Romualdas Karazija. Fizika humanitarams. I dalis, Klasikinė fizika
Romualdas Karazija. Fizika humanitarams. I dalis, Klasikinė fizika. – V.: TEV, 1996.
KUO FIZIKA ĮDOMI NEFIZIKUI?
Šiame vadovėlyje bandoma paneigti paplitusią nuomonę, kad fizika yra gana sausas ir nuobodus mokslas, reikalingas tik patiems fizikams bei inžinieriams. Knygoje supažindinama su įdomesniais ir bendresniais fizikos klausimais, tarp jų ir tokiais, kurie sieja fiziką su filosofija ir kitais mokslais, taip pat su įvairiomis fizikos taikymo sritimis.
Fizika įdomi tuo, kad ji atskleidžia bendriausius gamtos dėsningumus. Juk fizika tiria paprasčiausius objektus – atomus, daleles, laukus, iš kurių sudaryta visa gamta, taigi šis mokslas padeda įžvelgti gamtos reiškinių pirmines priežastis, suprasti pirminius elementus. Būtent fizika mėgina atsakyti į klausimus, kas yra materija, energija, laikas, erdvė, Visata.
Skverbdamasi į labai mažų ir didelių atstumų, labai žemų ir aukštų temperatūrų, didelių energijų ir greičių pasaulius, kuriuose galioja visai kitokie dėsningumai negu mūsų pojūčiais suvokiamame pasaulyje, fizika žymiai praplečia mūsų pažinimo ribas. Nereikia manyti, kad tie neregimi pasauliai tik nežymiai papildo – jie iš esmės keičia įprastinį pasaulio suvokimą. Tiesa, keista naujoji fizika bus daugiau nagrinėjama antrojoje vadovėlio dalyje, betgi norint ją suprasti, būtina suvokti klasikinę fiziką, dėstomą šioje dalyje.
Fizika įdomi tuo, kad bendri ir abstraktūs jos dėsniai labai plačiai taikomi. Pabandykite išvardyti reikalingiausius jums civilizacijos pasiekimus ir pamatysite, kad daugelį jų nulėmė fizikos atradimai. Jeigu burtininkui mostelėjus lazdele iš mūsų aplinkos staiga dingtų visi daiktai, kurie buvo sukurti remiantis fizikos dėsniais, tai sugrįžtume veik į viduramžius: neliktų televizorių ir radijo imtuvų, magnetofonų ir telefonų, šiuolaikinių transporto priemonių ir kompiuterių, netgi paprasčiausių elektros lempučių, termometrų ar šaldytuvų...Vadovėlyje pateikiama konkrečių fizikos žinių, paaiškinančių šiuolaikinių prietaisų veikimą, įgalinančių sutaupyti laiko ir jėgų praktinėje veikloje.
Fizika įdomi savo istorija, siekiančia du su puse tūkstančio metų. Vadovėlyje susipažinsite su painiomis, beveik detektyvinėmis atradimų istorijomis, žymiųjų mokslininkų gyvenimo ir kūrybos epizodais, iliustruojančiais mokslo kelius ir klystkelius.
Deja, prie įdomiojo fizikos branduolio sunku prasibrauti per griežtus apibrėžimus ir matematines formules. Juk fizika jau seniai tapo tiksliuoju mokslu, ir būtent matematiniai apibendrinimo metodai įgalino fizikus atskleisti bendrus dėsnius netgi mūsų pojūčiais nesuvokiamose srityse, kur intuityvus, asociatyvus pažinimas būtų bejėgis. Vis dėlto gautąsias fizikos formules galima aprašyti ir žodžiais, juk fizikinė prasmė yra svarbesnė už matematinę išraišką. Šiame vadovėlyje, skirtame humanitarams, linkusiems į vaizdinį mąstymą, stengiamasi naudoti tik pagrindines formules (kad fizika visai neprarastų matematinio skonio), ne tiek įrodyti, kiek parodyti. Deja, laimėdami vaizdumo, prarandame tikslumo, o kartais sudėtingi dalykai supaprastinami. <...>
Kiekviename skyriuje po pagrindinio, bendresnio teksto smulkesniu šriftu dviem skiltimis spausdinama keletas straipsnelių, kuriuose aprašomos atradimų istorijos, įdomūs fizikos reiškiniai, dėsnių taikymai, kartais ir sunkesnieji klausimai. <...> Žinioms patikrinti skyrių gale pateikiami klausimai, užduotys bandymams, temos diskusijoms. <...>
TURINYS
KUO FIZIKA ĮDOMI NEFIZIKUI?
- KAIP GAMTOS FILOSOFIJA VIRTO FIZIKA
Pirmoji fizikos sistema
Fizikos raidos vingiai – atradimai ir praradimai
Galilėjus – naujosios fizikos pradininkas
Pirmosios „Fizikos“ autorius
Pralenkusi laiką Aristarcho idėja
Renesansas mene ir moksle
Galilėjaus išsižadėjimas
Galilėjaus ryšiai su Lietuva
Saulės dėmės
Idealizacija fizikoje
Greitis, pagreitis, sparta
Vektorius – tai labai paprasta
Atskaitos sistema ir Galilėjaus reliatyvumo principas - TRYS DĖSNIAI, KURIAIS REMIASI MECHANIKA
Niutonas – mechanikos kūrėjas
Mechanikos pagrindai
Niutonas – mokslininkas ir žmogus
Jei nebūtų buvę Niutono...
Arklio ir vežimo paradoksas
Tūptraukis
Sudėtingo kūno judėjimas ir masės centras
Ar galima fizika be matematikos?
Paradigmos ir mokslo revoliucijos - VISUOTINĖ TRAUKA
Visuotinės traukos atradimas
Dangaus mechanika
Ar tikslus visuotinės traukos dėsnis?
Sukamasis judėjimas
Planetų kilpos
„Hipotezių aš neišgalvoju“
Pasaulis kaip gigantiška mašina
Kosminiai greičiai
Dirbtiniai Žemės palydovai - JĖGOS APLINK MUS
Jėgų įvairovė
Pagrindinės jėgos ir įvairūs jų pasireiškimai
Inercijos jėgos arba pseudojėgos
Jėgų sudėtis ir skaidymas
Laisvasis kritimas tuštumoje ir ore
Trintis blogai, be trinties dar blogiau
Rato išradimas
Slystanti lazdelė
Nesvarumas ir juodoji migla
Judėjimų sudėtis - KAIP VALDYTI JĖGAS?
Darbas fiziko požiūriu
Paprasčiausieji mechanizmai. Auksinė taisyklė ir sverto dėsnis
Kaip išlaikyti kūną stabilioje padėtyje?
Archimedo mašinos
Arkos stiprybė ir silpnumas
Įtempti virvę – neįveikiamas uždavinys
Dažytojas išradėjas
Kūnai, kurių neįmanoma apversti
Žmogaus, gyvūnų ir mašinų galia - DIDIEJI TVERMĖS DĖSNIAI
Tvermės dėsnių svarba
Masės tvermės dėsnis
Energija ir jos tvermė
Judėjimo kiekis ir jo tvermė
Judėjimo kiekio momento tvermės dėsnis
Tvermės dėsnių ryšys su erdvės ir laiko savybėmis
Ginčas, trukęs 50 metų
Dviejų rutuliukų susidūrimas ir neutrono atradimas
Skardinė – bumerangas ir save varantis vežimėlis
Automobilio stabdymo kelias - AMŽINASIS JUDĖJIMAS IR MEDŽIAGOS BŪSENOS
Atomų hipotezė ir šilumos reiškiniai
Dujos ir garai
Skysčiai
Kietieji kūnai
Medžiaga, iš kurios sudarytos žvaigždės
Dalelių šokis
Sifono veikimas
Siurbianti srovė
Mažos kiaušinio paslaptys
Glaudaus susitalpinimo žaidimas - MEDŽIAGOS VIRSMAI
Dujų suskystinimo istorija
Garai, drėgmė ir jos reguliavimas
Jautrūs kentaurai
Gyvybei svarbi anomalija
Kodėl neiššąla augalai? - ŠILUMA IR ŠALTIS
Įvairūs požiūriai į šilumos reiškinius
Temperatūra
Šiluminis laidumas
Konvekcija
Šiluminis spinduliavimas
Savitoji šiluma
Šiluminis skystis – kalorikas
Termometro istorija
Kodėl kalnų viršūnėse amžinas sniegas?
Gyvūnų dydis ir šilumos nuostoliai
Kaip išsaugoti šilumą namuose?
