E-učionica za učenje fizike

Arhiva za kategoriju ‘Fizika I’

Veza fizike i drugih nauka

Fizika kao fundamentalana prirodna nauka ima primenu u velikom broju drugih nauka. Znanja iz raznih naučnih oblasti se uzajamno prepliću i prožimaju. Fizika uslovljava razvoj drugih nauka ali i sam razvoj drugih nauka utiče na razvoj fizike.

Prikazana šema predstavlja vezu fizike sa ostalim naukama i ukazuje na povezanost razvoja nauke, tehnike i tehnologije. Nekada granična područja nauke (crveno uokvireno) brzim razvojem postala su već nove i značajne naučne oblasti.

Prema predviđanjima eksperata, 21. vek će obeležiti ekspanzija razvoja novih tehnologija (od nanotehnologija, čistih izvora energije do kvantnih kompjutera).

fizika-i-druge-nauke

Razvoj i povezanost između nauke, tehnike i industrije imaju presudan značaj za inovativna rešenja u industriji i kreiranje novih proizvoda za savremeno doba.

Fizika i matematika

Matamatika je zapravo jezik fizike i način na koji fizika opisuje prirodu egzaktno kroz zakone i principe. Formule u fizici su matematičke veze između fizičkih veličina. Posmatrajući istoriju nauke, razvoj pojedinih oblasti u fizici (kao na primer teorija relativnosti) bio je uslovljen razvojem matematike.

Fizika i biologija

Veza ove dve nauke dovela je do suštinskog razumevanje funkcionisanja složenih bioloških sistema. Kombinacija sa tehnikom dovela je do ekspanzije kreativnosti i velikog napredka u robotici – inteligentnim kopiranjem savršenih rešenja iz prirode. Jedan od primera za to je „Robot muva“.

robot muva

Robot muva: Prirodni sistemi su savršeno konstruisani. Razvoj nauke u poslednjih 10 godina doveo je do uspešnih kreacija robota po ugledu na živa bića;
slika: http://www.compadre.org

Fizika i medicina

Fizika ima značajan doprinos u modernoj medicinskoj dijagnostici ali i u lečenju. Primeri: Magnetna rezonanca, rendgen, ultrazvuk, laser, merenje ekektričnih impulsa srca -EKG, merenje električnih impulsa mozga – EEG itd.

magnetna rezonanca

Urađaj za magnetnu rezonancu koristi se za uspešnu dijagnostiku u medicini tumačenjem dobijenog snimka; slika: http://radiology.ucla.edu

Fizika i hemija

Kvantna fizika je otvorila vrata moderne hemije pružajući mogućnost kompletnog opisa sastava, unutrašnje strukture i mogućih energijskih stanja atoma i molekula.

Preklapanje fizike i hemije dovelo je do razvoja nove oblasti – fizičke hemije.

Fizika i astronomija

Fizika je napravila prve značajne korake u razvoju kosmičkog prostora a dalji napredak doveo je do razvoja astrofizike. Kao primeri metoda fizike koje se koriste u astronomskim istraživanjima mogu se navesti spektralna analiza ili fotografsko snimanje kosmičkih objekata. Veliki napredak u razvoju tehničke opreme za posmatranje kosmičkih objekata doveli su do ekspanzije naučnih otkrića u ovoj oblasti. Kao primer mogu se navesti optički teleskopi ili veštački sateliti. Danas svakodnevno možete pratiti na sajtu NASA novosti i  rad astronauta u daljem istraživanju svemira.

space teleskop

Već 10 godina u svemiru: NASA svemirski teleskop. slika:http://www.spitzer.caltech.edu/

Fizika i geografija

Brojne pojave u geografiji imaju fizičku osnovu kao što su: pojava vetra, kružni tok vode, struje u morima i okeanima, magnetna svojstva Zemlje…Proučavanje je dovelo do razvoja nove oblasti – geofizika. Geofizika znači „fizika Zemlje“ i daje veliki doprinos u opisivanju i predviđanju ponašanja vulkana.

