Przejdź do treściPrzejdź do informacji o dostępnościMenu skrótów klawiszowych
Logo OpenStax

Spis treści
  1. Przedmowa
  2. Optyka
    1. 1 Natura światła
      1. Wstęp
      2. 1.1 Rozchodzenie się światła
      3. 1.2 Prawo odbicia
      4. 1.3 Załamanie
      5. 1.4 Całkowite wewnętrzne odbicie
      6. 1.5 Rozszczepienie
      7. 1.6 Zasada Huygensa
      8. 1.7 Polaryzacja
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    2. 2 Optyka geometryczna i tworzenie obrazu
      1. Wstęp
      2. 2.1 Obrazy tworzone przez zwierciadła płaskie
      3. 2.2 Zwierciadła sferyczne
      4. 2.3 Obrazy tworzone przez załamanie promieni światła
      5. 2.4 Cienkie soczewki
      6. 2.5 Oko
      7. 2.6 Aparat fotograficzny
      8. 2.7 Proste przyrządy powiększające
      9. 2.8 Mikroskopy i teleskopy
      10. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
    3. 3 Interferencja
      1. Wstęp
      2. 3.1 Doświadczenie Younga z dwiema szczelinami
      3. 3.2 Matematyczny opis interferencji
      4. 3.3 Interferencja na wielu szczelinach
      5. 3.4 Interferencja w cienkich warstwach
      6. 3.5 Interferometr Michelsona
      7. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    4. 4 Dyfrakcja
      1. Wstęp
      2. 4.1 Dyfrakcja na pojedynczej szczelinie
      3. 4.2 Natężenie światła w dyfrakcji na pojedynczej szczelinie
      4. 4.3 Dyfrakcja na podwójnej szczelinie
      5. 4.4 Siatki dyfrakcyjne
      6. 4.5 Otwory kołowe i rozdzielczość
      7. 4.6 Dyfrakcja rentgenowska
      8. 4.7 Holografia
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
  3. Fizyka współczesna
    1. 5 Teoria względności
      1. Wstęp
      2. 5.1 Niezmienność praw fizyki
      3. 5.2 Względność jednoczesności zdarzeń
      4. 5.3 Dylatacja czasu
      5. 5.4 Skrócenie długości w szczególnej teorii względności
      6. 5.5 Transformacja Lorentza
      7. 5.6 Względność prędkości w szczególnej teorii względności
      8. 5.7 Relatywistyczny efekt Dopplera
      9. 5.8 Pęd relatywistyczny
      10. 5.9 Energia relatywistyczna
      11. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
    2. 6 Fotony i fale materii
      1. Wstęp
      2. 6.1 Promieniowanie ciała doskonale czarnego
      3. 6.2 Efekt fotoelektryczny
      4. 6.3 Efekt Comptona
      5. 6.4 Model atomu wodoru Bohra
      6. 6.5 Fale de Broglie’a
      7. 6.6 Dualizm korpuskularno-falowy
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
    3. 7 Mechanika kwantowa
      1. Wstęp
      2. 7.1 Funkcje falowe
      3. 7.2 Zasada nieoznaczoności Heisenberga
      4. 7.3 Równanie Schrӧdingera
      5. 7.4 Cząstka kwantowa w pudełku
      6. 7.5 Kwantowy oscylator harmoniczny
      7. 7.6 Tunelowanie cząstek przez bariery potencjału
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    4. 8 Budowa atomu
      1. Wstęp
      2. 8.1 Atom wodoru
      3. 8.2 Orbitalny magnetyczny moment dipolowy elektronu
      4. 8.3 Spin elektronu
      5. 8.4 Zakaz Pauliego i układ okresowy pierwiastków
      6. 8.5 Widma atomowe i promieniowanie rentgenowskie
      7. 8.6 Lasery
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
    5. 9 Fizyka materii skondensowanej
      1. Wstęp
      2. 9.1 Rodzaje wiązań cząsteczkowych
      3. 9.2 Widma cząsteczkowe
      4. 9.3 Wiązania w ciałach stałych
      5. 9.4 Model elektronów swobodnych w metalach
      6. 9.5 Teoria pasmowa ciał stałych
      7. 9.6 Półprzewodniki i domieszkowanie
      8. 9.7 Przyrządy półprzewodnikowe
      9. 9.8 Nadprzewodnictwo
      10. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    6. 10 Fizyka jądrowa
      1. Wstęp
      2. 10.1 Własności jądra atomowego
      3. 10.2 Energia wiązania jądra
      4. 10.3 Rozpad promieniotwórczy
      5. 10.4 Procesy rozpadu
      6. 10.5 Rozszczepienie jądra atomowego
      7. 10.6 Fuzja jądrowa
      8. 10.7 Skutki biologiczne i zastosowania medyczne promieniowania jądrowego
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    7. 11 Fizyka cząstek elementarnych i kosmologia
      1. Wstęp
      2. 11.1 Wstęp do fizyki cząstek elementarnych
      3. 11.2 Zasady zachowania w fizyce cząstek elementarnych
      4. 11.3 Kwarki
      5. 11.4 Akceleratory i detektory cząstek
      6. 11.5 Model standardowy
      7. 11.6 Wielki Wybuch
      8. 11.7 Ewolucja wczesnego Wszechświata
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
  4. A Jednostki
  5. B Przeliczanie jednostek
  6. C Najważniejsze stałe fizyczne
  7. D Dane astronomiczne
  8. E Wzory matematyczne
  9. F Układ okresowy pierwiastków
  10. G Alfabet grecki
  11. Rozwiązania zadań
    1. Rozdział 1
    2. Rozdział 2
    3. Rozdział 3
    4. Rozdział 4
    5. Rozdział 5
    6. Rozdział 6
    7. Rozdział 7
    8. Rozdział 8
    9. Rozdział 9
    10. Rozdział 10
    11. Rozdział 11
  12. Skorowidz nazwisk
  13. Skorowidz rzeczowy
  14. Skorowidz terminów obcojęzycznych

Podsumowanie

  • Fizyka relatywistyczna (teoria względności) opisuje, w jaki sposób obserwatorzy w dwóch różnych układach odniesienia widzą to samo zdarzenie.
  • Układ inercjalny jest układem odniesienia, w którym ciało będące w spoczynku pozostaje w spoczynku, a ciało w ruchu porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, jeżeli nie wpływa na nie żadna zewnętrzna siła.
  • Współczesna teoria względności jest podzielona na dwie części. Szczególna teoria względności opisuje układy poruszające się ruchem jednostajnym (nieprzyspieszonym), natomiast ogólna teoria względności bierze pod uwagę układy nieinercjalne i występowanie grawitacji. Postulaty fizyki relatywistycznej są potwierdzone doświadczalnie, a przy założeniu niskich prędkości i słabej grawitacji z dużą dokładnością odpowiadają przewidywaniom fizyki klasycznej (względność Galileusza).
  • Fizyka relatywistyczna jest oparta na dwóch postulatach Einsteina. Pierwszy z nich mówi o unifikacji praw fizyki we wszystkich układach inercjalnych. Drugi mówi, że niezależnie od układu odniesienia i kierunku światło porusza się z prędkością cc c.
  • W 1887 roku Michelson i Morley udowodnili eksperymentalnie, że prędkość światła w próżni nie zależy od ruchu Ziemi wokół Słońca.
  • Dwa zdarzenia nazwiemy jednoczesnymi, jeżeli obserwator stwierdza, że wydarzyły się w tym samym momencie.
  • Dwa zdarzenia zachodzące w jakiejś odległości od siebie i zachodzące w tym samym czasie dla pewnego obserwatora w jednym układzie odniesienia nie muszą być jednoczesne w innym układzie odniesienia. Jednoczesność zdarzeń w szczególnej teorii względności nie jest bezwzględna.
  • Dylatacją czasu nazwiemy wydłużenie czasu pomiędzy dwoma zdarzeniami, obserwowane z poruszającego się układu odniesienia w stosunku do układu spoczynkowego (układu, w którym oba zdarzenia zachodzą w tym samym miejscu).
  • Obserwatorzy poruszający się względem siebie z prędkością vv v nie rejestrują takiego samego upływu czasu pomiędzy dwoma zdarzeniami. Czas własny ΔτΔτ \prefop{\Delta} \tau to czas trwania zdarzenia mierzony przez obserwatora, w którego układzie odniesienia początek i koniec zdarzenia zachodzą w tym samym miejscu. Czas ΔtΔt \prefop{\Delta} t mierzony przez obserwatora, względem którego przemieszcza się układ spoczynkowy zdarzeń z prędkością vv v , jest powiązany z czasem własnym ΔτΔτ \prefop{\Delta} \tau następującą zależnością
    Δt=Δτ1v2c2=γΔτ,Δt=Δτ1v2c2=γΔτ, \prefop{\Delta} t = \frac{\prefop{\Delta} \tau}{\sqrt{1-v^2/c^2}} = \gamma \prefop{\Delta} \tau \text{,}
    gdzie γ=11v2c2γ=11v2c2 \gamma = 1/ \sqrt{1-v^2 / c^2}.
  • Pozorność paradoksu bliźniąt kryje się w jego błędnych założeniach. Jako że bliźniak astronauta porusza się ruchem przyspieszonym i opóźnionym, sytuacja bliźniąt nie jest symetryczna.
  • Dylatacja czasu zachodzi zawsze, ale przy małych prędkościach jej wpływ można pominąć.
  • Czas własny to najkrótszy odcinek czasu łączący dwa zdarzenia. Obserwator poruszający się względem zdarzenia zawsze zaobserwuje większy upływ czasu niż w przypadku czasu własnego.
  • Prędkość względna jest taka sama dla wszystkich obserwatorów.
  • Na zmierzoną odległość wpływa ruch obserwatora. Długość własna L0L0 L_0 określa odległość między dwoma punktami mierzoną przez obserwatora będącego w spoczynku względem obu punktów.
  • Skrócenie długości to inaczej zmniejszenie obserwowanej długości LL L zdarzenia w stosunku do jego długości własnej L0L0 L_0, gdy długość ta mierzona jest w układzie odniesienia poruszającym się z prędkością względną vv v.
