1. razred - Fizika

Fizika

Fizika (grčki φύσις, phisis: priroda) je nauka koja proučava prirodu. Ona spada u osnovne prirodne nauke koje proučavaju osnovna ili suštinska svojstva prirodnih tela i pojava.

Fizika se bavi proučavanjem osnovnih svojstava, strukture i kretanja materije u prostoru i vremenu. Fizičke teorije se najčešće izražavaju kao matematičke relacije. Najutemeljenije pojave se nazivaju fizičkim zakonima i oni su kao i sve druge naučne teorije, podložni promenama. Pri tome, novi fizički zakoni obično ne isključuju stare, nego samo ograničavaju domen njihovog važenja.

Fizika je usko povezana sa drugim prirodnim naukama, kao i matematikom (zbog matematičkog opisivanja prirode), posebno hemijom, koja se umnogome zasniva na fizici, pogotovo na kvantnoj mehanici, termodinamici i elektromagnetizmu.

Na osnovu načina na koji proučava tela i pojave, fizika se deli na: teorijsku i eksperimentalnu fiziku.

Osnovne oblasti fizike

Osnovne oblasti fizike su:

• Klasična mehanika

  Mehanika je nauka koja proučava pojave kretanja i ravnoteže materijalnih tela pod delovanjem fizičkih sila i nauka o aparatima, spravama, mašinama.

• Statistička fizika

  Statistička fizika je oblast fizike koja se bavi fizičkim sistemima sastavljenim iz velikog broja čestica (reda veličine Avogadrovog broja).

• Elektromagnetika

  Elektromagnetizam je oblast fizike koja proučava električne i magnetne pojave u prirodi.

• Termodinamika

  Termodinamika je grana fizike koja proučava posledice promene pritiska, temperature i zapremine u makroskopskim fizičkim sistemima.

• Kvantna mehanika

  Kvantna mehanika je fundamentalna grana teorijske fizike kojom su zamenjene klasična mehanika i klasična elektrodinamika pri opisivanju atomskih i subatomskih pojava.

• Relativistička fizika

  Relativistička fizika je Fizička teorija prostora i vremena koja se bavi proračunima u inercijalnim sistemima referencije.

• Fizika čestica

  Fizika elementarnih čestica se bavi proučavanjem fundamentalnih sastavnih delova materije i zračenja.

×

Domen i ciljevi

Fizika se bavi širokim spektrom fenomena, od fizike subatomskih čestica, do fizike galaksija. U ovo spadaju najosnovniji objekti od kojih su sačinjeni svi ostali objekti i zato se za fiziku ponekad kaže da je fundamentalna nauka.

Od subatomskih čestica:

×

Do galaksija:

×

Cilj fizike je da opiše različite fenomene koji se dešavaju u prirodi putem prostijih fenomena. Stoga je zadatak fizike da poveže stvari koje se mogu videti sa njihovim uzrocima, a zatim da poveže ove uzroke zajedno kako bi se našao ultimativni razlog zašto je priorda takva kakva je. Na primer drevni Kinezi su prometili da se neka vrsta kamenja (magnetit) privlače ili odbijaju međusobno dejstvom neke nevidljive sile. Ovaj efekat je kasnije nazvan magnetizam i prvi put je ozbiljno proučavan u 17. veku. Malo ranije nego Kinezi, Stari Grci su znali da drugi predmeti, kao što je ćilibar protrljan krznom, izazivaju slično privlačenje ili odbijanje. Ovo je takođe prvi put ozbiljno proučavano u 17. veku i nazvano je elektricitetom. Dalja istraživanja u 19. veku su pokazala da su ove dve sile samo dva različita aspekta jedne sile - elektromagnetizma. Proces „ujedinjavanja sila“ se nastavlja i danas.

Naučni metod

Fizika koristi naučni metod da proveri ispravnost neke fizičke teorije, koristeći metodičan pristup da uporedi implikacije te teorije sa zaključcima dobijenim iz sprovedenih eksperimenata i posmatranja. Eksperimenti i posmatranja se sakupljaju i porede sa predviđanjima i hipotezama koje tvrdi teorija i tako pomažu u određivanju istinitosti ili neistinitosti teorije.

Teorije koje su dobro pokrivene podacima i nisu nikada pale na nekom empirijskom testu se često nazivaju naučni zakoni ili zakoni prirode. Sve teorije, uključujući one koje se nazivaju zakonima prirode, se mogu uvek zameniti preciznijim, uopštenijim definicijama ako se pronađe neko neslaganje teorije sa prikupljenim podacima. Neki principi, poput Njutnovih zakona kretanja se još uvek nazivaju zakonima, iako se danas zna za neke slučajeve u kojima oni ne važe.