Na kraju, potrebno je skrenuti pažnju na činjenicu da razvoj nauke i modernih tehnologija utiče na razvoj i promenu svesti čitavog čovečanstva.

Advertisements

Šta proučava fizika?

Fizika proučava svojstva i strukturu materije i pojave u prirodi (mehaničke, toplotne, elektromagnetne, atomske, kvantne…).

Materija postoji u dva oblika: supstanca  i fizičko polje.

Supstanca je sve ono od čega se sastoje tela: hemijski elementi, jedinjenja i njihove smeše.

Fizičko polje je oblik materije čijim posredstvom se ostvaruje uzajamno delovanje u prirodi (na primer: privlačenje posredstvom gravitacionog polja ili naelektrisane čestice se privlače ili odbijaju posredstvom  električnog polja).

Oblasti proučavanja 

Zbog složenosti same materije i njenog kretanja nastale su različite oblasti proučavanja: mehanika, termodinamika, elektromagnetizam, talasi, optika, kvantna fizika, atomska fizika, fizika molekuka, nuklearna fizika, fizika elemntarnih čestica.

Mehanika – proučava najjednostavniji oblik kretanja materije odnosno promenu položaja tela jednih u odnosu na druge.

Primer: Na slici je predstavljen skejt park. Uz pomoć naučne simulacije možete analizirati promenu energije prilikom kretanja:

Енергија у скејт-парку: Основна верзија скриншот

Primer: Uz pomoć naučne simulacije analizirajte promenu energije prilikom kretanja u skejt parku.

Termodinamika – proučava toplotne pojave i razmenu toplote između tela.

Primer: uz pomoć naučne simulacije istražite kako zagrevanje i hlađenje utiču na gvožđe, ciglu i vodu. Saznajte kada primaju i predaju energiju i vidite kako energija prelazi sa jednog na drugi objekat:

Енергија, врсте и промене скриншот

Primer: uz pomoć naučne simulacije istražite kako toplota prelazi sa jednog tela na drugo

Elektromagnetizam – proučava elektrostatičke i magnetne interakcije između tela.

Primer: Uz pomoć naučne simulacije pokrenite tačkasto naelektrisanje i posmatrajte promene električnog polja, napona, ekvipotencijalnih linija…

Електрична поља тачкастих наелектрисања скриншот

Talasi i optika – proučavaju oscilatorna i talasna kretanja kao i svetlosne pojave.

Primer: Kako vidimo boje? Uz pomoć naučne simulacije napravite čitavu dugu kombinacijom crvene, zelene i plave svetlosti. Promenite talasnu dužinu monohromatskog zraka ili filtrirajete belu svetlost. Posmatrajte svetlost kao zrak ili fotone…

Како видимо боје скриншот

Primer: Uz pomoć naučne simulacije pokušajte da otkrijte kako vidimo boje…

Kvantna fizika, atomska fizika i fizika molekula – proučavaju kretanja u mikrosvetu.

Primer: uz pomoć naučne simulacije pokušajte da otkrijete zašto kvantne čestice tuneluju kroz barijeru (prolaze kroz prepreku kao da je nema)? Istražite talasne funkcije i osobine čestica…

КВАНТНИ ТУНЕЛ ЕФЕКАТ И ТАЛАСНИ ПАКЕТ скриншот

Primer: Uz pomoć naučne simulacije analizirajte kvantni tunel efekat i talasni paket


Nuklearna fizika i fizika elementarnih čestica – proučavaju subatomski svet odnosno pojave na nivou atomskih jezgara.

Primer: Analizirajte nuklearni raspad uz pomoć naučne simulacije. Pokrenite lančanu reakciju ili upoznajte ne-radioaktivne izotope sa ciljem da sprečite lančanu reakciju. Kontrolišite proizvodnju energije u nuklearnom reaktoru…

Нуклеарни распад скриншот

Primer: Analizirajte nuklearni raspad uz pomoć naučne simulacije

Osobine gasova

gas

Molekuli idealnog gasa u jediničnoj zapremini, kreću se u svim pravcima podjednako. slika: quantumfreak.com

Rastojanje između molekula gasa je veće od 10 exp(-10)m što odgovara radijusu međumolekularnog delovanja. Ako se delovanje između molekula zanemari – govorimo o modelu idealnog gasa a ako se delovanje između molekula uzima u obzir govorimo o realnom gasu.

