מבוא לפיזיקה
פיזיקה-מדע של הטבע במובן הרחב ביותר. מיונית : פיזיקוז שפירושו טבעי
הפיזיקה יוצאת מתוך הנחה שהתבונה האנושית מסוגלת לתת הסבר לעולם הגשמי
מחפשת אחר סדר ומשמעות בעולם שמסביבנו הגישה המדעית מחפשת אחר סדר ומשמעות בעולם שמסביבנו
סטיבן הוקינג הפיזיקאי התיאורטי הגדול ביותר מאז איינשטיין
הגדיר את מהותה של תיאוריה מדעית כך: "תיאוריה היא דגם של היקום או חלק ממנו בצירוף סדרת כללים המקשרת בין הגורמים הכמותיים בדגם לבין תצפיותינו ביקום. "
הדגם קיים רק בשכלנו ואין לו שום ממשות אחרת.
תכליתו הסופית של המדע היא לספק תיאוריה אחת המתארת את היקום כולו." כל תיאוריה פיזיקלית היא זמנית, משום שהיא השערה שלעולם אי אפשר להוכיח אותה. אין זה משנה כמה פעמים יעלו תוצאות הניסויים בקנה אחד עם התיאוריה, לעולם אין לדעת מתי הניסוי הבא יפריך את התיאוריה. מספיקה תצפית אחת החולקת על התיאוריה כדי לנטוש אותה או להכניס בה שינויים. תכליתו הסופית של המדע היא לספק תיאוריה אחת המתארת את היקום כולו."
המחקר הפיזיקלי עוסק בחקר מבנה היקום והתהליכים המתרחשים בתוכו.
התנהגות החומר והאנרגיה, קשרי הגומלין ביניהם וההשפעה הנגזרת מכך על הסובב.
מקובל להבחין בשני תחומים עיקריים בעולם הפיזיקה: הפיזיקה הקלאסית והפיזיקה המודרנית. המודרנית כוללת תחומים כתורת היחסות ומכניקת הקוונטים. הקלאסית מכילה תחומים כמכניקה, תורת החשמל ותרמודינמיקה.
כוללת מספר משוואות מתמטיות, שבאמצעותן אפשר לחשב מראש תוצאות של ניסויים תיאוריה פיזיקלית כוללת מספר משוואות מתמטיות, שבאמצעותן אפשר לחשב מראש תוצאות של ניסויים התיאוריה מקשרת בין מערכת גדלים פיזיקליים ומנבא את הקשרים ביניהם.
גדלים פיסיקליים ויחידות פיסיקליות גודל פיזיקלי או כמות פיזיקלית הנה תכונה של גוף או (באופן כללי) של מערכת פיזיקלית. הפיזיקה מבוססת על תצפיות ניסיוניות ומדידה של גדלים פיזיקליים שונים, חקר הקשרים שבניהם וניסוח קשרים אלה בשפה מתמטית. את המדידה של הגודל פיזיקלי יש לעשות במרב הדיוק.
לעשות במרב הדיוק. ??? ?
מה האורך של הנמלה?
כל מדידה אינה יכולה להיות מדויקת, תמיד יש שגיאת מדידה
כשאנחנו אומרים שהגודל שווה ל 1 האם זה קטן או גדול? מדידה זה דבר יחסי כשאנחנו אומרים שהגודל שווה ל 1 האם זה קטן או גדול? כמובן שזה יכול להיות קטן ביחס למיליון וענק ביחס למיליונית. אותה סיפרה אבל מתייחסת אחרת לגדלים שונים. Robert Wadlow 2.72 מטר
המאפיין את כל הערכים הפיזיקליים הוא: האפשרות להימדד באופן כמותי, באופן ישיר ובאופן עקיף לעומת ערכים שאינם פיזיקליים כמו יופי, אהבה...
אנו צריכים שלכל גורם פיזיקלי תהינה יחידות. כדי ששני אנשים שונים המודדים את אותו הגורם (אורך למשל) יוכלו להשוות את מדידותיהם – אנו צריכים שלכל גורם פיזיקלי תהינה יחידות. אין זה חשוב כיצד מוגדרות היחידות, כל זמן שכולם ישתמשו באותה היחידה.
יחידות מידה הם גודל מוסכם וקבוע, המשמש למדידת מאפיין של ערך פיזיקלי כלשהו באמצעות מכשירי מדידה. מרבית יחידות המידה אינן מבוססות על גודל טבעי אוניברסלי, אלא מהסכמה חברתית. עם התפתחות המדע, נוצר צורך ביצירת יחידות מידה שתהיינה אוניברסליות ומוסכמות על כל האנושות.
למרות הצורך בשיטת יחידות אחידה, היה קשה להגיע להסכמה. ונוצרו שתי שיטות עיקריות . שיטת המדידה הצרפתית מבוססת על שיטה עשרונית. מטר כיחידות אורך וגרם כיחידת משקל. שיטת המדידה הבריטית אינץ' , רגל , יארד ומייל כיחידות אורך. ליברה (פאונד) ואונקיה כיחידות משקל.
איזו שיטה נוחה יותר? שיטת המדידה הבריטית לאורך שיטת המדידה הצרפתית לאורך היחידות לאורך הם: מטר, קילומטר, סנטימטר, מילימטר ... 100 סנטימטר = 1 מטר 1,000 מטר = 1 קילומטר שיטת המדידה הבריטית לאורך היחידות לאורך הם: אינץ' , רגל, יארד, מייל. 12 אינץ' = 1 רגל. 3 רגל = 1 יארד. 170 יארד = 1 מייל. נסו לחשב: 27 אינץ' + 4.5 רגל + 5 יארד + 3 מייל. 30 מ"מ + 1 ס"מ + 10 מטר + 0.5 קילומטר. איזו שיטה נוחה יותר?
כיום אנו משתמשים בשיטה המטרית SI (International System of Unit). בשיטה זו אנו משתמשים במערכת היחידות M.K.S שראשי התיבות שלה הנם האותיות הראשונות של שלושת יחידות המידה הבסיסיות במכניקה (Meter , Kg , Sec).
לפי השיטה על יחידת מדידה יכולה לגדול / לקטון בכפולות של 10, כאשר לכל כפולה קיימת אות המייצגת אותה. קידומת חזקה של 10 סימון ג'יגה 109 G מגה 106 M קילו 103 k סנטי 10-2 c מילי 10-3 m מיקרו 10-6 μ נאנו 10-9 n פיקו 10-12 p
הגדרת המטר בשנת 1791 הוגדר המטר על-ידי האקדמיה הצרפתית באופן הבא: החלק ה- 10,000,000 של כדה"א מהקוטב הצפוני עד לקו המשווה לאורך קו האורך של פריז. מאחר וטענו כי הגדרה זו אינה מדויקת כלל בשנת 1889 הוגדר המטר במרחק בין שני פסים על מוט העשוי מסגסוגת של פלטינה ואירידיום (מוט זה נשמר בפריז במוזיאון למשקלים ומידות)
בשנת 1983 הוגדר המטר כמרחק שעובר האור בריק במשך זמן של 1/299,792,458 שניות.
יחידות אורך מקובלות שנת אור שווה למרחק שהאור עובר במשך שנה אחת שנת אור שווה למרחק שהאור עובר במשך שנה אחת יחידה אסטרונומית גודלה של יחידה אסטרונומית אחת הוא כמרחקו הממוצע של כדור הארץ מהשמש קילומטר יחידה מידה למרחקים על-פני כדור הארץ סנטימטר משמשת למדידת חפצים קטנים. מילימטר משמש למדידת דיוק גדול יותר מיקרון יחידת מידה לעצמים שאינם גלויים לעין (למשל, בקטריות) ננומטר אורך הגל של אור נראה נמדד במאות ננומטרים. אנגסטרום יחידת מידה למרחקים באטום.
הגדרת השנייה בשנת 1967 הוגדרה השנייה כ- 9,192,631,770 מחזורי מעבר (תדירות רטט) בין שתי רמות אנרגיה של אטום צסיום 133 .
קטעי זמן אופייניים בפיזיקה-סדרי גודל גיל היקום גיל הארץ שנה מחזור גל שמע מחזור גל רדיו מחזור תנודה של אטום במוצק מחזור גל אור נראה זמן התנגשות גרעינית
הגדרת הקילוגרם קילוגרם אחד הוא המסה של גליל סגסוגת האירידיום והפלטינה אשר שמורה בלשכה הבינלאומית למידות ומשקלות. במקור הוגדר הקילוגרם כמסה של 1,000 סמ"ק (ליטר) של מים מזוקקים בטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס ובלחץ של אטמוספירה אחת. הקילוגרם מייצג את כמות המסה הנמצאת בגליל מתכת השמור בתנאי טמפרטורה ולחץ קבועים במוזיאון למידות ומשקלים בפריז.
אטמוספירה אחת מוגדרת כלחץ שמפעיל עמוד כספית בגובה של 760 מ"מ, והיא שווה ל-101,325 פסקל לערך. היחידה מבוססת (בקירוב) על הלחץ הממוצע שמפעילה אטמוספירת כדה"א בגובה פני הים. שימושה נפוץ במטאורולוגיה, באסטרונומיה, בצלילה ובתחומים אחרים.
מסות של עצמים-סדרי גודל היקום הנראה שביל החלב-הגלקסיה שמש ארץ ירח אטום מימן פרוטון אלקטרון
יחידות מידה - פעולות כל משוואה פיזיקלית חייבת להיות מאוזנת מבחינת היחידות. כלומר, היחידות של אגף שמאל חייבים להיות זהים לאלו שבאגף ימין. כל פעולה מתמטית אינה כפעולה רגילה בין שני מספרים, אלא בין שני ערכים בעלי יחידות פיזיקליות. פעולות הכפל והחילוק בין ערכים פיזיקליים נעשית בנפרד על הכמויות ועל היחידות של הערכים הפיזיקליים ללא מגבלה, כאשר היחידה שמתקבלת מגדירה יחידה פיזיקלית חדשה, אך לא בהכרח בעלת משמעות פיזיקלית. פעולות החיבור והחיסור נעשות רק בין כמויות שונות של אותו ערך פיזיקלי. אסור לחבר או לחסר ערכים פיזיקליים שונים.
ערך (גודל) פיזיקלי כל ערך פיזיקלי מסמנים על ידי אות באנגלית : F,P,V,t… כל ערך פיזיקלי אפשר למדוד, לכן לכל ערך פיזיקלי קיימת יחידת מדידה בה הוא נמדד למשל: זמן: t = 2min , t = 40sec , t = 5hr ; מרחק: d = 20m , d = 3km
גדלי יסוד במכניקה אורך , זמן , מסה m , t , L במכניקה שלושת גודלי היסוד ע"פ בחירה הם : אורך , זמן , מסה m , t , L כל הגדלים האחרים במכניקה, ניתן לתאר בעזרת האורך, הזמן והמסה. מהירות ,תאוצה, כוח, תנע, אנרגיה ,הנם גדלים נגזרים.
קילומטר (km) , מטר (m) , ס"מ (cm) , יחידות מידה של אורך הם: קילומטר (km) , מטר (m) , ס"מ (cm) , מ"מ (mm) .
בשניות (sec) , דקות (min) , שעות (hr), ימים (day), שנים (year). זמן ניתן למדוד : בשניות (sec) , דקות (min) , שעות (hr), ימים (day), שנים (year).
יחידות המידה של המסה הן: ק"ג (kg) , ג"ר (gr) , טון (ton)
כאשר רוצים לעבור מיחידת מידה אחת לשנייה מציבים במקום היחידות הישנות את הנוסחה המקשרת עם היחידות החדשות.
דוגמאות:
נתון לנו גודל השווה ל 50(cm) מה ערכו במטרים?
למעשה הגודל 50cm מייצג את הפעולה : 50x1cm בכל 1cm יש 0.01m ואז נוכל לחשב את הפעולה הבאה:50x0.01m
נכתוב זאת בשלבים: 50cm=50x1cm 50cm=50x0.01m 50cm=0.5m
דוגמא נוספת: נתון לנו גודל השווה ל 13 (km) מה ערכו במילימטרים?
למעשה הגודל 13km מייצג את הפעולה : 13x1km בכל 1km יש 1000m ובכל 1m יש 1000mm לכן בכל 1km יש 100000mm נוכל לכתוב 106
עכשיו נכתוב זאת בשלבים: 13km=13x1km 13km=13x106mm
דוגמא נוספת: נתון לנו גודל השווה ל 42.5 (s) מה ערכו בשעות?
למעשה הגודל 42.5s מייצג את הפעולה : 42.5x1s בכל 1hr יש 3600s ולכן ב 1s יש
עכשיו נכתוב זאת בשלבים: 42.5s=42.5x1s
תשובה: 11.8·10-3(hr)
דוגמא נוספת: נתון לנו גודל השווה ל 5.6(day)2 מה ערכו ב דקות?
למעשה הגודל 5.6x(day)2 מייצג את הפעולה : 5.6x1dayx1day בכל 1day יש 24hr ובכל 1hr יש 60min לכן בכל 1day יש 24x60=1440min
עכשיו נכתוב זאת בשלבים: 5.6(day)2=5.6x(1440min)2 5.6·14402 (min)2
תשובה: 11.6·106(min)2
נתון לנו גודל השווה ל מצא את המהירות בקמ"ש כאשר יש לנו נתון פיזיקלי המורכב מכמה גדלים פיזיקלים שונים, המרת היחידות נעשית באופן דומה: נתון לנו גודל השווה ל מצא את המהירות בקמ"ש
מצא את A ביחידות של ק"מ, ג"ר ושעות איך נמיר את המשתנה הדמיוני הבא מצא את A ביחידות של ק"מ, ג"ר ושעות
שהפיזיקה עוזרת לנו לחשוב !!! אז מה למדנו היום? שהפיזיקה עוזרת לנו לחשוב !!!