Teorija i eksperiment

Teoretičari teže da razviju matematički model koji se i slaže sa postojećim eksperimentima i koji može uspešno da predvidi buduće rezultate, dok eksperimentalisti smišljaju i izvode eksperimente da bi proverili teorijska predviđanja, i istražili nove fenomene. Iako se teorija i eksperimenti razvijaju posebno, oni jako zavise jedan od drugog. Napredak u fizici često nastaje kada eksperimentalisti otkriju nešto novo što postojeće teorije ne mogu da otkriju, ili kada nove teorije izvode zaključke koje se mogu proveriti eksperimentalno, što inspiriše nove eksperimente. U odsustvu eksperimenta, teorijska istraživanja mogu da odu u pogrešnom pravcu; postoje kritike protiv takozvane M-teorije, popularne teorije u fizici velikih energija, za koju nijedan praktični eksperiment nije ikada osmišljen. Fizičari koji rade na i na polju teorije i na polju eksperimenta se često nazivaju fenomenologičari.

Od teorije:

×

Do eksperimenata:

×

Teorijska fizika je blisko povezana sa matematikom, koja obezbeđuje jezik fizičkih teorija, a veliki delovi matematike, kao što je matematička analiza, su specijalno osmišljeni da bi se rešili problemi u fizici. Teoretičari mogu takođe da se oslone na numeričku analizu i računarske simulacije. Polja matematičke fizike i računarske fizike su aktivna polja u istraživanjima. Teorijska fizika se u svojoj istoriji oslanjala na filozofiju i metafiziku; na ovaj način su spojene teorije elektriciteta i magnetizma u elektromagnetizam. Izvan poznatog univerzuma, polje teorijske fizike se takođe bavi hipotetičkim pitanjima kao što su paralelni univerzumi ili više dimenzije. Fizičari spekulišu o ovim mogućnostima i iz njih postavljaju teorije. Koncept onoga šta se može smatrati hipotetičnim se može promeniti tokom vremena. Na primer, neki fizičari iz 19. veka su ismevali postojanje atoma. Do kraja Drugog svetskog rata, atomi nisu više bili hipotetička stvar.

Istorija fizike

Od davnina su ljudi pokušavali da shvate ponašanje i osobine materije; zašto objekti padaju na zemlju kada izgube oslonac, zašto različiti materijali imaju različite osobine, i slično. Tajnovita je bila i priroda svemira, kao na primer oblik Zemlje, ponašanje i kretanje Sunca i Meseca. Mnoštvo teorija je pokušavalo da objasni te pojave, ali većina od njih na pogrešan način, jer nikada nisu bile potvrđene ogledom. Ipak postojalo je nekoliko izuzetaka, kao na primer Arhimed koji je izveo nekoliko značajnih i tačnih zakona mehanike i hidrostatike.

Fizika u 16. veku

Tokom kasnog 16. veka, Galilej je uveo oglede kao način proveravanja fizičkih teorija i on je uspešno formulisao i ogledima potvrdio nekoliko zakona dinamike, kao što je zakon inercije.

Fizika u 17. veku

1687. Njutn je objavio Matematičke principe prirodne filozofije, (Principia Mathematica Philosophia Naturalis), njegovo čuveno delo u kojem su detaljno izloženi Njutnovi zakoni kretanja, na kojima počiva klasična mehanika; i Njutnov zakon gravitacije, koji opisuje jednu od četiri osnovne sile u prirodi, gravitaciju. Obe ove teorije su se slagale sa izvršenim ogledima. Klasičnoj mehanici su takođe značajno doprineli Lagranž, Hamilton, i drugi, koji su otkrili nove formulacije, principe i rezultate. Zakon gravitacije je podstakao i razvoj astrofizike, koji opisuje astronomske pojave fizičkim teorijama.

Fizika u 18. veku

Od 18. veka pa nadalje, termodinamika je doživela značajna otkrića koja su imali Bojl, Jang, i mnogi drugi. 1733, Bernuli je koristio statističke metode sa klasičnom mehanikom da bi izveo termodinamičke rezultate, inicirajući time razvoj statističke mehanike. 1798, Tompson je demonstrirao pretvaranje mehaničkog rada u toplotu.

Fizika u 19. veku

1847. Džul je formulisao zakon o održanju energije, bilo u obliku toplote ili mehaničke energije. Elektricitet i magnetizam su proučavali Faradej, Om, i drugi. 1855, Maksvel je ujedinio ove dve pojave u jedinstvenu teoriju elektromagnetizma, i opisao ih je Maksvelovim jednačinama. Ova teorija je pretpostavila da je svetlost elektromagnetni talas.

1895, Rendgen (nem. Wilhelm Conrad Roentgen) je otkrio X-zrake, koji predstavljaju elektromagnetno zračenje visoke frekvencije. Radioaktivnost je otkrio 1896. Henri Bekerel, a dalje su je proučavali Pjer Kiri, Marija Kiri i drugi. Ovo je postavilo temelje novom polju nuklearne fizike.

1897, Tomson je otkrio elektron, jednu od osnovnih čestica nosioca naelektrisanja. 1904, predložio je prvi model atoma. (Postojanje atoma je poznato još od 1808, kada ga je predvideo Dalton.

Fizika u 20. veku

1905, Ajnštajn je uobličio teoriju relativnosti (specijalnu i opštu), ujedinjavajući prostor i vreme u jedinstven entitet i stvorio novu, relativističku, teoriju gravitacije. Bio je jedan od nekolicine naučnika koji su postavili temelje kvantnoj fizici.

1911, Raderford je iz ogleda sa rasejanjem alfa čestica na atomima zlata izveo postojanje kompaktnog atomskog jezgra, sa pozitivno naelektrisanim jedinicama protonima. Neutralno naelektrisane čestice, neutrone, je otkrio Čedvik, 1932.

Početkom 1900, Plank, Ajnštajn, Bor, i drugi su razvili kvantnu teoriju, da bi objasnili anomalije u eksperimentalnim rezultatima, te su tada uveli pojam diskretnih energetskih nivoa. 1925, Hajzenberg i Šredinger su formulisali kvantnu mehaniku, koja je objedinila dotada stečena saznanja o kvantnom mikrosvetu i objasnila rezultate mnogobrojnih eksperimenata. U kvantnoj mehanici, ishodi fizičkog merenja podležu zakonima verovatnoće; teorija je propisala načine i pravila za izračunavanje ovih verovatnoća.

Kvantna mehanika je takođe razvila teoretske alate za fiziku čvrstog stanja, koja izučava fizička svojstva čvrstih tela i fiziku fluida koja proučava supstancije u tečnom stanju, uključujući pojave kao što su kristalna struktura, poluprovodnost i superprovodnost, kao i superfluidnost ili tečne kristale. Među pionire ove oblasti fizike spada Bloh, koji je opisao ponašanje elektrona u kristalnim strukturama 1928.

Tokom Drugog svetskog rata, sve zaraćene strane su istraživale nuklearnu fiziku, želeći da naprave atomsku bombu. Nemački napori nisu uspeli, ali je saveznički Projekat Menhetn ostvario cilj. U Americi, tim predvođen Fermijem je ostvario prvu veštački proizvedenu nuklearnu lančanu reakciju 1942, a 1945. prva nuklearna eksplozija je izvedena u Alamogordu, u Novom Meksiku.

Kvantna teorija polja je formulisana da bi obezbedila konzistentnost kvantne mehanike i Specijalne teorije relativnosti. Svoj moderni oblik je dostigla u kasnim 1940-tim radovima Fajnmana, Švingera, Tomonage i Dajsona. Oni su formulisali teoriju kvantne elektrodinamike, koja, kvantnim metodama, opisuje elektromagnetne interakcije.

Kvantna teorija polja je obezbedila okvir za modernu teoriju čestica, koja izučava osnovne sile prirode i osnovne čestice. 1954, Jang i Mils su postavili temelje koji su doveli do standardnog modela, koji je upotpunjen 1970, i uspešno opisuje sve do sada poznate čestice.

Veza fizike sa drugim naukama i tehnikom

Fizika kao fundamentalana prirodna nauka ima primenu u velikom broju drugih nauka. Znanja iz raznih naučnih oblasti se uzajamno prepliću i prožimaju. Fizika uslovljava razvoj drugih nauka ali i sam razvoj drugih nauka utiče na razvoj fizike.

Prikazana šema predstavlja vezu fizike sa ostalim naukama i ukazuje na povezanost razvoja nauke, tehnike i tehnologije. Nekada granična područja nauke (crveno uokvireno) brzim razvojem postala su već nove i značajne naučne oblasti.

Prema predviđanjima eksperata, 21. vek će obeležiti ekspanzija razvoja novih tehnologija (od nanotehnologija, čistih izvora energije do kvantnih kompjutera).

×

Fizika i matematika

Matamatika je zapravo jezik fizike i način na koji fizika opisuje prirodu egzaktno kroz zakone i principe. Formule u fizici su matematičke veze između fizičkih veličina. Posmatrajući istoriju nauke, razvoj pojedinih oblasti u fizici (kao na primer teorija relativnosti) bio je uslovljen razvojem matematike.

Fizika i biologija

Veza ove dve nauke dovela je do suštinskog razumevanje funkcionisanja složenih bioloških sistema. Kombinacija sa tehnikom dovela je do ekspanzije kreativnosti i velikog napredka u robotici – inteligentnim kopiranjem savršenih rešenja iz prirode. Jedan od primera za to je "Robot muva".

×

Fizika i medicina

Fizika ima značajan doprinos u modernoj medicinskoj dijagnostici ali i u lečenju. Primeri: Magnetna rezonanca, rendgen, ultrazvuk, laser, merenje ekektričnih impulsa srca -EKG, merenje električnih impulsa mozga – EEG i tako dalje.

×

Fizika i hemija

Kvantna fizika je otvorila vrata moderne hemije pružajući mogućnost kompletnog opisa sastava, unutrašnje strukture i mogućih energijskih stanja atoma i molekula.

Preklapanje fizike i hemije dovelo je do razvoja nove oblasti – fizičke hemije.

Fizika i astronomija

Fizika je napravila prve značajne korake u razvoju kosmičkog prostora a dalji napredak doveo je do razvoja astrofizike. Kao primeri metoda fizike koje se koriste u astronomskim istraživanjima mogu se navesti spektralna analiza ili fotografsko snimanje kosmičkih objekata. Veliki napredak u razvoju tehničke opreme za posmatranje kosmičkih objekata doveli su do ekspanzije naučnih otkrića u ovoj oblasti. Kao primer mogu se navesti optički teleskopi ili veštački sateliti. Danas svakodnevno možete pratiti na sajtu NASA novosti i rad astronauta u daljem istraživanju svemira.

×

Fizika i geografija

Brojne pojave u geografiji imaju fizičku osnovu kao što su: pojava vetra, kružni tok vode, struje u morima i okeanima, magnetna svojstva Zemlje. Proučavanje je dovelo do razvoja nove oblasti – geofizika. Geofizika znači "fizika Zemlje" i daje veliki doprinos u opisivanju i predviđanju ponašanja vulkana.

Na kraju, potrebno je skrenuti pažnju na činjenicu da razvoj nauke i modernih tehnologija utiče na razvoj i promenu svesti čitavog čovečanstva.

Fizičke veličine

Fizička veličina je karakteristika tela ili pojava u prirodi. Određivanje fizičke veličine se zove merenje. Merenjem se ustanovljava kolika je data veličina u odnosu na usvojenu jedinicu mere za tu veličinu (najjednostavniji primer je merenje dužine: lenjirom se meri dužina nekog predmeta, dužina predmeta se upoređuje sa očitanim podeocima na lenjiru).

Sve fizičke veličine se mogu podeliti u dve grupe: osnovne i izvedene.

Međunarodni sistem jedinica - SI sistem

Međunarodni sistem jedinica se primenjuje u većini država sveta. On omogućava da se merenja različitih veličina na različitim mestima u svetu izvrše, i da se dobijeni rezultati ovih merenja naknadno razumeju, upoređuju i upotrebljavaju. Postoji sedam osnovnih jedinica mera.

Osnovne jedinice mera su:

Sve ostale jedinice mera se zovu izvedene jedinice mera i mogu se izraziti putem osnovnih jedinica mera.

SI prefiksi

SI prefiksi su množioci koji mogu da se dodaju ispred bilo koje jedinice mere SI sistema.

Kao deo SI sistema, zvanično su određeni od strane Međunarodnog biroa za težine i mere.

Prefiksi skraćuju i pojednostavljuju ispise jedinica mera.

Skalarne i vektorske veličine

U fizici su zastupljene skalari i vektori kojima se predstavljaju različite fizičke veličine.

Skalari

Skalarnu fizičku veličinu opisuje brojčana vrednost ili intenzitet.

Vektori

Vektori su se u matematici pojavili oko 1820-ih godina u oblasti analize kompleksnih brojeva. Osim u matematici, vektori su veoma dobru primenu su našli i u fizici

Uz njihovu primenu se događaj ili pojava može prikazati jednostavno i razumljivo i za osobe koje nisu prisutne. Na skice objekata se dodaju vektori koji opisuju razne uticaje ili pojave.

Vektori se crtaju kao duži koje na jednom kraju imaju strelicu.

Obeležavaju se strelicom sa leva nadesno koja se nalazi iznad simbola koji označava vektor.

Vektor opisuje tri podatka: intenzitet, pravac i smer.

Vektori su složeniji od skalara, stoga su i operacije nad vektorima nešto složenije.

Osnovni pojmovi u vezi vektora

Vektore je dozvoljeno pomerati paralelno.

×

Sa slike je očigledno da se pri paralelnom pomeranju vektoru ne menja pravac, intenzitet a ni smer.

Vektori koji pripadaju istim ili paralelnim pravama se zovu kolinearni vektori:

×

Vektori koji međusobno zaklapaju prav ugao su ortogonalni vektori:

×

Projekcija vektora je "senka" koja je pod pravim uglom, i nju jedan vektor ostavlja na nekom objektu. Na slici su projekcije vektora na koordinatne ose:

×

Izračunavanje projekcije vektora se vrši pomoću trigonometrijske funkcije kosinus i upotrebljava se pri računanju skalarnog proizvoda vektora.

Sabiranje vektora

Sabiranje dva vektora se vrši na sledeći način: na kraj prvog vektora se docrta drugi vektor. Rezultat je vektor koji kreće od početka prvog vektora i završava se na kraju drugog vektora.

×

Oduzimanje vektora

Postoji nekoliko načina da se objasni oduzimanje vektora. Najjednostavnije objašnjenje je sledeće: na kraj prvog vektora se docrta drugi vektor koji je suprotno usmeren. Rezultat je vektor koji kreće od početka prvog vektora i završava se na kraju drugog vektora.

×

Množenje vektora skalarom

Pri množenju vektora skalarom, vektoru se ne menja pravac i smer. Intenzitet vektora uzima vrednost proizvoda intenziteta i skalarne vrednosti.

×

Skalarni proizvod vektora

Rezultat ove operacije je skalarna vrednost. Vrednost skalarnog proizvoda dva vektora je proizvod pravougaone projekcije jednog vektora na drugi i intenziteta drugog vektora (na slici proizvod dužine zelene duži i intenziteta vektora b).

×

Uz poznavanje trigonometrije se definiše da je skalarni proizvod dva vektora proizvod intenziteta dva vektora i kosinusa ugla koji zaklapaju.

Skalarni proizvod dva vektora je komutativna operacija.

Vektorski proizvod vektora

Operacija se obeležava simbolom "x". Rezultat ove operacije je vektor koji poseduje sledeće osobine:

• zaklapa prav ugao sa ravni u kojoj se nalaze vektori koji se množe:

  
  ×

  

• orijentacija vektora je po pravilu desne ruke:

  
  ×

  

• intenzitet vektora je jednak površini paralelograma koji vektori zaklapaju:

  
  ×

  

Koordinatni sistemi

Koordinatni sistemi su sistemi pomoću kojih možemo tačno da odredimo položaj nekog objekta. Postoje koordinatni sistemi u ravni i koordinatni sistemi u prostoru.

Postoji više tipova koordinatnih sistema, pri rešavanju različitih problema i zadataka primenjuju se oni koordinatni sistemi koji olakšavaju računanje i brže dovode do rešenja. U ravni se upotrebljavaju pravougaoni, kosougli, polarni koordinatni sistemi. U prostoru se upotrebljavaju pravougaoni, sferni i cilindrični koordinatni sistemi.

Pravougaoni koordinatni sistem u ravni: bilo koja tačka u ravni u kojoj leže koordinatne ose je definisana pomoću dve koordinate, x i y. Koordinate se pišu kao uređeni parovi brojeva pri čemu prvi broj predstavlja x a drugi broj predstavlja y koordinatu tačke. Na slici tačka A je definisana svojim koordinatama A(a_x, a_y), odnosno A(3,2).

×

Na slici se vidi jedan jednostavan primer primene koordinatnog sistema. U geografiji se upotrebljava koordinatni sistem (geografska širina i dužina) koji precizno određuje koordinate bilo koje tačke na zemlji. Koordinatne ose su Ekvator i Grinič.

×

Pravougaoni koordinatni sistem u prostoru: jedina razlika između ravanskih i prostornih koordinata je treća koordinata. U ravni možemo da pričamo o širini i dužini (x i y ose), dok u prostoru moramo da vodimo računa i o visini (z osa).

×

Pravougli koordinatni sistem se zove i Dekartov koordinatni sistem. Ovaj koordinatni sistem je 1637. godine osmislio francuski matematičar i filozof Rene Dekart. On je pokušao da spoji algebru i geometriju. Ovim sistemom je Dekart dao veoma značajan doprinos razvoju analitičke geometrije, matematike i kartografije.

Koordinatni sistem u odnosu na koji se vrši posmatranje nekog tela ili pojave se zove referentni koordinatni sistem.