9. Spójrz na świat okiem fizyka. Podsumowanie
Materiał służy powtórzeniu wiadomości o tym, czym zajmuje się fizyka, jakie są rodzaje oddziaływań i ich skutki, co jest miarą oddziaływania, czym różni się masa od ciężaru a także na czym polega względność ruchu i spoczynku.
Szczegółowe informacje oraz ćwiczenia i zadania znajdziesz w mateiałach:
Pomiary w fizyce. Niepewność pomiaru. Przeliczanie wielokrotności i podwielokrotności;
Siła jako miara oddziaływań. Równowaga sił. Siła wypadkowa. Wyznaczanie siły wypadkowej;
Masa i ciężar ciałaMasa i ciężar ciała;
Maszyny proste. Wyznaczanie masy ciała przy użyciu dźwigni dwustronnej;

Czym zajmuje się fizyka?

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 się za pomocą wielkości fizycznych.
Podstawowe wielkości fizyczne

Wielkość fizyczna | Jednostka | Przyrząd pomiarowy |
|---|---|---|
czas | sekunda | zegar lub stoper |
długość | metr | linijka, suwmiarka, dalmierz |
masa | kilogram | waga |
temperatura | kelwin lub stopień Celsjusza (w niektórych krajach stopień Fahrenheita) | termometr |
Obserwacja, pomiar, doświadczenie
ObserwacjaObserwacja jest jedną z najprostszych metod poznawania świata. To proces badawczy, w którym nie wpływamy istotnie na środowisko, będące obiektem naszego zainteresowania. Wykonujemy ją zgodnie z wcześniej ustalonym planem, a jej rezultatem będzie opis zjawisk i spostrzeżenia obserwatora. To właśnie od obserwacji rozpoczyna się poznawanie świata.
Według definicji, pomiarupomiaru dokonujemy oddziałując na badany obiekt przyrządem pomiarowym. Wynikiem tego działania jest uzyskanie informacji na temat właściwości danego ciała.
DoświadczenieDoświadczenie wykonuje się w celu zweryfikowania pewnej hipotezy. Gdy pojawia się problem badawczy zastanawiamy się, jakie mogą być rezultaty eksperymentu i poprzez świadome sterowanie procesem sprawdzamy, czy nasze przypuszczenia były słuszne. Wykonuje się je zazwyczaj w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych tak, aby można je było kilkakrotnie powtórzyć. Przeprowadzając doświadczenie, możemy dokonywać różnych modyfikacji i obserwować ich efekty. Wykonując pierwsze zadanie na dzisiejszej lekcji, postępowaliśmy według pewnego schematu. Dokładnie tak samo postępujemy podczas pracy z doświadczeniami.
Najpierw stawiamy problem badawczy, często ma on postać pytania.
Tworzymy hipotezę.
Wykonujemy doświadczenie.
Notujemy wyniki.
Wyciągamy wnioski.
Następnie wnioski weryfikujemy z wcześniej postawioną hipotezą i teorią, sprawdzając, czy jest słuszna.
Niepewność pomiaru

Noniusz jest pomocniczą podziałką, zwiększająca dokładność odczytywanego wyniku pomiaru.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R18TO1n7RJvIQ
Animacja pokazująca sposób wykonania pomiaru za pomocą suwmiarki. Brak lektora.
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.
Sam możesz zmierzyć rozmiar Ziemi!
Jednym ze starożytnych matematyków i astronomów, który zrewolucjonizował myślenie o kształcie naszej planety, mierząc jej obwód, był Eratostenes z Cyreny. Dokładna metoda pomiaru zaginęła wraz z rękopisem, ale była ona przekazywana przez innych greckich uczonych i historyków.
Według przekazów, Eratostenes miał plan wykonać mapę Ziemi, ale do tego potrzebował znać rzeczywiste rozmiary planety. Postanowił on dokonać pomiaru w skali, mierząc fragment krzywizny planety i, dzięki obserwacji Słońca, odnieść to do całej Ziemi. Wykorzystał do tego proste spostrzeżenie dotyczące długości cienia rzucanego w południe w czasie letniego przesilenia w dwóch miejscach – obecnym Asuanie i Aleksandrii, oddalonych od siebie o znaną odległość (zmierzoną prawdopodobnie przez osoby wyspecjalizowane w pomiarach odległości, tak zwanych bematystów). W Asuanie Słońce oświetlało dno studni, nie rzucając przy tym żadnego cienia, co oznaczało, że jest ono centralnie nad studnią. W Aleksandrii sprawdził on jak wygląda cień kolumny (wybrane źródła mówią o cieniu zwykłej laski wbitej w ziemię, a nie kolumnie). Eratostenes założył, że Słońce znajduje się bardzo daleko od Ziemi i promienie powinny być do siebie równoległe. Oszacował, że kąt odchylenia kierunku promieni słonecznych od pionu odpowiada jednej pięćdziesiątej kąta pełnego.
Dziś, dla przypomnienia prostoty i efektywności tej metody, możesz powtórzyć eksperyment Eratostenesa, mierząc długość cienia w dwóch różnych miejscowościach położonych na tym samym południku. Znając długości cienia i patyka, wyznaczysz (w oparciu o tablice funkcji trygonometrycznych sinus i cosinus) kąt między patykiem a promieniem słonecznym. Stosunek różnicy kątów z obu miejscowości do kąta pełnego będzie równy stosunkowi odległości między miejscowościami do obwodu Ziemi.
Również przejście ze zwykłym GPSem wzdłuż południka, np. o sekundę łuku, i zmierzenie tej odległości (ok. metrów) zwykłą taśmą mierniczą daje oszacowanie poprawnego rzędu rozmiarów Ziemi.
Oddziaływania na odległość

Oddziaływania na odległość zachodzą wtedy, gdy ciała się nie stykają, są od siebie oddalone, a jednak wzajemnie oddziałują na siebie. Należą do nich 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.
Oddziaływania elektryczne

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.
Oddziaływania grawitacyjne

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.
Oddziaływania magnetyczne

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 i nikiel
, a także niektóre stopy.
Oddziaływania bezpośrednie

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 sprężystości. Po przekroczeniu tej granicy deformacje dokonywane przyłożoną siłą stają się nieodwracalne (np. szkło pęka, gałąź łamie się, drut wygina się na stałe). Granica sprężystości jest zależna od wielu czynników, m.in. rodzaju materiału, z którego wykonane jest ciało, jego kształtu i czynników zewnętrznych.
Wzajemność oddziaływań

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.
Skutki oddziaływań

Skutki oddziaływań dzielimy na dwie grupy:
skutki statyczne – np. zgniecenie, złamanie, rozciągnięcie, rozkruszenie, zgięcie,
skutki dynamiczne – np. zwiększanie prędkości, hamowanie, skręcanie (zmiana kierunku ruchu).
Siła – wektorowa wielkość fizyczna

Siła to wielkość fizyczna, która jest miarą wzajemnego oddziaływania ciał. Oznaczamy ją symbolem , a jej jednostką jest niuton (symbol ). Siła jest wielkością wektorową, czyli ma wartość, kierunek, zwrot i punkt przyłożenia. Przyrządem służącym do pomiaru siły jest siłomierz.
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.

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.

Jeśli siły działające na ciało się równoważą, to siła wypadkowa równa jest .
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.

Jak już wiesz, istnieją 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. Jeśli wektory są do siebie prostopadłe to:

Masa a siła ciężkości

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 .
Warunki prawidłowego ważenia

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.
Wielokrotności i podwielokrotności

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 metra. W dziesiętnym systemie liczbowym wszystkie wielokrotności i podwielokrotności mają za podstawę liczbę .
nazwa | symbol | wartość | wartość w notacji wyładniczej |
|---|---|---|---|
kilo | Indeks górny Indeks górny koniec | ||
hekto | Indeks górny Indeks górny koniec | ||
deka | Indeks górny Indeks górny koniec | ||
decy | Indeks górny Indeks górny koniec | ||
centy | Indeks górny Indeks górny koniec | ||
mili | Indeks górny Indeks górny koniec |
Oblicz największą i najmniejszą wartość wypadkowej dwóch sił o wartościach i .
Długość wektora nie może być ujemna.
Podaj trzy przykłady ciał fizycznych. Przy każdym z nich podaj nazwę substancji, z jakiej ciało te jest zbudowane, oraz wymień wielkość fizyczną, cechującą to ciało.
W gnieździe stoi bocian o masie . Oblicz jego ciężar.
Ślusarz mierzył średnicę kulki potrzebnej do łożyska. Pomiar wykonał za pomocą śruby mikrometrycznej (mikromierza), której najmniejsza działka wynosiła . Powtórzył go pięć razy i otrzymał następujące wyniki: , , , , . Oblicz wartość najbardziej zbliżoną do rzeczywistej średnicy kulki. Odpowiedź podaj z taką samą liczbą cyfr znaczących, co w otrzymanych przez ślusarza wynikach.
W instrukcji obsługi podestu używanego na rusztowaniach budowlanych napisano: „udźwig: ”. Oblicz maksymalną masę cegieł, narzędzi i innych materiałów, jaką murarz może zabrać na ten podest, aby bezpiecznie wykonać swoją pracę. Murarz ma masę .
Na pewnej planecie wykonano doświadczenie z materiału Masa i ciężar ciałaMasa i ciężar ciała.
Ustalenie związku między siłą ciężkości a masą ciała.
osiem odważników o masie każdy (można je zastąpić innym kompletem jednakowych odważników o znanej masie, np. ) mających haczyki do podwieszania;
siłomierz o zakresie (zakres siłomierza należy dobrać do liczby i masy odważników, np. do stugramowych potrzebny będzie zakres );
statyw.
Zamocuj siłomierz na statywie.
Zawieś jeden odważnik na siłomierzu, odczytaj wskazanie tego przyrządu i zanotuj wynik w tabeli pomiarów (siłę zapisz w czwartej kolumnie, a masę – w drugiej).
Dołóż kolejny odważnik, odczytaj wskazanie siłomierza i zanotuj wynik.
Czynność z pkt. 3. powtarzaj do momentu, aż wszystkie odważniki zawisną na siłomierzu.
Oblicz masę odważników w kilogramach, a wyniki zapisz w trzeciej kolumnie.
Wyniki tego doświadczenia zapisano w tabeli:
Wyznacz wartość przyspieszenia grawitacyjnego na tej planecie. Zapisz wzór opisujący związek między masą ciała a siłą ciężkości. Wynik obliczeń zaokrąglij do trzech cyfr znaczących.
Masę kamieni szlachetnych i pereł podaje się w karatach metrycznych (). Największy z dotychczas znalezionych diamentów (noszący nazwę Cullinan [kalynen]) miał masę . Wykonano z niego brylantów, ale przy obróbce stracono aż pierwotnej masy kamienia.
Ile gramów i ile karatów mają łącznie brylanty wykonane z Cullinana? Zapisz obliczenia.
Na unoszący się magnes (patrz rysunek) działają trzy siły:
siła ciężkości o wartości ,
siła magnetycznego odpychania przez drugi magnes (też o wartości ) leżący na stole,
skierowana poziomo siła o wartości – jest to siła przyciągania ze strony kawałka żelaza.
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
8 251 m – ile to kilometrów, a ile centymetrów?
- 8,251 km czyli 825 100 cm
- 82,51 km czyli 82 510 cm
- 0,8251 km czyli 82,51 cm
- 8,251 km czyli 8 251 000 cm
- 82,51 km czyli 825 100 cm
Przelicz stopnie Celsjusza na kelwiny dla następujących trzech wartości temperatury: -173; 0; 30.
- 100 K; 273 K; 303 K
- 373 K; 273 K; 303 K
- 100 K; 273 K; 233 K
- -100 K; -273 K; -303 K
- 200 K; 373 K; 403 K
Które z wymienionych tu oddziaływań wymaga bezpośredniego kontaktu?
- Oddziaływanie sprężyste.
- Oddziaływanie grawitacyjne.
- Oddziaływanie magnetyczne.
- Oddziaływanie elektryczne.
- Oddziaływanie jądrowe.
Które z opisanych tu zdarzeń nie jest statycznym skutkiem oddziaływań?
- Skręcanie podczas jazdy rowerem
- Stłuczenie szyby.
- Ukształtowanie figurki z plasteliny.
- Rozszerzenie balonika po jego nadmuchaniu.
- Podarcie kartki papieru.
Para koni ciągnie wóz, działając na niego zgodnie zwróconymi siłami o wartościach 460 i 520 N. Gdyby konie zastąpić traktorem, to w celu osiągnięcia tego samego efektu musiałby on ciągnąć wóz siłą o wartości:
- 980 N
- 580 N
- 60 N
- 960 N
- 890 N
Na barkach stojącego ucznia spoczywa plecak o masie 23 kg, masa samego ucznia wynosi 55 kg. Jaką siłą uczeń naciska na podłogę? Przyjmij wartość przyspieszenia ziemskiego g = 10 .
- 780 N
- 550 N
- 55 kg
- 78 kg
- 230 N
Słownik
– każdy obiekt, którego właściwości można obserwować i mierzyć. Ciałem fizycznym mogą być organizmy żywe (np. ptak w czasie lotu, biegnący kot) lub dowolny przedmiot (np. kula bilardowa, sanki, Księżyc).
– cecha ciała fizycznego, substancji lub zjawiska fizycznego dająca się zmierzyć.
– proces, w którym zmieniają się wielkości fizyczne opisujące ciało fizyczne lub substancję, z której jest ono zbudowane (np. podczas biegu zmienia się odległość biegacza od mety, a topniejąca kostka lodu zmienia kształt i objętość).
– proces badawczy, którym nie wpływamy na przedmiot obserwacji.
– uzyskanie informacji na temat właściwości ciała, na podstawie porównania z ustaloną jednostką (np. człowiek przebiega wybrany odcinek drogi w czasie równym dziesięciu sekundom).
– zaplanowany sposób wykonywania czynności, służący zweryfikowaniu hipotezy dotyczącej wybranego problemu badawczego.
– miara ilości substancji; zależy zarówno od materiału, z jakiego zostało wykonane, jak i od wymiarów danego ciała.
– ciężar wynikający z obecności siły grawitacji. Mierzymy go przez pomiar siły nacisku na wagę lub pomiar wartości siły, z jaką dane ciało rozciąga sprężynę w siłomierzu.