  • Długość własna jest największą możliwą odległością między dwoma punktami. Obserwator poruszający się względem zdarzenia zawsze zaobserwuje mniejszą odległość od długości własnej.
  • Transformacja Galileusza opisuje, w jaki sposób z wykorzystaniem mechaniki klasycznej opisać współrzędne, prędkość i przyspieszenie mierzone w jednym układzie odniesienia, widziane przez obserwatora w innym układzie odniesienia. Długości pozostają niezmienione, a czas mierzony jest względem jednej uniwersalnej skali.
  • Zasady mechaniki Newtona zostają zachowane we wszystkich układach inercjalnych po zastosowaniu transformacji Galileusza: x=x+vtx=x+vt x = x' + v t, y=yy=y y = y', z=zz=z z = z', t=tt=t t = t'.
  • Pojęcia czasu i odległości są takie same we wszystkich układach inercjalnych zgodnie z transformacją Galileusza. Transformacja ta jednak nie jest zgodna z postulatami szczególnej teorii względności.
  • Poprawnym przekształceniem z punktu widzenia fizyki relatywistycznej jest transformacja Lorentza. Wzory opisujące ją otrzymujemy poprzez zapewnienie takiej samej formy rozchodzącemu się sferycznie sygnałowi świetlnemu w obu układach odniesienia.
    Transformacja LorentzaObrót wokół osi z(współrzędne xt):(współrzędne xy):x=γxβγctx=xcosθ+ysinθct=βγx+γcty=xsinθ+ycosθTransformacja LorentzaObrót wokół osi z(współrzędne xt):(współrzędne xy):x=γxβγctx=xcosθ+ysinθct=βγx+γcty=xsinθ+ycosθ \begin{matrix} \text{Transformacja Lorentza} & \text{Obrót wokół osi } z \\ \text{(współrzędne } (x, t) \text{):} & \text{(współrzędne } (x, y) \text{):} \\ x' = \gamma x - \beta \gamma c t & x' = x \cos \theta + y \sin \theta \\ c t' = - \beta \gamma x + \gamma c t & y' = -x \sin \theta + y \cos \theta \end{matrix}
  • Zjawiska relatywistyczne można wyjaśnić w odniesieniu do geometrycznych własności czterowymiarowej czasoprzestrzeni, w której transformacja Lorentza odpowiada obrotom osi. Z tą różnicą, że w przypadku transformacji Lorentza niezmiennikiem jest ΔsΔs \prefop{\Delta} s, a nie odległość ΔrΔr \prefop{\Delta} r, co więcej – transformacja Lorentza nie zachowuje skali osi ani ich prostopadłości względem siebie.
  • Analiza zjawisk relatywistycznych w odniesieniu do czasoprzestrzeni pozwala twierdzić, że zjawiska te są naturalnym następstwem istnienia czasoprzestrzeni, a nie konsekwencją skomplikowanych procesów fizycznych.
  • W klasycznym podejściu prędkości dodawane są jak zwyczajne liczby; w przypadku jednowymiarowego ruchu: u=v+uu=v+u u = v + u', gdzie vv v jest prędkością względną między obserwatorami, uu u to prędkość ciała w ruchu względem jednego z obserwatorów, a uu u' odpowiada prędkości tego ciała względem drugiego obserwatora.
  • Dodawanie prędkości nie może dać wyniku większego od prędkości światła.
  • Relatywistyczne dodawanie prędkości opisuje prędkości bliskie prędkości światła.
  • Obserwator zauważa relatywistyczny efekt Dopplera dla fal elektromagnetycznych, jeżeli źródło tych fal przemieszcza się względem niego. Obserwowana długość fali może być dłuższa od rzeczywistej, gdy źródło oddala się od obserwatora (przesunięcie ku czerwieni) lub krótsza, gdy źródło przemieszcza się w stronę obserwatora (przesunięcie ku fioletowi). Przesunięcie opisywane jest wzorem
    λobs=λźr1+vc1vc,λobs=λźr1+vc1vc, \lambda_{\text{obs}} = \lambda_{\text{źr}} \sqrt{\frac{1 + \frac{v}{c}}{1- \frac{v}{c}}} \text{,}
    gdzie λobsλobs \lambda_{\text{obs}} to długość fali obserwowanej, λźrλźr \lambda_{\text{źr}} to długość fali źródła, a vv v to prędkość źródła względem obserwatora.
  • Zasada zachowania pędu obowiązuje także w przypadku pędu relatywistycznego, gdy zewnętrzna siła wypadkowa jest równa zero. Pęd relatywistyczny danego ciała wyraża się wzorem p=γmup=γmu p = \gamma m u, gdzie mm m to masa spoczynkowa, a uu u to prędkość ciała względem obserwatora; czynnik relatywistyczny γ=11u2c2γ=11u2c2 \gamma = 1/ \sqrt{1 - u^2/c^2}.
  • Dla małych prędkości pęd relatywistyczny można uprościć do klasycznego.
  • Pęd relatywistyczny dąży do nieskończoności, gdy uu u dąży do cc c. Oznacza to, że ciało o niezerowej masie nie może osiągnąć prędkości światła.
  • Zależność masy i energii w ujęciu relatywistycznym wyraża się wzorem na relatywistyczną energię kinetyczną Ek rel=EE0=γmc2mc2=γ1mc2Ek rel=EE0=γmc2mc2=γ1mc2 E_{\text{k rel}} = E - E_0 = \gamma m c^2 - mc^2 = (\gamma - 1) m c^2.
  • Ciało o masie mm m i prędkości uu u posiada energię kinetyczną Ek rel=γ1mc2Ek rel=γ1mc2 E_{\text{k rel}} = (\gamma - 1) m c^2, gdzie γ=11u2c2γ=11u2c2 \gamma = 1/\sqrt{1- u^2/c^2}.
  • Dla małych prędkości relatywistyczna energia kinetyczna przyjmuje formę klasycznej energii kinetycznej.
  • Żadne ciało o niezerowej masie nie może osiągnąć prędkości światła, ponieważ energia potrzebna do przyspieszenia go do takiej prędkości ma wartość nieskończoną.
  • Energia relatywistyczna jest zachowana, gdy weźmiemy pod uwagę, że masa może być zamieniona w energię.
  • Całkowita energia cząstki o masie mm m poruszającej się z prędkością uu u wynosi E=γmc2E=γmc2 E = \gamma m c^2, gdzie γ=11u2c2γ=11u2c2 \gamma = 1/\sqrt{1- u^2/c^2}.
  • Energia spoczynkowa ciała o masie mm m wynosi E0=mc2E0=mc2 E_0 = mc^2, co oznacza, że masa jest pewną formą energii. Jeśli energia jest magazynowana w ciele, to masa tego ciała wzrasta. Masa może być zniszczona, aby uwolnić energię w niej związaną.
  • Zazwyczaj nie zauważamy wzrostu lub ubytku masy, bo zmiana ta jest bardzo mała nawet dla dużych zmian energii. Równanie E2=pc2+mc22E2=pc2+mc22 E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2 wiąże ze sobą całkowitą energię relatywistyczną EE E i relatywistyczny pęd pp p . Przy bardzo dużych prędkościach energię spoczynkową można pominąć, wówczas E=pcE=pc E = pc.
Cytowanie i udostępnianie

Ten podręcznik nie może być wykorzystywany do trenowania sztucznej inteligencji ani do przetwarzania przez systemy sztucznej inteligencji bez zgody OpenStax lub OpenStax Poland.

Chcesz zacytować, udostępnić albo zmodyfikować treść tej książki? Została ona wydana na licencji Uznanie autorstwa (CC BY) , która wymaga od Ciebie uznania autorstwa OpenStax.

Cytowanie i udostępnienia
  • Jeśli rozpowszechniasz tę książkę w formie drukowanej, umieść na każdej jej kartce informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-3/pages/1-wstep
  • Jeśli rozpowszechniasz całą książkę lub jej fragment w formacie cyfrowym, na każdym widoku strony umieść informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-3/pages/1-wstep
Cytowanie

© 21 wrz 2022 OpenStax. Treść książki została wytworzona przez OpenStax na licencji Uznanie autorstwa (CC BY) . Nazwa OpenStax, logo OpenStax, okładki OpenStax, nazwa OpenStax CNX oraz OpenStax CNX logo nie podlegają licencji Creative Commons i wykorzystanie ich jest dozwolone wyłącznie na mocy uprzedniego pisemnego upoważnienia przez Rice University.