Fizyka

Zadania i przykłady z fizyki. Podręcznik dla studentów wyższych szkół technicznych, wydanie ósme poprawione i rozszerzone

Celem autorów opracowania było nie tylko napisanie akademickiego zbioru zadań z fizyki, ale zaproponowanie praktycznego kompendium wiedzy z zakresu podstaw fizyki. W książce zamieszczono 60 rozwiązanych przykładów oraz 500 zadań do samodzielnego rozwiązania z odpowiedziami. Dotyczą one podstawowych działów fizyki, wykładanych w ramach politechnicznych i uniwersyteckich studiów I stopnia. Każdy dział poprzedzony jest zwięzłym wprowadzeniem teoretycznym, zawierającym skondensowane przypomnienie najważniejszych definicji, wzorów i praw fizyki. W efekcie powstał autonomiczny podręcznik ukierunkowany na praktyczne wykorzystanie zdobytej wiedzy.

Książka jest trzecim wydaniem zapisu wykładów z fizyki, które od wielu lat prowadzę
dla studentów różnych kierunków studiów w Politechnice Śląskiej. Różnice w programach
powodują, że zestaw zagadnień opisanych w książce znacznie wykracza poza materiał
kursu fizyki dla konkretnego kierunku studiów.
Główną zmianą w stosunku do wydania drugiego jest opracowany od nowa rozdział
poświęcony cząstkom elementarnym i podstawom Modelu Standardowego. Uzupełniony
został opis zjawisk termoelektrycznych. Poprawiono zauważone błędy edytorskie.
W związku z różnym stopniem przygotowania słuchaczy wykładów, a prawdopodobnie
również Czytelników, starałem się, na ile jest to oczywiście możliwe, przekazać podstawowe
wiadomości z fizyki w sposób usystematyzowany, bez odwoływania się do wcześniej
zdobytej wiedzy. Na końcu Czytelnik znajdzie rozdział poświęcony przydatnym w korzystaniu
z podręcznika wiadomościom z matyki. Zakładam, że korzystający z książki mieli
wcześniej kontakt z fizyką, przynajmniej na poziomie podstawowym i znają matematykę
w zakresie szkoły średniej.
W książce znajdziecie Państwo wiadomości ze wszystkich podstawowych działów fizyki.
Moim celem było ich przedstawienie w formie możliwie skondensowanej, jednak bez
utraty logiki wyprowadzeń. Dlatego w większości przypadków starałem się wychodzić od
podstawowych praw i zasad, i przedstawiać tok rozumowania prowadzący do kolejnych
wniosków. Unikałem stwierdzeń: „jak powszechnie wiadomo”, „po prostych przekształceniach
otrzymujemy”, itp. Starałem się przedstawiać pełne wyprowadzenia większości
wzorów. Zrezygnowałem natomiast z odniesień do historii fizyki, opisywania przykładów
zastosowań praktycznych opisywanych zjawisk, czy przedstawiania rozwiązań wybranych
zadań. Moim zdaniem temu celowi służą wykłady i ćwiczenia. Podręcznik ma przede
wszystkim ułatwić przygotowanie się do zajęć i egzaminów i umożliwić szybkie znalezienie
potrzebnych definicji, praw i wzorów. Proszę jednak pamiętać, że podręcznik nie jest
pełnym kursem fizyki ogólnej. Brak w nim na przykład szerszego przedstawienia wiadomości
z optyki geometrycznej, opisu prądu elektrycznego w gazach i elektrolitach, itd. Są
to zagadnienia, które nie wchodzą w standardy kształcenia inżynierów w zakresie fizyki
i dlatego zostały pominięte. Nie oznacza to, że nie mogą się okazać przydatne. Część z nich
jest omawiana w ramach innych przedmiotów wykładanych na studiach technicznych.
Mam nadzieję, że książka spotka się z życzliwym przyjęciem Czytelników, a studentom
ułatwi „przebrnięcie” przez fizykę. Jeżeli książka ta przyczyni się do dostrzeżenia
przez studentów, że fizyka nie jest zbiorem oderwanych wzorów i regułek, ale nauką logiczną,
mającą zastosowanie do opisu otaczającego nas świata, to będę to uważał za
największy sukces.
Przygotowując trzecie, uzupełnione i poszerzone wydanie podręcznika korzystałem
z uwag przekazanych przez dotychczasowych Czytelników. Dotyczyły one tak błędów
edycyjnych, jak i fragmentów niejasnych lub wymagających uzupełnienia. Poprawiłem
również kilka dostrzeżonych błędów o charakterze merytorycznym. Chcę w tym miejscu
podziękować wszystkim, którzy przyczynili się do poprawienia poziomu merytorycznego
i edycyjnego książki. Jednocześnie proszę o przekazywanie wszelkich uwag dotyczących niniejszego
wydania. Na pewno w nie udało mi się również w nim uniknąć błędów. Wszelkie
uwagi proszę przekazywać pocztą elektroniczną na adres jerzy.bodzenta@polsl.pl. Podobnie
jak w przypadku poprzednich wydań, jeżeli będzie to konieczne, przygotuję erratę,
która będzie dostępna na Platformie Zdalnej Edukacji Politechniki Śląskiej. Uwagi Czytelników
są dla mnie niezmiernie cenne i za wszystkie z góry dziękuję.
Jerzy Bodzenta

Wybrane problemy fizyki z rozwiązaniami, cz. II jest kontynuacją pierwszej części wydanej w 2008 roku. Zawarliśmy w niej zagadnienia z termodynamiki i transportu ciepła, elektromagnetyzmu, optyki geometrycznej i falowej, mechaniki kwantowej i fizyki jądra atomowego. Podręcznik ma na celu przybliżyć studentom prawa fizyki i nauczyć posługiwania się nimi w praktyce. Umiejętność ta jest niezbędna dla każdego studenta wyższej uczelni technicznej. Teoretyczne podstawy fizyki i ich zastosowania ilustrowane prostymi przykładami są przekazywane studentom w trakcie wykładów. W podręczniku ograniczyliśmy się tylko do krótkiego i zwięzłego wstępu przedstawiającego podstawowe założenia i metody danego działu fizyki. Przyjęliśmy metodę pokazywania, jak w praktyce te prawa fizyki stosować. Przedstawione metody rozwiązywania zadań w wielu przypadkach nie są jedynymi metodami. Wybierając zagadnienia, staraliśmy się, jeśli to tylko było możliwe, by były one modelami zjawisk obserwowanych w otoczeniu. Z doświadczenia wiemy, że rozwiązywania problemów nie można się nauczyć, patrząc, jak ktoś inny je rozwiązuje. Bez pracy samodzielnej nie można przyswoić sobie żadnej wiedzy. Dlatego też proponujemy korzystającym z podręcznika uważne przeanalizowanie przedstawionych rozwiązań celem dobrego zrozumienia praw fizyki. Jednocześnie zachęcamy do samodzielnego rozwiązywania zadań umieszczonych na końcu każdego rozdziału, jako formę sprawdzenia nabytych umiejętności. Część zadań zamieszczonych w podręczniku ma swoje źródło w cytowanej literaturze, inne są zagadnieniami omawianymi od lat ze studentami i ich autorstwa nie jesteśmy w stanie ustalić. Przedstawione metody rozwiązywania tych zadań są naszego autorstwa. Stopień trudności zamieszczonych zadań jest zróżnicowany. Niektóre z nich mogą być z powodzeniem rozwiązywane przez uczniów szkół średnich oraz studentów, którzy spotykają się z wieloma pojęciami po raz pierwszy, inne zaś – o dużym stopniu trudności – dla studentów w sposób szczególny zainteresowanych przedmiotem

Wybrane problemy fizyki z rozwiązaniami, cz. I powstał z myślą o studentach uczelni technicznych, którzy w programie studiów mają zajęcia z fizyki. Inspiracją do jego napisania były doświadczenia autorów wynikające z wieloletniej pracy ze studentami Politechniki Rzeszowskiej różnych kierunków. Niniejszy podręcznik ma na celu przybliżyć studentom prawa fizyki i nauczyć posługiwania się nimi w praktyce. Umiejętność ta jest niezbędna dla każdego studenta wyższej uczelni technicznej. Teoretyczne podstawy fizyki i ich zastosowania ilustrowane prostymi przykładami są przekazywane studentom w trakcie wykładów. W podręczniku ograniczyliśmy się tylko do krótkiego i zwięzłego przypomnienia podstawowych założeń i metod danego działu fizyki. Przyjęliśmy metodę pokazania, jak w praktyce te prawa fizyki należy stosować. Przedstawione sposoby rozwiązywania problemów w wielu przypadkach nie są jedynymi metodami. Wybierając problemy, staraliśmy się, jeśli to tylko było możliwe, by były one modelami zjawisk obserwowanych w otoczeniu. Z doświadczenia wiemy, że rozwiązywania problemów nie można się nauczyć, patrząc jedynie, jak ktoś inny je rozwiązuje. Bez pracy samodzielnej nie można przyswoić żadnej wiedzy. Dlatego też proponujemy korzystającym z podręcznika uważne przeanalizowanie rozwiązań problemów celem dobrego zrozumienia praw fizyki. Jako formę sprawdzenia nabytych umiejętności zachęcamy do samodzielnego rozwiązania zadań zamieszczonych na końcu każdego rozdziału. Podręcznik będzie również pomocny nauczycielom akademickim, gdyż pozwoli na korzystanie z jednolitej i łatwo dostępnej, uzupełniającej zajęcia literatury. Jest to tym bardziej istotne, że czas przewidziany na ćwiczenia rachunkowe z fizyki jest bardzo ograniczony. Część zadań zamieszczonych w podręczniku ma swoje źródło w cytowanej literaturze, inne są zadaniami rozwiązywanymi od lat ze studentami i ich autorstwa nie jesteśmy w stanie ustalić. Natomiast przedstawione metody rozwiązywania tych problemów są naszego autorstwa. Stopień trudności zamieszczonych zadań jest zróżnicowany. Niektóre z nich mogą być z powodzeniem rozwiązywane przez uczniów szkół średnich. Są one przeznaczone dla studentów, którzy spotykają się z wieloma pojęciami po raz pierwszy, inne zaś, o dużym stopniu trudności, dla studentów w sposób szczególny zainteresowanych przedmiotem. Podręcznik jest podzielony na dwie części. W pierwszej przedstawiono problemy z mechaniki klasycznej i szczególnej teorii względności. Druga część zawiera termodynamikę, elektromagnetyzm, optykę, elementy mechaniki kwantowej i fizyki jądra atomowego

Wstęp do równań fizyki matematycznej.

Teoria równań różniczkowych cząstkowych jest obecnie szeroką dyscypliną
wykorzystującą i inspirującą wiele innych działów matematyki, a także fizyki biologii, ekonomii oraz ekologii. Nie jest możliwe podanie wyczerpującego opisu tej dyscypliny podczas jednego kursu z tego przedmiotu. Dlatego ninieisza publikacja jest wprowadzeniem wybranych klasycznych oraz pewnych nowoczesnych zagadnień fizyki matematycznej i ich zastosowań.
Mamy nadzieję, że wybór tematów sprawi, iż książka szybko poprowadzi czytelnika od ogólnej teorii do bardziej specjalistycznych zastosowań, a także do inspirujących zagadnień badawczych. Publikacja ta powinna być użyteczna nie tylko dla matematyków, ale również dla informatyków, fizyków i mechaników, ze względu na dobór tematów.
W celu pełnego zrozumienia treści zawartych w tej książce czytelnik powinien opanować wiadomości z kursów z algebry, topologii, analizy matematycznej oraz analizy funkcjonalnej wykładanych podczas początkowych lat studiów na uniwersytetach i uczelniach technicznych.

Podstawą fizyki materii skondensowanej są kwantowe własności materiałów – cieczy kwantowych i innych układów wielocząstkowych – oraz ich własności fizyczne i zachodzące w nich przejścia fazowe.

Książka jest nowocze...

Podstawą fizyki materii skondensowanej są kwantowe własności materiałów – cieczy kwantowych i innych układów wielocząstkowych – oraz ich własności fizyczne i zachodzące w nich przejścia fazowe.

Książka jest nowoczesnym podręcznikiem, w którym oprócz zagadnień omawianych tradycyjnie są opisane również najnowsze odkrycia z ostatnich lat. Wiele z nich jest przedstawionych w nowy, przejrzysty sposób, dzięki czemu łatwiejsze staje się samodzielne ich zgłębianie.

W kolejnych częściach omówione zostały:
-problemy podstawowe pochodzące z mechaniki kwantowej i elementarnej fizyki statystycznej przeplatane współczesnymi przykładami ilustrującymi tę dziedzinę (m.in. podstawowe własności kwantowe materii, statystyki kwantowe Fermiego–Diraca i Bosego–Einsteina na przykładach gazu idealnego i słabo oddziałującego, kondensat Bosego–Einsteina oraz kwantowy gaz (i ciecz) Halla);
-zagadnienia dotyczące stanów jednocząstkowych oraz sieci krystalicznych, w tym funkcje falowe Blocha, funkcje Wanniera, przybliżenie ciasnego wiązania model Kroniga–Penneya i studnie kwantowe, grafen jako przykład układu dwuwymiarowego;
-bardziej zaawansowane, wybrane tematy fizyki układów oddziałujących cząstek kwantowych i obserwowanych w nich przejść fazowych, m.in. koncepcja kwaziczastki, oddziaływanie wymiany, parowanie Coopera, teoria Ginzburga–Landaua.

Książka została napisana z myślą o studentach i pracownikach naukowych zajmujących się fizyką ciała stałego, kwantową inżynierią materiałową, elektroniką kwantową oraz astrofizyką.
 

Wstęp do fizyki materii skondensowanej

Nowatorski charakter podręcznika jest widoczny przede wszystkim w jego treści. Poza kanonem zawierającym zagadnienia, z których niektóre zostały przebadane już w początkach mechaniki kwantowej, podręcznik zawiera m.in. omówienia kwantowego efektu Halla, niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa czy układów ciężkofermionowych. Są to współczesne zagadnienia, z którymi do tej pory studenci mogli zapoznać się albo z książek anglojęzycznych, albo wręcz z oryginalnych publikacji w czasopismach naukowych. Ale są to jednocześnie zagadnienia, które już dzisiaj mają wpływ na postęp technologiczny, a więc które każdy student studiujący fizykę czy kierunki pokrewne, jak naukę o materiałach albo nanotechnologię, powinien znać.

(Z recenzji prof. dr. hab. Macieja Maśki)

Celem książki jest zaznajomienie studentów z podstawowymi pojęciami fizyki ciała stałego oraz wyrobienie u nich odpowiedniej intuicji fizycznej, co jest niezbędne wszystkim studentom Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej. Z tego powodu Autorzy pominęli niektóre tradycyjne zagadnienia fizyki ciała stałego, uwzględniając mniej znane tematy, które są szczególnie istotne dla rozwoju współczesnej fizyki. Sporo miejsca poświęcono np. krystalografii i rozmaitym symetriom, fizyce defektów w kryształach, a także fizyce ciał amorficznych, które przez długie lata w ogóle nie były zaliczane do ciał stałych. Zwrócono także uwagę na pewne stosunkowo nowe zagadnienia, takie jak: przewodniki superjonowe, materiały interkalowane, fullereny i fulleryty, kwazikryształy i nanomateriały. 
 

Pracownia fizyczna wspomagana komputerem

Nowe, gruntownie zmienione wydanie znanego od lat podręcznika. Postęp w metodach rejestracji i analizy wyników oraz w technice pomiarowej, sprowadzający się najczęściej do posługiwania się komputerem z odpowiednim interfejsem pomiarowym, spowodował konieczność napisania w zasadzie na nowo większej części książki, z pozostawieniem tylko tych doświadczeń tradycyjnych, których walor dydaktyczny był oczywisty. W dodanych opisach zupełnie nowych doświadczeń np. pomiar prędkości światła metodą czasu przelotu. Wymianie uległo wiele rysunków. Został dołączony pokaźny zestaw doświadczeń wspomaganych komputerowo. Uwzględniono nowe przyrządy, które pojawiły się na rynku i liczne modyfikacje starych przyrządów fizycznych.

Publikacja przeznaczona dla studentów fizyki i nauk przyrodniczych na uniwersytetach, studentów uczelni technicznych oraz nauczycieli fizyki.

brak opisu

...W publikacji omówiono zarówno podstawy doświadczalne, jak i modele teoretyczne wszystkich działów fizyki klasycznej, mechaniki kwantowej, fizyki jądrowej oraz podstawy fizyki ciała stałego. Prezentację materiału przeprowadzono za pomocą analizy matematycznej i algebry, stopniując trudność zagadnień. 
 
W obecnym piątym wydaniu podręcznika wprowadzono wiele zmian. Przede wszystkim ulepszono jego szatę graficzną. Poprawki objęły też prawie wszystkie rysunki. Szereg zmian merytorycznych wprowadzono do treści poszczególnych rozdziałów. Poszerzono indeks przedmiotowy, dodano tablicę stałych fizycznych, tablicę pochodnych podstawowych funkcji, kilka ważniejszych wzorow trygonometrycznych oraz uproszczony układ okresowy pierwiastków Mendelejewa.

Podręcznik powstał na podstawie wykładów fizyki ogólnej prowadzonych przez autorów dla studentów różnych wydziałów Politechniki Warszawskiej, a przede wszystkim studentów Wydziału Fizyki, dlatego treść dostosowana jest głównie do wymagań programowych tego właśnie wydziału. Podręcznik może być również przydatny dla studentów innych wydziałów (także innych szkół technicznych), a także wydziałów uniwersyteckich. Zrozumienie przedstawionego w podręczniku materiału wymaga znajomości (początkowo w niewielkim stopniu) analizy matematycznej i algebry. Ponieważ zazwyczaj przedmioty te są wykładane na pierwszych semestrach studiów (równolegle z fizyką) starano się, aby bardziej zaawansowany aparat matematyczny wprowadzany był stopniowo i aby nowym pojęciom matematycznym nadawać interpretację fizyczną. Większość materiału wyłożono w sposób tradycyjny, bowiem ograniczona objętość podręcznika nie pozwalała na eksperymentowanie w tym zakresie. W obecnym wydaniu dokonano wielu zmian. Przede wszystkim wprowadzono nowe definicje i siedem podstawowych jednostek miar, które obowiązują od 20 maja 2019 roku. Do treści poszczególnych rozdziałów (zwłaszcza 11–14) wprowadzono szereg zmian merytorycznych. Dla wygody Czytelnika poszerzono indeks przedmiotowy, dodano tablicę stałych fizycznych, tablicę pochodnych podstawowych funkcji oraz kilka ważniejszych wzorów trygonometrycznych.