U prirodi postoji 11 elemenata koji su gasovitom stanju pod normalnim uslovima. To su plemeniti gasovi (monoatomski) i dvoatomski.

periodni-1

Periodni sistem elemenata. Crvenom bojom je označeno 11 elemenata koji se u normalnim uslovima nalaze u gasovitom stanju. slika:http://www.readbag.com/helix-chem-bg-ac-rs-mmilcic-opsta-hemija-predavanje4

Fizičke veličine kojima se opisuje stanje gasa a mogu se meriti su: zapremina – V, temperatura – T i pritisak – P.

Zapremina gasa je jednaka zapremini suda. Gasovi nemaju stalnu zapreminu, već zauzimaju celokupnu  zapreminu suda u kome se nalaze. Molekuli gasa zauzimaju samo 0,1% od ukupne zapremine, ostalo je prazan prostor. Zato se gasovi mogu sabijati.

Temperatura je mera zagrejanosti tela. Kog gasova temperatura zavisi isključivo od kinetičke energije molekula gasa. Temperaturu merimo termometrom.

Pritisak nastaje zbog međusobnog sudaranja molekula kao i zbog sudara između molekula i suda u kome se gas nalazi. Gas vrši pritisak na sud u kome se nalazi i taj pritisak se može izmeriti. Pritisak je po definiciji brojno jednak sili koja deluje po jedinici površine (P=F/S). Pritisak gasa je isti u celom sudu.

Kako merimo pritisak gasa?

Manometar je uređaj za merenje pritiska gasa većeg od atmosferskog. Manometar može biti sa otvorenim i zatvorenim krajem. Princip rada je isti i zasnovan na principu spojenih sudova. Cev oblika slova U je ispunjena tečnošću (voda, živa ili alkohol). Jedan kraj cevi je otvoren ili zatvoren a drugi spojen sa sudom u kome se nalazi gas čiji pritisak merimo. Tečnost u cevi se pomera u zavisnosti od razlike pritisaka na krajevima cevi. Merenje pritiska gasa ili atmosferskog pritiska prikazano je na slici:

Barometar je uređaj za merenje atmosferskog pritiska. Vakumometar je uređaj za merenje pritiska manjeg od atmosferskog.

Površinski napon

Površinski napon nastaje na graničnoj površini između tečnosti i gasova kao posledica međumolekularnih sila i teži da smanji površinu tečnosti.

Na slici se vidi kako je rezultujuća sila između molekula u unutrašnjosti tečnosti jednaka nuli, što nije slučaj na površini tečnosti. Upravo je to razlog zbog kojeg nastaje sila površinskog napona koja vuče molekule sa površine vode ka unutrašnjosti i čini da se tečnost ponaša kao elastična membrana.

povrsinski napon

Molekuli tečnosti na površini i u unutrašnjosti nisu izloženi delovanju iste rezultujuće sile, slika: sr.wikipedia.org

Koeficjent površinskog napona je mera površinskog napona tečnosti.

Definiše se na dva načina:

  1. Koeficjent površinskog napona brojno je jednak sili površinskog napona po jedinici dužine granične linije tečnosti; γ=F/Δl; jedinica N/m
  2. Koeficjent površinskog napona brojno je jednak radu izvršenom pri promeni površine tečnosti za jediničnu vrednost; γ=A/ΔS; jedinica J/m2

Koeficjent površinskog napona zavisi od prirode (hemijskog sastava) tečnosti i temperature. Površinski napon opada sa povećanjem temperature.

tabela-1

Sa porastom temperature tečna tela povećavaju svoju zapreminu zbog povećanja međumolekulskih rastojanja.

