R13tNUmzbLgsk1

Zdjęcie przedstawiające panoramę nocną z odległymi światłami większego miasta. Na pierwszym planie znajduje się polna droga z nieużytkami po bokach. Droga prowadzi prosto w stronę horyzontu. Na niebie ogromna liczba gwiazd z wyraźnie odznaczającą się Drogą Mleczną tworzącą ogromny łuk nad całym kadrem.

1. Czym zajmuje się fizyka

R1EckFRjC3S3I1

Zdjęcie przedstawia źdźbło trawy w dużym przybliżeniu. Tło zielone. W tle rozmyte kontury innych źdźbeł. Na źdźble widać 5 dużych kropli oraz 6 małych kropelek rosy. Od kropli odbijają się promienie słoneczne.

Przedmiotem badań fizyki są ciała fizyczne. Terminem tym określamy wszystkie obiekty materialne należące zarówno do świata przyrody nieożywionej, jak i ożywionej, których właściwości oraz zachowania są analizowane. Ciałami fizycznymi są m.in. samochód, mucha, sztangista, piłka tenisowa, Słońce, jabłko i ziarnko piasku. Ciała fizyczne zawsze są z czegoś zbudowane, a ten budulec nazywamy substancją. Przykładami substancji są: woda, papier, stal, drewno, złoto. Podstawową czynnością w naukowym badaniu świata jest pomiar. Polega on na porównaniu mierzonej wielkości z wzorcem, zwanym jednostką tej wielkości. 

Zarówno ciała fizyczne, jak i  substancje podlegają określonym procesom – coś się z nimi dzieje, zachodzi jakaś zmiana. Procesy te nazywamy zjawiskami fizycznymi. . Są nimi m.in. wrzenie wody, ruch, przepływ prądu elektrycznego, powstawanie tęczy, osiadanie rosy, zachód słońca, pływanie, emisja fal. Cechy ciał fizycznych, substancji i zjawisk fizycznych, które możemy zmierzyć, nazywamy wielkościami fizycznymi. Należą do nich: masa, ciężar, prędkość, siła, natężenie prądu elektrycznego.

Podsumujmy: fizyka zajmuje się badaniem ciał i zjawisk fizycznych, które opisuje za pomocą wielkości fizycznych.

2. Podstawowe wielkości fizyczne

R1AfkDALR0P7I1

Fotografia przedstawia termometr cieczowy z trzema skalami temperatur: Celsjusza, Fahrenheita i Kelvina.

Wybrane podstawowe wielkości fizyczne oraz przyrządy do mierzenia ich wartości to:

• czas – jednostka: sekunda; przyrząd pomiarowy: zegar lub stoper;

• długość – jednostka: metr; przyrządy pomiarowe: linijka, suwmiarka, dalmierz;

• masa – jednostka: kilogram; przyrząd pomiarowy: waga;

• temperatura – jednostka: kelwin lub stopień Celsjusza (w niektórych krajach także stopień Fahrenheita); przyrząd pomiarowy: termometr.

3. Niepewność pomiaru

R12k9hG5wyfDQ1

Zdjęcie przedstawia suwmiarkę. Tło białe. Suwmiarka ma barwę stalowoszarą. Na suwmiarce wyraźnie widoczna jest skala.

Każdy pomiar jest obarczony niepewnością pomiarową. Wartością najbardziej zbliżoną do rzeczywistej wartości mierzonej wielkości jest średnia arytmetyczna wyników pomiarów. Niepewność pomiaru może wynikać z:

• właściwości badanego ciała fizycznego;

• dokładności użytych przyrządów pomiarowych;

• cech eksperymentatora.

Niepewność pomiarowa nie świadczy źle o eksperymentatorze, sprzęcie pomiarowym czy metodzie pomiaru. Osoba przeprowadzająca doświadczenie powinna jednak uwzględniać niepewność pomiaru i umieć ją oszacować.

4. Oddziaływania na odległość

R1aoVjmHPAPDz1

Schemat przedstawia satelitę Ziemi. Tło białe. W górnej części, po prawo, znajduje się ilustracja Ziemi. W dolnej części, po przekątnej, satelita. Wykropkowaną elipsą zaznaczono orbitę, po której satelita obiega Ziemię.

Oddziaływania na odległość zachodzą wtedy, gdy ciała się nie stykają, są od siebie oddalone, a jednak wzajemnie oddziałują na siebie. Są to oddziaływania: grawitacyjne, elektryczne, magnetyczne i jądrowe.

Oddziaływania grawitacyjne, elektryczne i magnetyczne mają daleki zasięg, ponieważ ich skutki są odczuwalne nawet przy znacznych odległościach. Natomiast oddziaływania jądrowe (które w fizyce dzieli się dodatkowo na silne i słabe) cechuje krótki zasięg. A nawet bardzo krótki, ponieważ – jak sama nazwa wskazuje – dotyczą cząstek elementarnych we wnętrzach pojedynczych atomów.

5. Oddziaływania elektryczne

RtIlOTs5rjJz11

Na fotografii widnieje piorun na tle nieba. W dolnej części fotografii widać płynącą rzekę oraz budynki, które znajdują się przy brzegu. Budynki są oświetlone. Niebo oraz rzeka mają kolor ciemnofioletowy. Całe niebo pokryte jest siatką piorunów. Pioruny mają barwę bardzo jasną, prawie białą.

Oddziaływania elektryczne są skutkiem wzajemnych oddziaływań ciał posiadających ładunki elektryczne. Istnieją dwa rodzaje ładunków: dodatnie i ujemne.

Ładunki tego samego znaku nazywamy ładunkami jednoimiennymi, natomiast ładunki różnych znaków – różnoimiennymi.
Ładunki jednoimienne (np. dwa dodatnie lub dwa ujemne) się odpychają, a ładunki różnoimienne (np. jeden dodatni, a drugi ujemny) się przyciągają.

6. Oddziaływania grawitacyjne

RIy9m0HcUJB8Z1

Na schemacie zaprezentowano drzewo. Tło białe. Kora drzewa czarna. Korona drzewa rozłożysta, zajmuje całą szerokość schematu. Na gałęziach znajdują się zielone liście i czerwone jabłka. Na dole widnieje niska trawa. Z prawej strony drzewa, od jednego z jabłek odchodzi wektor. Kierunek prostopadły do podłoża. Zwrot ku ziemi. Punkt przyłożenia na środku jabłka. Punkt przyłożenie drugiego wektora znajduje się na ziemi. Wektor ma ten sam kierunek, lecz przeciwny zwrot. Wektory mają równą długość. Oba wektory leżą na tej samej prostej.

Oddziaływania grawitacyjne polegają na tym, że każde ciało posiadające masę oddziałuje na inne – im większa jest ich masa, tym oddziaływanie jest silniejsze. Ciała oddziałujące grawitacyjnie zawsze się przyciągają. Ziemia, podobnie jak inne ciała niebieskie, przyciąga wszystkie ciała znajdujące się w jej otoczeniu.

7. Oddziaływania magnetyczne

RGiruaoUUhLEE1

Ilustracja przedstawia dwa magnesy. Jeden ma kształt podkowy. Drugi ma kształt prostopadłościanu. Na obu oznaczono bieguny. Jedna połowa pierwszego magnesu ma kolor niebieski. Oznaczona została literą N. Druga połowa ma kolor czerwony. Oznaczona literą S. W drugim magnesie jedna połowa ma kolor niebieski i oznaczenie N. Druga połowa ma kolor czerwony i oznaczenie S.

Oddziaływania magnetyczne to przyciąganie lub odpychanie się ciał mających właściwości magnetyczne.
Każdy magnes ma dwa bieguny: północny – oznaczany literą N (od ang. north – północ) i południowy – oznaczany literą S (od ang. south – południe). Magnetyczny biegun północny jest zbieżny z geograficznym kierunkiem północnym na Ziemi, wskazywanym przez igłę kompasu. Bieguny jednoimienne (dwa północne lub dwa południowe) się odpychają, a różnoimienne (północny i południowy) – przyciągają.

Magnesy przyciągają przedmioty, w skład których wchodzi żelazo. Właściwości magnetyczne oprócz żelaza mają również pierwiastki takie jak kobalt (Co) i nikiel (Ni), a także niektóre stopy.

8. Oddziaływania bezpośrednie

Rga9rdyDCjvIP1

Ilustracja przedstawia sprężynę do ćwiczeń. Urządzenie składa się z dwóch uchwytów i kilku sprężyn. Uchwyty są połączone sprężynami. Na ilustracji pokazano ręce, które trzymają urządzenie za uchwyty i rozciągają sprężyny.

Oddziaływania bezpośrednie wymagają bezpośredniego kontaktu ciał oddziałujących ze sobą. Do takich oddziaływań należą: pchanie, ciągnięcie, podnoszenie, zginanie, skręcanie, rozrywanie, rozciąganie, ściskanie i zgniatanie.

Jeżeli ciało wykazuje właściwość zwaną sprężystością, to po ustąpieniu działania siły zewnętrznej, która spowodowała odkształcenie tego ciała, może ono powrócić do swojego pierwotnego kształtu lub pierwotnej objętości. Siły, które są za to odpowiedzialne, nazywamy siłami sprężystości, a oddziaływania – sprężystymi. Każde ciało sprężyste ma cechę nazywaną granicą sprężystośc. Po przekroczeniu tej granicy deformacje dokonywane przyłożoną siłą stają się nieodwracalne (ciało np. pęka, łamie się lub wygina na stałe). Granica sprężystości jest zależna od wielu czynników, m.in. rodzaju materiału, z którego wykonane jest ciało, jego kształtu i czynników zewnętrznych.

9. Wzajemność oddziaływań

R1KzTDPHKKsTb1

Zdjęcie przedstawiające trzy odpychające się baloniki naelektryzowane jednoimiennie.

Wszystkie oddziaływania występujące w przyrodzie są zawsze wzajemne, tzn. gdy jedno ciało oddziałuje na drugie, to drugie oddziałuje na pierwsze. Różne mogą być natomiast efekty takiego oddziaływania. Na zdjęciu powyżej każdy balonik odpycha pozostałe i jest przez nie odpychany.

10. Skutki oddziaływań

R7C76ZZs9CyDd1

Zdjęcie przedstawia dwa zniszczone samochody na skutek kolizji. W tle ulica oraz drzewa. Niebo jasne. Maski obu aut są w całości zgniecione. Zderzaki odpadły. Na ulicy widać leżące fragmenty potłuczonych reflektorów oraz elementów karoserii.

Skutki oddziaływań dzielimy na dwie grupy:

• skutki statyczne – np. zgniecenie, złamanie, rozciągnięcie, rozkruszenie, zgięcie;

• skutki dynamiczne – np. zwiększanie prędkości, hamowanie, skręcanie (zmiana kierunku ruchu).

11. Siła – wektorowa wielkość fizyczna

R1U7mkpR6Wo3g1

Siła jako wielkość wektorowa

Siła to wielkość fizyczna, która jest miarą wzajemnego oddziaływania ciał. Siłę oznaczamy ją symbolem $\overrightarrow{F}$, a jej jednostką jest niuton (symbol $\mathrm{N}$). Siła jest wielkością wektorową, czyli ma wartość, kierunek, zwrot i punkt przyłożenia. Przyrządem służącym do pomiaru siły jest siłomierz.

12. Siła wypadkowa i siła równoważąca

Siłę, która powoduje ten sam skutek co działanie kilku innych sił, nazywamy siłą wypadkową, a poszczególne siły – siłami składowymi.
Siła wypadkowa jest wektorową sumą sił składowych.

Gdy wszystkie siły składowe mają takie same kierunki i zwroty, dodawanie sił w celu obliczenia wypadkowej sprowadza się do prostego działania arytmetycznego, czyli dodania poszczególnych wartości. Kierunek i zwrot siły wypadkowej pozostają takie same.

Rsu02QhYs2Z3w1

Ilustracja przedstawia schemat dodawania wektorów, które leżą na tej samej prostej, czyli mających ten sam kierunek. Gdy wektory mają zgodne zwroty, to dodajemy ich długości.

Dodawanie do siebie wektorów sił o takich samych kierunkach, lecz przeciwnych zwrotach jest tak naprawdę odejmowaniem wartości siły mniejszej od wartości siły większej. Siła wypadkowa zachowuje kierunek i zwrot siły większej.

RhEjQotiDkGn11

Ilustracja przedstawia schemat dodawania wektorów, które leżą na tej samej prostej, czyli mających ten sam kierunek. Gdy wektory mają przeciwne zwroty, długości odejmujemy, a wynikowy wektor ma zwrot wektora dłuższego.

Jeśli siły działające na ciało się równoważą, to siła wypadkowa równa jest 0 N.
Aby dwie siły mogły się równoważyć, muszą działać wzdłuż tego samego kierunku, mieć wspólny punkt przyłożenia (działać na to samo ciało), taką samą wartość (długość wektora), ale przeciwne zwroty.

RoRo7HjYtAVAk1

Ilustracja przedstawia schemat dodawania wektorów, które leżą na tej samej prostej, czyli mających ten sam kierunek. Gdy wektory mają przeciwne zwroty, długości odejmujemy, a wynikowy wektor ma zwrot wektora dłuższego. Jeśli do wektora wyjściowego dodamy wektor do niego przeciwny, otrzymamy wektor zerowy.

Na lekcjach matematyki poznasz (lub być może już poznałeś) różne metody dodawania wektorów, przydatne podczas wykonywania zadań z zakresu fizyki sił. Metoda równoległoboku jest przydatna zwłaszcza w wyznaczaniu siły wypadkowej działającej na dane ciało.

Rp1UUtg7Fy2CW1

Ilustracja przedstawia schemat dodawania sił metodą równoległoboku. Długościom wektorów odpowiadają długości boków równoległoboku. Długość przekątnej tego równoległoboku odpowiada długości wektora składowego.

13. Masa a siła ciężkości

R1Lg9l3gdIVsO1

Siłomierz

Aby wyznaczyć ciężar lub siłę ciężkości ciała, musimy określić wartość nacisku ciała na podłoże lub np. zmierzyć siłę rozciągającą sprężynę w siłomierzu. Istnienie ciężaru wynika głównie z obecności siły grawitacji. W języku potocznym pojęcia „ciężar” i „masa” często stosuje się wymiennie, jednak nie są one tożsame.

Przyspieszenie ziemskie ma wartość około $10\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}}$.

14. Warunki prawidłowego ważenia

Rk9m8DC58zWGy1

Schemat przedstawiający wagę wyraźnie odchyloną od poziomu

Prawidłowe ważenie wymaga spełnienia następujących warunków:

• szalka wagi powinna być wypoziomowana (a nacisk na szalkę – pionowy);

• ważone ciało i waga muszą być nieruchome względem Ziemi (tzn. mogą poruszać się tylko tak, aby nie uległ zmianie nacisk na szalkę).

Te warunki sprawiają, że dokonywanie pomiarów wagi np. w jadącej windzie może dać nam błędne wyniki.

15. Wielokrotności i podwielokrotności

R1CxqXwj9UoO61

Schemat przedstawia wybrane wielokrotności i podwielokrotności jednostek podstawowych. Na schemacie zaprezentowane zostały różnymi kolorami i wielkościami. Poszczególne przedrostki i ich skróty oznaczone zostały tymi samymi kolorami. C czyli centy. D czyli decy. Da czyli deka. H czyli hekto. K czyli kilo. M czyli mili.

Przedrostki jednostek miar pozwalają uprościć zapis. Często bezwiednie stosujemy je w codziennym życiu. Przykładowo: słowo „kilogram” składa się z przedrostka „kilo-”, oznaczającego wielokrotność – tysiąc, i słowa „gram”, a zatem oznacza tysiąc gramów. „Milimetr” składa się z przedrostka „mili-”, oznaczającego podwielokrotność – jedną tysięczną, i słowa „metr”, a zatem oznacza 0,001 metra. W dziesiętnym systemie liczbowym wszystkie wielokrotności i podwielokrotności mają za podstawę liczbę 10.

16. Zadania

Polecenie 8

Na unoszący się magnes (patrz rysunek) działają trzy siły:

1. siła ciężkości o wartości 0,5 N;

2. siła magnetycznego odpychania przez drugi magnes (też o wartości 0,5 N) leżący na stole;

3. skierowana poziomo siła o wartości 0,1 N; jest to siła przyciągania ze strony kawałka żelaza.

RQMngg88Py2Nv1

Schemat przedstawia siłę równoważącą. Widoczne są dwa magnesy oraz ręka trzymająca śrubę. Magnesy znajdują się jeden nad drugim. Nie stykają się. Zwrócone są do siebie tymi samymi biegunami (północnymi). Z prawej strony, na wysokości górnego magnesu narysowana jest ręka, która trzyma żelazną śrubę. Na schemacie oznaczono, jakie siły działają na góry magnes. Wektory trzech sił mają wspólny punkt przyłożenia. Punkt przyłożenia znajduje się na środku górnego magnesu. Dwie z sił leżą na tej samej prostej, prostopadłej do podłoża. Wektory mają ten sam kierunek, ale przeciwne zwroty. Wektor siły ciężkości (ciężaru), zwrócony jest ku dołowi. Siła ciężkości ma wartość 0,5 niutona. Wektor siły odpychania magnetycznego zwrócony jest ku górze. Siła odpychania magnetycznego również ma wartość 0,5 niutonów. Trzeci wektor to wektor siły przyciągania przez kawałek żelaza. Skierowany jest równolegle do podłoża. Zwrócony jest ku śrubie. Siła przyciągania ma wartość 0,1 niutona.

Aby magnes pozostał w równowadze, trzeba przyłożyć do niego pewną siłę. Zapisz cechy tej siły – podaj jej wartość, kierunek i zwrot. Uzasadnij swoją odpowiedź.

Test