fizyczne to zjawiska powtarzalne
i zazwyczaj odwracalne. I tak na przykład, dwie zderzające się piłeczki, stygnięcie herbaty
w szklance, zaćmienie Słońca to zjawiska fizyczne. Piłeczki (o ile elastyczne) nie zmieniają
ani kształtu, ani koloru po zderzeniu, zimną herbatę można ponownie podgrzać, a zaćmienie
Słońca obejrzeć ponownie za kilka lat.
Nie jest tak w przypadku tzw. zjawisk
chemicznych,
zmieniających własności reagujących
substancji. I tak, wymieszanie metalicznych kropelek rtęci z
żółtym
proszkiem siarki
prowadzące do powstania czerwonego siarczku rtęci to zjawisko
chemiczne.
Stopienie siarki
lub rosnący słupek rtęci w termometrze lekarskim (kiedyś tylko takie istniały) – to natomiast
zjawiska fizyczne. Dzisiaj, rozgraniczenia na zjawiska
fizyczne, astronomiczne, chemiczne,
czy nawet
biologiczne
musimy uznać za nieco sztuczne.
Fot. 1.1
Zderzające się kulki, stygnąca woda w szklance, chmury na niebie, zaćmienie Słońca to
zjawiska
fizyczne.
Przytoczmy kilka
procesów
czyli zmian, jak reakcje chemiczne, stygnięcie, parowanie.
1° Po pierwsze, reakcje chemiczne są również odwracalne: np. wodorotlenek wapnia (czyli
tzw. wapno gaszone) w zaprawie murarskiej powoli wiąże dwutlenek węgla z powietrza,
zamieniając się w węglan wapnia. Z kolei węglan wapnia (czyli skała zwana „wapień”)
podgrzany do 1100° C uwalnia dwutlenek węgla i zamienia się w tlenek wapnia (wapno
palone), który z kolei wymieszany z wodą daje wodorotlenek wapnia (wapno gaszone), który
w zaprawie murarskiej ponownie wiąże dwutlenek węgla z atmosfery i zamienia się z
powrotem w węgla wapnia itd., itd. Podobne procesy planuje się wykorzystać do
magazynowania pod ziemią spalin z elektrowni, celem zredukowania efektu cieplarnianego.
Fot. 1.2
Rtęć utarta z siarką daje szary siarczek rtęci - jest to przykład procesu
chemicznego,
naturalny
siarczek rtęci, cynober jest różowy.
3
2° Po drugie, nie wszystkie procesy fizyczne są
odwracalne.
Wymieszanie litra wody ciepłej
z litrem wody zimnej daje dwa litry wody letniej, ale ponowne ich rozdzielenie nie jest
możliwe. Gorąca szklanka herbaty, stygnąc, ogrzewa (choć bardzo niewiele) powietrze
w kuchni, ale letnie powietrze z kuchni nie podgrzeje wody w szklance do wrzenia.
Wszechświat się rozszerza a przy tym stygnie i nic nie wskazuje na to, aby miał się ponownie
skurczyć.
3° Po trzecie, także procesy
fizyczne
mogą powodować przemiany jednej substancji w drugą.
Pierwiastek chemiczny radon, radioaktywny gaz szlachetny, powstaje z rozpadu
promieniotwórczego innego pierwiastka, polonu, przypominającego chemicznie siarkę.
Fizycy pracujący na wielkich akceleratorach potrafią zamienić jeden metal w drugi - np.
aluminium w sód, sód z kolei zamienia się (w procesie rozpadu promieniotwórczego) w gaz,
zwany neonem itd. Dzięki nauce, to co było niemożliwe, staje się niesłychanie proste. W tym
sensie fizyka współczesna urzeczywistnia marzenia
średniowiecznych
alchemików,
zamiany
jednej substancji w drugą (choć nie zawsze w złoto i bez użycia
kamienia filozoficznego).
Fot. 1.3
Fizyka zajmuje się
procesami.
Wytwarzanie prądu elektrycznego w elektrowni
geotermicznej, wiatrowej lub w ogniwie słonecznym, to przykłady
procesów
fizycznych.
4° I wreszcie, po czwarte, zaćmienie Słońca to zjawisko
astronomiczne,
ale pamiętajmy,
że
ruch Ziemi wynika z prostych praw
fizyki.
Znając te prawa, przewidywanie zaćmień nie jest
już wiedzą tajemną, ale da się
wyliczyć
na szkolnym kalkulatorze.