Primeri površinskog napona (neke od ovih primera možete probati i sami kod kuće):

1. Na primer pokušajte da stavite novčić na površinu vode. Šta će se desiti? Novčić ostaje na površini vode baš zbog sila površinskog napona.

coin_on_water

novčić na površini vode, slika: sr.wikipedia.org

2.  Insekt male mase stoji na površini vode. Kako? Naravno, zahvaljujući sili površinskog napona

Paarung_crop

insekt na površini vode, slika: sr.wikipedia.org

3. Metalna spajalica na površini vode stoji zbog delovanja sile površinskog napona

120px-Surface_Tension_01

Metalna spajalica na površini vode, slika: sr.wikipedia.org

4. Mehurić od sapunice

soap_bubble_1

Mehurić od sapunice, savršen sferni oblik, slika: sr.wikipedia.org

5. Jutarnja rosa

92px-Dew_on_a_Equisetum_fluviatile_Luc_Viatour

Savršene sfere jutarnje rose, slika: sr.wikipedia.org

U poslednja dva primera primećujemo da tečnost formira savršene sfere. Zašto se to događa?

Zato što je za formiranje sfere potrebna najmanja moguća energija (manja nego za formiranje bilo kog drugog oblika upravo zbog najmanje površine). Na taj način „priroda štedi energiju“.

Hukov zakon

Normalan napon je srazmeran relativnom istezanju.

Normalan napon: σ=F/S

Relativno istezanje: ε=ΔL/L

Grafik zavisnosti relativnog istezanja od normalnog napona

hukov-grafik novo

Eksperimentalni grafik Hukovog zakona

OA –oblast u kojoj  važi Hukov zakon (oblast proporcionalnosti)

AB – oblast u kojoj ne važi Hukov zakon

OB – oblast elastičnih deformacija

Normalni napon u tački A naziva se granica proporcionalnosti, a u tački B- granica elastičnosti

BC-plastične deformacije

CD- telo se ponaša kao fluid (ne pruža otpor promeni dužine)

Iznad tačke D raste otpor istezanju

E-granica čvrstine tela (pri tom naponu dolazi do kidanja tela)

Elastičnost čvrstih tela je posledica svojstava međumolekulskih sila i strukture tela.

Uzajamno delovanje molekula

Molekuli su složeni sistemi sastavljeni od elektrona i atomskih jezgara. Na malim rastojanjima dolazi do uzajamnog električnog delovanja molekula – elektrona i jezgara jednog sa elektronima drugog molekula. To su sile kratkog dometa: molekuli deluju samo na svoje najbliže susede.


Grafik zavisnosti rezultantne sile od sila privlačenje (ispod x ose) i odbijanja (iznad x ose)

grafik-zavisnosti-novo

Grafik zavisnosti rezultantne sile od sila privlačenja i odbijanja dva molekula A i B od rastojanja x između njihovih centara

Molekuli su obeleženi sa A i B

X0 – položaj stabilne ravnoteže molekula

Xm- radijus molekulskog delovanja je reda veličine 10exp(-10)m

Agregatnja stanja

Čvrsto agregatno stanje: molekuli se nalaze u položajima koji prave kristalnu rešetku. Molekuli mogu da osciluju oko položaja ravnoteže. Zagrevanjem tela povećava se njegova unutrašnja energija, amplitude oscilovanja rastu što utiče na porast udaljenosti između molekula.

Tečno agregatno stanje: rastojanja između molekula su velika i kristlna rešetka je razrušena. Molekuli imaju veću slobodu kretanja (mogu da razmene mesta ili klize jedni uz druge) ali ne mogu da se udalje na rastojanja veća od radijusa molekularnog delovanja.

Gasovito agregatno stanje: molekuli se kreću slobodno i na rastojanjima većim od radijusa molekularnog delovanja. Sile uzajamnog delovanja molekula mogu da se zanemare.

Ponovite gradivo i zabavite se uz naučnu simulaciju:

Međumolekulsko delovanje i agregatna stanja na Engleskom jeziku pogledajte na:

Oblak oznaka

%d bloggers like this: