Zgłoś uwagi
Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

W tym dziale zdefiniowaliśmy pojęcia takie jak: ciało fizyczne, substancja, wielkość fizyczna, zjawisko fizyczne. Napisaliśmy o roli pomiaru w naukowym poznawaniu świata i zasadach prawidłowego pomiaru podstawowych wielkości fizycznych. Wymieniliśmy typy i rodzaje oddziaływań występujących w przyrodzie oraz pokazaliśmy, jak dostrzegać i klasyfikować ich skutki. Wprowadziliśmy pojęcie siły, która jest miarą oddziaływań i wielkością wektorową. Zwróciliśmy uwagę na rozróżnianie takich pojęć, jak ciężar, masa oraz siła grawitacji, które w języku potocznym są często utożsamiane.

Źródło: Alfredo (https://www.flickr.com), . Fizyka zajmuje się badaniem właściwości i przemian materii oraz energii, a także zachodzących między nimi oddziaływań – jej poznanie to sposób na zrozumienie świata oraz sił natury

1. Czym zajmuje się fizyka

Źródło: Dylan Parker (https://www.flickr.com), licencja: CC BY-SA 2.0.

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

Źródło: Martinvl (https://commons.wikimedia.org), Robbie Sproule (https://www.flickr.com), licencja: CC BY-SA 3.0.

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

Źródło: Simon A. Eugster (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.

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

Źródło: NASA (http://commons.wikimedia.org), Pline (http://commons.wikimedia.org), Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.

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

Źródło: Jp Marquis (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.

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

Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.

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

Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.

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

Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.

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

Źródło: Tomorrow sp.z o.o., licencja: CC BY 3.0.

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

Źródło: K . Chan (https://www.flickr.com), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 2.0.

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

Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.

Siła to wielkość fizyczna, która jest miarą wzajemnego oddziaływania ciał. Siłę oznaczamy ją symbolem F, a jej jednostką jest niuton (symbol 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.

Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.

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.

Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.

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.

Źródło: Anita Mowczan, Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

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.

Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.

13. Masa a siła ciężkości

Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.

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.

siła ciężkości=masa·przyspieszenie ziemskie
Q=m·g

Przyspieszenie ziemskie ma wartość około 10Nkg.

14. Warunki prawidłowego ważenia

Źródło: Tomorrow sp.z o.o., licencja: CC BY 3.0.

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

Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

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.

Wybrane wielokrotności i podwielokrotności jednostek podstawowych

kilo

k

1000

= 103

hekto

h

100

= 102

deka

da

10

= 101

decy

d

0,1

= 10-1

centy

c

0,01

= 10-2

mili

m

0,001

= 10-3

16. Zadania

Polecenie 1

Oblicz największą i najmniejszą wartość wypadkowej dwóch sił o wartościach 5 i 7 N.

Polecenie 2

Podaj trzy przykłady ciał fizycznych. Podaj nazwy substancji, z których ciała te są zbudowane te ciała, oraz wymień wielkości fizyczne cechujące te ciała. Odpowiedzi zapisz w tabeli.

Tabela do polecenia 2.

Ciało fizyczne

Substancja

Wielkość fizyczna

samolocik

papier

długość

     
     
     
Polecenie 3

W gnieździe stoi bocian o masie 4,3 kg. Oblicz jego ciężar.

Polecenie 4

Ślusarz mierzył średnicę kulki potrzebnej do łożyska. Pomiar wykonał za pomocą śruby mikrometrycznej (mikromierza), której najmniejsza działka wynosiła 0,02 mm. Powtórzył go pięć razy i otrzymał następujące wyniki: 5,12 mm; 5,10 mm; 5,14 mm; 5,08 mm; 5,10 mm. Oblicz wartość najbardziej zbliżoną do rzeczywistej średnicy kulki. Wynik obliczeń zaokrąglij do dwóch miejsc po przecinku.

Polecenie 5

W instrukcji obsługi podestu używanego na rusztowaniach budowlanych napisano: „udźwig – 2,5 kN”. Oblicz maksymalną masę cegieł, narzędzi i innych materiałów, jaką murarz może zabrać na ten podest, aby bezpiecznie wykonać swoją pracę. Murarz ma masę 80 kg.

Polecenie 6

Wyobraź sobie, że na pewnej planecie wykonano doświadczenie z lekcji „Masa i ciężar ciała”. Wyniki tego doświadczenia zapisano w tabeli:

Wyniki pomiarów

Lp.

m [g]

m [kg]

Q [N]

QmNkg

1.

20

0,02

0,08

 

2.

40

0,04

0,16

 

3.

60

0,06

0,23

 

4.

80

0,08

0,33

 

5.

120

0,12

0,49

 

Wyznacz wartość odpowiednika przyspieszenia ziemskiego na tej planecie (podczas obliczeń wykorzystaj wzór na ciężar ciała znajdującego się na powierzchni Ziemi). Zapisz właściwy wzór opisujący związek między masą ciała a siłą ciężkości.

Polecenie 7

* Masę kamieni szlachetnych i pereł podaje się w karatach metrycznych (ct; 1 ct = równy 0,2 g). Największy z dotychczas znalezionych diamentów (noszący nazwę Cullinan) miał masę 3106 ct. Wykonano z niego 105 brylantów, ale przy obróbce stracono aż 65% pierwotnej masy kamienia.
Ile gramów i ile karatów mają łącznie brylanty wykonane z Cullinana? Zapisz obliczenia.

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.

Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.

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

Polecenie 9

Na cienkiej tafli lodu stoi człowiek o masie 50 kg. Wiadomo, że tafla pęknie, jeśli będzie działała na nią siła o wartości 501 N. Wybierz z listy te gesty człowieka, które mogą zwiększyć niebezpieczeństwo pęknięcia lodu: gwałtowne podnoszenie rąk do góry, kucnięcie, gwałtowne wyciąganie rąk do przodu, podskoki. Uzasadnij każdy swój wybór.

Test

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5
Ćwiczenie 6
Ćwiczenie 7
Ćwiczenie 8
Ćwiczenie 9
Ćwiczenie 10
Ćwiczenie 11
Ćwiczenie 12
ciało fizyczne

– każdy obiekt, którego właściwości można obserwować i mierzyć. Ciałem fizycznym mogą być organizm żywy (np. ptak w czasie lotu, biegnący kot) lub dowolny przedmiot (np. kula bilardowa, sanki, Księżyc).

wielkość fizyczna

– cecha ciała fizycznego, substancji lub zjawiska fizycznego dająca się zmierzyć.

zjawisko fizyczne

– 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).

masa

– miara ilości substancji; zależy zarówno od materiału, z jakiego zostało wykonane, jak i od wymiarów danego ciała.

ciężar ciała (siła ciężkości)

– 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.