Fizyka współpracuje z innymi naukami przyrodniczymi, jak medycyna i biologia. Transport
substancji biologicznych przez błony komórki zależy od obecności
jonów.
Wymiana jonów
jest też podstawą działania bateryjek elektrycznych i ogniw paliwowych, a te urządzenia
zaliczamy do obszaru badań fizyki. Z osiągnięć zaawansowanej fizyki, jak widać na zdjęciach
poniżej, korzysta współczesna
medycyna.
Fot. 1.4
Nowoczesne techniki badawcze w medycynie – rezonans magnetyczny, tomografia
pozytonowa, tomografia optyczna oka (UMK) – to wszystko urządzenia skonstruowane przez
fizyków.
4
1.2 Fizyka i filozofia
W pismach Arystotelesa (384-322 p.n.e), pierwszego filozofa, który
w systematyczny sposób zebrał wiedzę starożytnych Greków o
świecie,
pojawiły się takie dziedziny nauki, jak zoologia, astronomia, etyka. Wiedzę
czysto filozoficzną, niepoznawalną namacalnym doświadczeniem nazwał
Arystoteles „meta-fizyką”, czyli poza-fizyką. Wynika z tego,
że
fizyki da się
dotknąć. I to prawda! Zjawiska fizyczne, nawet te najtrudniejsze, dają się
zobrazować, a przez to lepiej poznać. Zajrzyj na naszą stronę internetową
„Fizyka i zabawki” [1] aby „dotknąć” fizyki.
W czasach Kopernika (1473-1543) naukę dzielono na fizykę,
matematykę i metafizykę. On sam napisał dzieło astronomiczne, ale pytał w
nim, na przykład, dlaczego woda utrzymuje się na powierzchni Ziemi, która
jest kulą, jaka jest przyczyna ruchu ciał niebieskich, co wypełnia przestrzeń
kosmiczną. Możemy powiedzieć,
że
Kopernik był nie tylko astronomem,
lekarzem, poetą, wojskowym i ekonomistą, ale i
fizykiem.
Fot. 1.5
Sztafeta postępu naukowego: Arystoteles (384-322 p.n.e), Mikołaj
Kopernik (1473-1543), Galileo Galilei (1564-1642),
Dziś działów nauki jest znacznie więcej. Co odróżnia
fizykę
od
innych nauk, np. historii? Przede wszystkim, fizyka stara się zajmować
zagadnieniami łatwymi do ponownego sprawdzenia, przez eksperyment.
Zjawisko odbicia kauczukowej piłeczki od podłogi możemy sprawdzać w
nieskończoność i zawsze prawa fizyki rządzące takim
odbiciem są takie same. Pomysł na powtarzalne doświadczenia pochodzi
od Galileusza (1564-1642). Motto jednej
z najciekawszych
książek popularnonaukowych w zakresie fizyki w XX wieku głosi:„-
Fizyka zeszła z nieba na ziemię po równi pochyłej Galileusza” [2].
Rozwój nauki to tak jakby przekazywanie pałeczki w sztafecie biegaczy.
Odkrycia Galileusza, urodzonego wkrótce pod
śmierci
Kopernika,
potwierdziły,
że
Ziemia nie jest
środkiem
Wszechświata. Nadal nie było
jednak wiadomo, dlaczego Ziemia krąży dookoła Słońca i ani nie spada,
ani nie przyspiesza. Przyczynę tego ruchu, siłę grawitacji oraz prawa
ruchu odkrył, już po
śmierci
Galileusza, Anglik Izaak Newton (1667-
1734).
Największy umysł XX wieku, Albert Einstein (1879-1955), stwierdził,
że
„to doświadczenie jest ostatecznym sprawdzianem każdej teorii”. W
zachęcamy
więc
do samodzielnego
naszym
podręczniku
eksperymentowania, gdyż jest to najlepszy sposób okrywania fizyki,
a przez nią praw rządzących
światem.
Nie ma eksperymentów nieudanych
– każdy z nich coś pokazuje. Pomiar „wiatru eteru”, wykonany przez
Polaka ze Strzelna, Abrahama Michelsona (1852-1931) dał wynik
negatywny, ale legł u podstaw fizyki XX wieku – pozwolił Einsteinowi
na stworzenie teorii względności. Bez teorii względności nie byłoby ani
nawigacji satelitarnej (GPS), ani energii jądrowej.
Fot. 1.6
Sztafeta postępu naukowego (c.d.) Izaak Newton (1667-1734), Albert
Einstein (1879-1955), Abraham Michelson (1852-1931).
5

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin