21085 Физика

Милан О. Распоповић Татјана М. Бобић

F1

.

ФИЗИКА

За во

д

за

уџ

бе

ни ке

ЗА 1. РАЗРЕД четворогодишњих средњих сTручних школа

1

Рецензенти Проф. др Марко Нинковић, научни саветник у Институту за нуклеарне науке „Винча“ Бранислав Јовановић, просветни саветник у Министарству просвете Републике Србије Мирослав Смајић, професор у Пољопривредној школи у Футогу Уредници Жарко Јовић Татјана Бобић

ни ке

Одговорни уредник Татјана Костић

бе

Главни уредник Др Милорад Марјановић

уџ

За издавача Др Милорад Марјановић, в. д. директора

За во

д

за

Министар просвете Републике Србије одобрио је овај уџбеник својим решењем број 650-02-00280/2008-06 од 21.07. 2008. године за употребу у првом разреду четворогодишњих средњих стручних школа.

ISBN 978-86-17-20234-5 © Зaвод за уџбенике, Београд (2008–2020) Ово дело не сме се умножавати, фотокопирати и на било који други начин репродуковати, ни у целини ни у деловима, без писменог одобрења издавача.

2

ПРЕДГОВОР Пред вама је уџбеник физике за први разред четворогодишњих средњих стручних школа. Садржаји овог уџбеника надовезују се на предзнање ученика донешено из основне школе, како би континуитет у настави био очуван и како би се добила целовитија слика обрађеног градива. Уџбеник је написан у складу са актуелним Наставним планом и програмом физике, за 1. разред четворогодишњих средњих стручних школа. Обрађено је седам тематских целина:

ни ке

1. Физика и њене методе проучавања 2. Кинематика 3. Динамика 4. Основе релативистичке механике 5. Основна физичка поља 6. Закони одржања 7. Молекуларна физика

За во

д

за

уџ

бе

На крају сваке тематске целине дат је кратак преглед пређеног градива – сажети преглед градива. У њему су поновљени сви битни појмови, величине и закони. Након сажетка, следе питања за проверу знања намењена ученицима за самосталан рад (самопроверу знања из пређеног градива). Кратак преглед тематске целине омогућује ученику да се усмери на суштину наставног садржаја, да конкретизује претходно стечено знање и да га, преко одговора на постављена питања, примени у освајању нових сазнања и при решавању практичних задатака. У Уџбенику су заступљени историјско-филозофски аспекти физике, не издвојени из контекста већ укључени у приказ развоја физике као фундаменталне природне науке. У циљу да се потпуније схвати развојна линија физике, укратко се говори о научницима (физичарима) који су највише допринели утемељењу и развитку појединих области физике. Истиче се улога физичког огледа и модела у конструкцији физичке теорије. Избегнуто је позитивистичко схватање према којем се улога експеримента своди само на верификацију теоријских резултата, док је истакнута улога огледа у развоју основних идеја и научних теорија. Како наставу физике чине три недељиве целине, теоријска обрада градива, израда задатака и експерименталне и лабораторијске вежбе, овом Уџбенику придружујемо и Збирку задатака са приручником за лабораторијске вежбе. Уџбеник и Збирка задатака са приручником за лабораторијске вежбе чине уџбенички комплет, и, запостављање било којег од њих, озбиљно би нарушило квалитет наставе физике. Квантитативна интерпретација наставног садржаја овог уџбеничког комплета усклађена је са Наставним планом и програмом математике. Такође је наглашена тесна веза са осталим наукама, посебно природним. Велику захвалност дугујемо господину Новици Здравковићу, професору физике из Пожаревца, који је својим сугестијама и корисним примедбама знатно допринео квалитету овог издања.

Аутори ПРЕДГОВОР

3

САДРЖАЈ ПРЕДГОВОР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1. ФИЗИКА И ЊЕНЕ МЕТОДЕ ПРОУЧАВАЊА

ни ке

1.1. Физика – фундаментална природна наука . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Физика и друге науке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2. Физичке величине. Мерење . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Физичке величине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Основне и изведене величине и јединице . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Методе проучавања у физици . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3. Физички закони и принципи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Сажети преглед градива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Питања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

бе

2. КИНЕМАТИКА

За во

д

за

уџ

2.1. Вектори и основне операције с векторима . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Скалари и вектори . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Операције са векторима . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2. Референтни системи. Вектор положаја . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Механичко кретање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Вектор положаја . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3. Равномерно и неравномерно кретање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Путања и пут . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Померај . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4. Тренутна брзина. Убрзање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Брзина код равномерног праволинијског кретања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Брзина код криволинијског кретања тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Средња вредност брзине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Тренутна брзина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Средње убрзање. Тренутно убрзање. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.5. Праволинијско кретање са сталним убрзањем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Зависност брзине од времена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Зависност пута од времена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Зависност брзине од пута . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.6. Кружно кретање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Угаони померај и описани угао . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Угаона брзина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Веза између линијске брзине и угаоне брзине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Угаоно убрзање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Веза тангенцијалног и угаоног убрзања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Равномерно кружно кретање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Период и фреквенција . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4

садржај

Центрипетално (нормално) убрзање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.7. Класични закон сабирања брзина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Сажети преглед градива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Питања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3. ДИНАМИКА

За во

д

за

уџ

бе

ни ке

3.1. Импулс и сила . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Узајамно деловање (интеракција) тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Сила . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Маса тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Импулс тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2. Њутнови закони . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Закон инерције (Први Њутнов закон) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Закон о деловању силе (Други Њутнов закон) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Основна једначина динамике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Закон силе акције и реакције (Трећи Њутнов закон) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.3. Инерцијални и неинерцијални системи референције . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Инерцијални референтни систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Неинерцијални референтни систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.4. Скаларни и векторски производ вектора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Скаларни производ вектора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Векторски производ два вектора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.5. Кинематика ротационог кретања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Ротационо кретање тела око непокретне осе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Угаони померај и његова векторска природа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Угаона брзина и угаоно убрзање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.6. Динамика ротационог кретања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Момент силе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Момент инерције . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Момент импулса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Основни закон динамике ротације . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Аналогија између величина динамике транслаторног и ротационог кретања . . . . . . . 77 3.7. Динамика кружног кретања. Центрипетална сила . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Центрифугална сила . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.8. Кретање вештачких сателита. Прва космичка брзина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.9. Рад. Снага. Енергија. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Механички рад . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Снага . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Кинетичка енергија . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Рад и кинетичка енергија . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Потенцијална енергија . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Укупна енергија у механици . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Сажети преглед градива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Питања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5

4. ОСНОВЕ РЕЛАТИВИСТИЧКЕ МЕХАНИКЕ

ни ке

4.1. Специјална теорија релативности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.2. Релативистичко скраћење (контракција) дужине тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.3. Дилатација (успорење) времена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Ајнштајново релативистичко сабирање брзина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.4. Зависност масе од брзине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.5. Веза енергије и масе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Сажети преглед градива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Питања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5. ОСНОВНА ФИЗИЧКА ПОЉА

За во

д

за

уџ

бе

5.1. Врсте и подела физичких поља . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 5.2. Њутнов закон гравитације . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.3. Гравитационо поље . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Јачина гравитационог поља . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Потенцијална енергија гравитационе силе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Потенцијална енергија тела на великом растојању од Земље . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Потенцијал гравитационог поља (Земље) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.4. Кулонов закон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.5. Електрично поље . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Јачина електричног поља . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Потенцијална енергија електричног поља и електрични потенцијал . . . . . . . . . . . . . 118 Електрични флукс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.6. Електрична капацитивност . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Електрични кондензатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Енергија електростатичког поља . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Сажети преглед градива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Питања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6. ЗАКОНИ ОДРЖАЊА 6.1. Општи карактер закона одржања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 6.2. Закон одржања импулса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Реактивно кретање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133 6.3. Закон одржања момента импулса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Други Кеплеров закон – последица Закона одржања момента импулса . . . . . . . . . . . 135 6.4. Закон одржања енергије у механици . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Друга космичка брзина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Унутрашња енергија . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

6

садржај

ни ке

Промена унутрашње енергије . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Количина топлоте . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Први принцип термодинамике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 6.5. Закон одржања масе и наелектрисања у класичној физици . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 6.6. Релативистички закон одржања масе и енергије . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 6.7. Описивање кретања законима одржања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Нееластичан судар . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Еластични судар . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Сажети преглед градива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Питања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 7. МОЛЕКУЛАРНА ФИЗИКА

За во

д

за

уџ

бе

7.1. Макроскопска тела као скупови великог броја честица (молекула, атома и др.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Димензије и маса атома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 7.2. Чврста тела. Кристали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Еластичност чврстих тела. Хуков закон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 7.3. Течности. Површински напон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 7.4. Општа својства гасова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Увод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Модел идеалног гаса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Основна једначина молекуларно-кинетичке теорије идеалног гаса . . . . . . . . . . . . . . . 162 7.5. Средња кинетичка енергија молекула и температура идеалног гаса . . . . . . . . . . 164 Температура и апсолутна нула . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 7.6. Општа једначина стања идеалног гаса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 7.7. Дискусија једначине стања идеалног гаса – гасни закони . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Бојл–Мариотов закон (изотермски процес) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Шарлов закон (изохорски процес) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Геј-Лисаков закон (изобарски процес) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 7.8. Ентропија. Други принцип термодинамике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Ентропија . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Други принцип термодинамике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Сажети преглед градива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Питања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

7

1

физика и њене методе проучавања

.

1.1.

ФИЗИКА – ФУНДАМЕНТАЛНА ПРИРОДНА НАУКА

за

уџ

бе

ни ке

Физика је основна природна наука, која проучава и објашњава промене у природи које називамо физичким појавама. Физика изучава и основна својства и структуру материје. Под природним појавама подразумевају се све промене у природи. Физика је једна од најстаријих наука и њен задатак је одувек био да проучи својства тела у природи, да открије основне силе међусобног дејства тела и да објасни одговарајуће појаве и њихове законитости. Наш свакодневни живот је проткан разноврсним променама које се покоравају физичким законима, па је, због тога, један од важних задатака физике и да укаже на повезаност научног сазнања и практичног живота. Знање из физике и упознавање њеног развоја доприноси формирању правилног погледа на свет уопште. Зашто кажемо да је физика фундаментална (основна) природна наука? Сви физички закони имају општи карактер, то значи да су основа и у другим природним наукама. Закону гравитације покоравају се сва тела без обзира на то да ли се налазе на Земљи, негде у васиони, или потичу из микросвета. Закони одржања једнако важе и у хемијским и у биолошким процесима.

За во

д

ФИЗИКА И ДРУГЕ НАУКЕ

Слика 1.1. Рендгенски апарат

У савременој науци о природи, тешко је повући границу између физике и осталих природних наука. Оне се узајамно преплићу и прожимају. Физика условљава развој других наука, али и друге науке, такође подстичу развој физике. Физика и математика. Присутност математике је веома изражена у физици. Законе природе најтачније и најконкретније представљамо математичким формулама. Историја науке је показала да је развој појединих области физике био условљен развојем одређених области математике. Физика и техника. Технички прогрес у великој мери зависи од развитка физике. Класична и савремена техника (уређаји које користимо свакодневно и уређаји који су веома сложени) су засноване на коришћењу физичких појава и њихових закона. Свако ново откриће у физици, пре или касније, доводи до нових техничких остварења и могућности. Физика и медицина. Примери су многобројни. Многе методе за дијагностику и терапију које се данас примењују у медицини (рендгенски апарати, изотопи, ласери, ултразвучни уређаји и др.) „рођене“ су у физичким лабораторијама.

Слика 1.2. Ласер у медицини

8

физика и њене методе проучавања

Проучавање космоса не може се замислити без уређаја које су открили физичари (телескопи, разни детекциони уређаји). Помоћу вештачких земљиних сателита остварују се радио-везе и телевизијска комуникација. Дакле, открића у физици су основа технике.

ни ке

Физика и астрономија. Истраживањима тајни космичког простора највише је допринела физика. Постоји и посебна грана физике – астрофизика –која је усмерена на проучавања космичког света. Нове методе и нова техничка средства омогућила су посматрања космичких објеката. Физичке методе и уређаји који се користе у астрономским истраживањима су: спектрална анализа, оптички телескоп, фотографско снимање космичких објеката и др.

За во

д

за

уџ

бе

Слика 1.3. Ултразвучни уређај

Слика 1.4. Вештачки сателит

Слика 1.5. Телескоп у астрономији

Физика и биологија. Узајамна веза ове две науке је веома плодотворна и омогућава да се схвати суштина сложених биолошких система и појава. Познавање физичких појава, процеса и њихових законитости, знатно доприноси и схватању феномена који су значајни за живи свет. Многи уређаји (оптички инструменти, разни детектори и др.) и методе користе се у проучавањима биолошких процеса. Физика и географија. Многе области географије имају физичку основу (струје у морима и океанима, појава ветра, кружни ток воде у природи, зависност климе од физичких параметара, Земљина магнетна својства, употреба компаса, процеси у атмосфери и др.).

Слика 1.6. Електронски микроскоп

9

1

физика и њене методе проучавања

.

1.2. ФИЗИЧКЕ ВЕЛИЧИНЕ. МЕРЕЊЕ

ФИЗИЧКЕ ВЕЛИЧИНЕ

за

уџ

бе

ни ке

За проучавање и описивање својства тела и појава у физици користе се физичке величине. Кретање тела, на пример, описује се величинама: пут, брзина, убрзање, време. Маса је величина којом се одређује својство инертности тела. Притисак, запремина и температура су величине којима се описује стање неког гаса у затвореном суду итд. Појмови којима се описују својства тела, њихова стања, кретање тела и уопште физичке појаве називају се физичке величине. Физичка величина се изражава преко бројчане вредности (чисти број) и одговарајуће јединице мере. Физичка величина = бројчана вредност x јединица. За физичку величину симболично означену са a наведена релација може да буде приказана у облику: a={a}[a],

За во

д

где је са {a} означена бројчана вредност за a, док [a] представља мерну јединицу за a.

Слика 1.7. Еталон метра

Слика 1.8. Еталон килограма

10

На пример, маса тела је 10 kg. Уз бројчану вредност написали смо и мерну јединицу – kg; бројчана вредност величине не би имала смисла без мерне јединице. Када се физичке величине комбинују множењем или дељењем, тада се уобичајена правила аритметике примењују и на бројчану вредност и на мерну јединицу. До бројне вредности физичке величине долази се мерењем. Мерењем се утврђује колико је пута вредност дате величине већа или мања од вредности исте такве величине која је, договором, изабрана за јединицу. На пример, када се мери дужина табле, упоређује се њена дужина са дужином лењира чија је дужина један метар. Ако је, на пример, установљено да је дужина табле 2,5 пута већа од дужине лењира, тада кажемо да табла има дужину 2,5 m.

физика и њене методе проучавања

ОСНОВНЕ И ИЗВЕДЕНЕ ВЕЛИЧИНЕ И ЈЕДИНИЦЕ

ДУЖИНА

СЕКУНДА

s

МЕТАР

m

m

КИЛОГРАМ

kg

T

КЕЛВИН

K

АМПЕР

A

J

КАНДЕЛА

cd

nm

МОЛ

mol

I

За во

ЈАЧИНА ЕЛЕКТРИЧНЕ СТРУЈЕ

д

ТЕМПЕРАТУРА

за

l, s, r

МАСА

ЈАЧИНА СВЕТЛОСТИ

КОЛИЧИНА СУПСТАНЦЕ

ЈЕДИНИЦА

ОЗНАКА ЈЕДИНИЦЕ

t

бе

ВРЕМЕ

УОБИЧАЈЕНА ОЗНАКА

уџ

НАЗИВ ВЕЛИЧИНЕ

ни ке

Све физичке величине могу да се поделе у две основне групе: основне и изведене. Та подела се односи и на мерне јединице, тако да постоје основне и изведене јединице. Постоји седам основних физичких величина. Све друге физичке величине могу да се изразе помоћу њих. У Међународном систему јединица (SI), који је по закону обавезан и у нашој земљи, основне физичке величине и њихове јединице приказане су у табели. Табела 1

Остале физичке величине изведене су помоћу ових седам основних величина и зову се изведене величине. Њихове јединице се изражавају помоћу основних јединица. Примери изведених величина су брзина и убрзање, чије се јединице изражаm вају преко јединица за дужину и време: јединица за брзину је s , а за убрзање m . Јединица за силу је њутн (N). Изражава се преко јединица за масу, дужину и s2 m време: N = kg 2 итд. s

11

1

.

физика и њене методе проучавања МЕТОДЕ ПРОУЧАВАЊА У ФИЗИЦИ

За во

д

за

уџ

бе

ни ке

Најраније настала и примењена метода проучавања у физици јесте метода посматрања. Људи су од давнина посматрали појаве које се збивају у природи и покушавали да их протумаче. Тај начин изучавања, није довољан за потпуну научну анализу неке природне појаве. Непосредно, пасивно посматрање неке појаве у природи не даје ваљане резултате због краткотрајности, односно немогућности да се појаве контролишу и понове више пута. Зато су физичари често сами стварали услове за настанак неке природне појаве у својим кабинетима и научним лабораторијама. Тако је настала метода проучавања огледом – експериментом. Физички експеримент (оглед) представља проучавање појава у посебно припремљеним и контролисаним условима. Експериментално истраживање је основни метод проучавања појава у физици. Овом методом су елиминисани споредни утицаји на појаву која се проучава. Наведимо један пример: у основној школи смо научили да сва тела падају на Земљину површину ако их испустимо са произвољне висине, услед Земљиног привлачног деловања (слободан пад). Непосредним посматрањем у природним условима, уочавамо да тела веће масе падају брже а тела мање масе спорије. Ово нас може довести до потпуно погрешног закључка: да Земља телима веће масе даје веће убрзање, а да телима мање масе даје мање убрзање. У свакој физичкој лабораторији изводљив је експеримент са слике. У затвореној стакленој цеви, у којој је присутан ваздух, гвоздена куглица ће пасти на дно цеви пре перцета (пуштамо их са исте висине и истовремено). Ако се пумпом из цеви потпуно извуче ваздух, и куглица и перце кретаће се истом брзином и истовремено ће доспети на дно цеви. Дакле, у лабораторији су обезбеђени вакуум пумпа вакуум посебни услови у којима је елиминисан утицај ваздуха, тако да је омогућено проупумпа чавање изоловане појаве кретања тела искључиво под утицајем Земљине теже. Ово потврђује већ речено, то јест да је експериментално истраживање основни метод проучавања у физици. Због тога је физика експериментална наука. Међутим, да ли је то довољно – извести експеримент и донети одређени закључак? Сл. 1.9. Слика.

1.9.Експеримент Експеримент Неопходно је из мноштва експеримената извући опште закључке, и потом повезати привидно различите појаве. То се постиже стварањем физичке теорије. Физичка теорија је скуп систематизованих сазнања о одређеној групи сродних појава, њиховој повезаности и узајамној условљености. Теорија и експеримент су једнако важни у физици, и они морају бити усаглашени. Наиме, оно што експеримент покаже теорија треба да објасни, а оно што теорија предвиди експеримент треба да потврди. Из свега наведеног, следи закључак: Физика је експериментална и теоријска наука.

12

физика и њене методе проучавања

1.3. ФИЗИЧКИ ЗАКОНИ И ПРИНЦИПИ Један од основних задатака физике јесте да установи правилности по којима се одвијају физичке појаве, као и њихову узајамну повезаност и условљеност. Те правилности се исказују физичким законима.

ни ке

Физички закон квантитативно изражава везу између физичких величина које описују својство тела, одређену појаву или скуп појава.

F . m

уџ

a=

бе

До физичког закона се долази на основу експерименталних података или они настају као разултат теорије. Физички закон карактерише математичка форма и одређена формулација. Сетимо се II Њутновог закона динамике који у математичкој форми, има облик:

За во

д

за

Интензитет убрзања тела сразмеран је интензитету силе која делује на тело, а обрнуто сразмеран маси тела. У основној школи смо упознали још један закон, који се односи на електричну струју, а то је Омов закон за део електричног кола. Математички израз овог закона је: I=

U .

R

Јачина електричне струје I управо је сразмерна напону U, а обрнуто сразмерна електричној отпорности R проводника. Оба ова закона важе у различитим областима физике: Њутновом закону покоравају се појаве у механици, а Омовом закону електрична струја. Међутим, постоје и такви физички закони чија се примена не може ограничити на одређену групу физичких појава. Такви општеважећи физички закони зову се принципи. Они су потврђени и важе за све природне појаве: физичке, хемијске, биолошке, и др. Такав један закон је Закон одржања енергије.

13

1

.

физика и њене методе проучавања САЖЕТИ ПРЕГЛЕД ГРАДИВА ♣ Физика је природна наука која проучава опште облике кретања ма-

терије (механичко, топлотно, електромагнетно и друга), грађу материје и основна својства материје (инертност тела, електрична, магнетна итд.).

♣ Физика је фундаментална (основна) наука; њене методе истраживања,

ни ке

основни појмови, величине и закони користе се и у другим природним наукама. Физика је експериментална, теоријска и примењена наука.

♣ Сазнања у физици су знатно унапредила услове човековог живота. Дана-

шња физика „рађа“ сутрашњу технику.

бе

♣ Физика је тесно повезана са другим природним наукама, посебно са математиком. Веза међу наукама је двосмерног карактера.

за

уџ

♣ Први корак изучавања у физици је непосредно посматрање, други, проучавање појава у посебно припремљеним и контролисаним условима – експеримент (оглед). На основу резултата огледа (њиховим повезивањем и уопштавањем), долази се до одређених закона и теорија. Коначно постигнути резултати у физици постају основа за техничка остварења. ♣ За проучавање појава и описивање својстава тела у физици користе се

За во

д

физичке величине. Физичка величина се изражава преко бројчане вредности и одговарајуће мерне јединице. Све физичке величине подељене су у две главне групе: основне и изведене. Постоји седам основних физичких величина са одговарајућим мерним јединицама: време (секунда), дужина (метар), маса (килограм), температура (келвин), електрична струја (ампер), јачина светлости (кандела), количина супстанце (мол). Помоћу основних величина и њихових мерних јединица изражавају се све друге (изведене) физичке величине и њихове јединице. Бројна вредност (или само вредност) физичке величине одређује се мерењем. Скуп поступака (операција) којима се одређује вредност величине изражена одговарајућом мерном јединицом, назива се мерење. Мерењем се утврђује колико је пута вредност дате величине већа или мања од вредности исте такве величине која је договором изабрана за јединицу мере.

♣ Веза између физичких величина изражава се физичким законом. Најопштији физички закони чија примена није ограничена као што су нпр. закони одржања: енергије, масе, количина наелектрисања и други, имају значење принципа.

14

физика и њене методе проучавања

ПИТАЊА

За во

д

за

уџ

бе

ни ке

1. Шта изучава физика?

2. Зашто се каже да је физика фундаментална наука?

3. Како физика утиче на развој других наука?

4. Која открића у физичким лабораторијама су довела до нових техничких остварења?

5. Како физика утиче на развој технике?

6. Које методе проучавања користи физика?

7. Како дефинишемо експеримент?

8. Шта је теорија?

9. Да ли су теорија и експеримент повезани?

10. Шта је физички закон?

11. Шта је физички принцип?

12. Шта су физичке величине?

13. Које су основне физичке величине?

14. Наведите неке изведене физичке величине.

15. Шта је мерење?

15