Naktinio matymo prietaisai. - TERMODINAMIKOS PRINCIPAI IR LIŪDNA AMŽINOJO VARIKLIO ISTORIJA
I termodinamikos dėsnis
II termodinamikos dėsnis
III termodinamikos dėsnis
Amžinojo variklio paieškos
Žaisliukas, netapęs garo mašina
Plačiausiai paplitęs variklis
Šaldytuvas, kondicionierius ir šilumos siurblys - Tvarka ir chaosas
Entropija ir jos didėjimo dėsnis
Entropijos prasmė
Visatos šiluminė mirtis
Laiko strėlė
Žmogus mažina entropiją?
Struktūrų susidarymas
Chaoso dėsningumai - SVYRAVIMAI IR BANGOS
Svyravimai ir jų charakteristikos
Bangų savybės
Paslaptingas rezonansas
Pažaiskime bangą
Bangos vandenyje
Vieniša banga – solitonas - GARSŲ PASAULIS
Garsų atsiradimas ir sklidimas
Fiziologinės ir fizikinės garsų charakteristikos
Garso bangų interferencija ir difrakcija
Doplerio efektas arba kodėl kinta pravažiuojančio automobilio sirenos garsas
Smūginė banga
Muzikos instrumentai ir garsai fizikos požiūriu
Kodėl gaudžia vandentiekio vamzdžiai? - GINČAI DĖL ŠVIESOS PRIGIMTIES
Optikos pradžia – nuo spėjimų link atradimų
Dviejų teorijų ginčas
Trečioji optikos atradimų banga
Akių spinduliai
Lūžio dėsnio istorija
Vaizdas veidrodyje
Šviesos greitis - SPALVŲ MĮSLĖ
Baltos šviesos išskaidymas
Spalvos charakteristikos
Pagrindinės spalvos
Daiktų ir dažų spalvos
Gėtės spalvų teorija
Spalvų suvokimas ir derinimas
Paprasta ir dviguba vaivorykštė
Žaliasis spindulys - LĘŠIAI, ŽIŪRONAI IR ŠVIESOLAIDŽIAI
Lęšis – svarbiausia optinių prietaisų dalis
Realusis lęšis – lupa
Fotoaparatas
Projektorius
Kelių lęšių optiniai prietaisai
Kamera obskura
Akis kaip optinis prietaisas
Akiniai jauniems ir seniems
Optinės iliuzijos
Šiuolaikiniai fotoaparatai
Šviesolaidžiai - GAMTOS ĮSLAPTINTI ELEKTROS KRŪVIAI IR LAUKAI
Elektros reiškinių atradimas ir svarba
Dviejų rūšių elektros krūviai
Elektros krūvių tvermės ir sąveikos dėsniai
Nuo gintaro traukos ligi Kulono dėsnio
Matematikos muziejus ir vieši bandymai jame
Įelektrinimo būdai
Elektrinis laukas
Kondensatorius, kurio talpa didesnė negu Žemės rutulio
Atmosferos elektra
Krūvių slaptaraštis, virstantis kopija - ELEKTROS SROVĖS PAGRINDINĖS SAVYBĖS
Elektros srovės ypatumai
Sąryšiai tarp elektros srovės charakteristikų
Elektros srovės šaltinio atradimas
Elektros elementai ir akumuliatoriai
Kokia elektra pavojinga žmogui?
Elektra mūsų namuose - MAGNETIZMAS IR JO RYŠYS SU ELEKTROS REIŠKINIAIS
Pirmos žinios, pirmosios hipotezės
Magnetinis laukas
Elektros srovės magnetinis veikimas. Magnetizmo prigimtis
Elektromagnetinė indukcija
Žemė – didžiulis magnetas
Ar magnetas gydo?
Elektros tyrinėjimai Vilniuje ir Gedučiuose
Generatoriai, transformatoriai ir motorai
Pirmoji elektrinė Lietuvoje - ELEKTROMAGNETINĖS BANGOS
Elektromagnetinių bangų atradimas
Elektromagnetinių bangų sritys
Saulės elektromagnetinis spinduliavimas
Radijo ABC
Žmogus – laukų ir bangų generatorius
Gyvieji organizmai nematomuose laukuose
Termometro istorija
Sunku patikėti, jog ligi XVI a. pabaigos termometrų nebūdavo ne tik rūmuose, bet ir fizikų laboratorijose. Nors medikai ir žinojo, kad susirgus kyla karštis, bet buvo manoma, kad kūno temperatūra priklauso nuo žmogaus temperamento ir net gyvenamosios vietos platumos. Beje temperatūra lotyniškai reiškia teisingą santykį. Šį terminą senovės gydytojas Hipokratas panaudojo apibūdinti normaliai žmogaus kūno būsenai, kurią atitinka teisingas santykis keturių pirminių skysčių – kraujo, gleivių, juodosios tulžies ir geltonosios tulžies.
Pirmąjį termometrą išrado G. Galilėjus (Galilei) apie 1592 m. Prie tuščiavidurio stiklinio rutulio jis prilydė ilgą ploną vamzdelį (1 pav.). Pašildžius rutulį rankomis, jame esantis oras išsiplėsdavo. Tada įleidus atvirąjį vamzdelio galą į indą su vandeniu ir orui rutulyje vėstant, vanduo truputį pakildavo vamzdeliu. Jo aukštis svyravo priklausomai nuo oro temperatūros. Deja, Galilėjui neatėjo mintis prie vamzdelio pritaisyti skalę, todėl tas netikslus prietaisas vadinamas termometro pirmtaku – termoskopu. Florencijos fizikai, priklausę „Bandymų akademijai“, temperatūrai matuoti panaudojo skysčio šiluminį plėtimąsi kaip dabartiniuose termometruose. Jų termometrai – tai ne tik mokslo, bet ir meno kūriniai (2 pav.).
Tikslūs termometrai buvo sukurti tik XVIII a., jų skalei graduoti panaudojus kelias fiksuotas temperatūras. Ši idėja buvo kilusi dar Kristijanui Heigensui (Huygens), bet tai, kas nerealizuota praktiškai, buvo užmiršta. Deja, kiekvienas žymesnis termometrų meistras savaip gradavo termometrą, tad XVIII a. pabaigoje buvo naudojama apie dvidešimt skirtingų temperatūros skalių.
Instrumentų meistras Danielis Farenheitas (Fahrenheit) iš Olandijos skalės nuliu parinko žemiausią tais šaltais metais temperatūrą Šiaurės Airijoje, o devyniasdešimt šešiems laipsniams prilygino žmogaus kūno temperatūrą. Labiau logiškas buvo Anderso Celsijaus (Celsius) pasirinkimas: paimti už 100˚C vandens užšalimo temperatūrą, o 0˚C – vandens virimo temperatūrą ir padalyti tą tarpą į 100 lygių dalių. (Ką tik perskaitytame sakinyje nėra korektūros klaidos – 0˚C ir 100˚C buvo sukeisti vietomis, kaip įprasta mums, tik po Celsijaus mirties.) Dabar Celsijaus skalė priimta daugelyje šalių.
Fizikai dažniausiai naudoja Kelvino skalę – absoliučiųjų temperatūrų skalę, kurios nulis yra absoliutusis nulis. Absoliučioji temperatūra T susijusi su atitinkama Celsijaus temperatūra t˚ sąryšiu:
T= t˚+273˚.
Šiuolaikinis jautrus medicininis termometras buvo sukonstruotas tik XIX a. antroje pusėje; ligi tol pacientui tekdavo apžioti stiklinį rutuliuką ir laukti pusvalandį, kol tokio termometro temperatūra susilygins su kūno temperatūra.
Buitinių termometrų parodymai dažnai skiriasi 1–2˚, termometrą galima patikrinti įleidus jį į ledo ir vandens mišinį, kurio temperatūra būna tiksliai 0˚C (ji nesikeičia, kol ištirpsta visas ledas).
Tiksliems matavimams fizikai naudoja dujinį pastovaus tūrio termometrą, kurį sudaro kolba su išretintomis dujomis, sujungta su slėgio matuokliu. Mat dujų slėgis tiesiogiai priklauso nuo dujų temperatūros ir nepriklauso nuo dujų rūšies. Deja, toks termometras nėra patogus naudoti buityje ir lėtai pasiekia šiluminę pusiausvyrą.
Spiritiniai termometrai matuoja temperatūrą nuo –80˚C iki +70˚C, gyvsidabriniai termometrai – nuo –38˚C iki 750˚C. (Normaliomis sąlygomis gyvsidabris verda 356˚C temperatūroje, bet užpildžius kapiliarą azotu, virimo temperatūrą pavyksta žymiai pakelti). Aukštesnės temperatūros matuojamos... ampermetru, naudojantis elektros varžos priklausomybe nuo temperatūros. Dar didesniame karštyje metalai lydosi, bet temperatūrą galima nustatyti iš medžiagos skleidžiamos spinduliuotės. Taip sužinoma ir tolimų žvaigždžių temperatūra.
Dar sunkiau išmatuoti labai žemas temperatūras, čia naudojami magnetiniai ir kitokie specialūs metodai.