Fizyka wokół nas - ebook

ALBUM FOTOGRAFICZNY FIZYKI

Fizyka wokół nas jest bardzo osobistą książką, o czym świadczą liczne zdjęcia rodziny i przyjaciół, a także wspierających mnie kolegów i znajomych z całego świata. Wiele osób przedstawiono na stronach otwierających poszczególne rozdziały, nie chcę więc, z kilkoma wyjątkami, powtarzać tutaj ich nazwisk. Wymieniam za to członków rodziny i przyjaciół, których zdjęcia rozpoczynają kolejne części książki. Zacznijmy od zdjęcia na str. 1, na którym wnuk cioteczny Evan Suchocki siedzi na moich kolanach.

Część pierwszą rozpoczyna (na str. 23) Charlotte Ackerman, córka moich przyjaciół Duana Ackermana i Ellen Hum. Część drugą otwiera Andrea Wu (pojawia się również na str. 161 i 618); jest ona córką mieszkającego na Hawajach mojego przyjaciela Chiu Man Wu (str. 401). Część trzecią (str. 355) zapowiada czteroletni Francesco Ming Giovannuzzi z Florencji, wnuk przyjaciół Keith i Tsinga Bardinów (str. 304). Czwartą część (str. 445) przedstawia Abby Dijamco, córka mojej ostatniej asystentki z City College of San Francisco (CCSF), dentystki Stelli Dijamco. W części piątej na str. 507 znajduje się fotografia mojej wnuczki Megan, córki Leslie i Boba Abramsów. Część szóstą otwiera (str. 608) bratanek Lillian – Christopher Lee. Na stronie 751 w części siódmej znajduje się Wiliam Davis, syn moich przyjaciół Alana oraz Fe Davisów. Moja wnuczka Grace Hewitt rozpoczyna część ósmą (str. 822).

Przyjaciele i współpracownicy z CCSF otwierają kilka rozdziałów i tam też znajdują się ich nazwiska. Zdjęcia w tekście przedstawiają m.in. Willa Mayneza, projektanta i konstruktora toru powietrznego (str. 122), który pojawia się powtórnie na str. 373, gdy spala orzech ziemny. Diana Lininger Markham występuje na str. 36 oraz 197. Fred Cauthen upuszcza piłkę na str. 156.

W książce znaleźli się moi przyjaciele, wykładowcy fizyki z innych szkół i uniwersytetów, łącznie z Evanem Jonesem bawiącym się z Bernoullim na str. 329 i pokazującym oświetlenie LED na str. 719. Pochodząca z Egiptu Mona El Tawil-Nassar ustawia płytki kondensatora na str. 529. Sanjay Rebello z Kansas State University na Manhattanie został pokazany na str. 170. Hawajczyk Walter Steiger pojawia się na str. 782. Chuck Stone z Colorado School of Mines w Golden pokazuje zjeżdżalnię ilustrującą zmiany energii na str. 230.

Pośród moich przyjaciół, nauczycieli fizyki w liceum, znajduje się emerytowany Marshall Ellenstein, która wywija wiadrem wypełnionym wodą na str. 181, spaceruje boso po stłuczonym szkle na str. 328 i pozuje z Richardem Feynmanem na str. 682. Kolejnymi nauczycielami fizyki z Illnois są: Ann Brandon, która jedzie na poduszce powietrznej i Tom Senior muzykujący na str. 503.

Rodzinne zdjęcia rozpoczyna wspólna fotografia z żoną na str. 99, ilustrująca fakt, że nie można dotykać, nie będąc dotykanym. Kolejne uaktualnione zdjęcie na str. 106 dotyczy trzeciej zasady dynamiki Newtona i przedstawia mojego brata Steve’a z córką Gretchen. Travis, syn Steve’a występuje na str. 191, a jego starsza siostra Stephanie – na stronach 287, 680 i 860. Mój syn Paul jest pokazany na str. 381 i 424. Synowa Ludmila Hewitt trzyma skrzyżowane polaroidy na str. 697. Urocza dziewczyna na str. 269 to moja córka Leslie Abrams, współautorka fragmentu dotyczącego nauki o Ziemi w mojej książce Fizyka wokół nas. To kolorowe zdjęcie jest znakiem firmowym książki od trzeciego wydania. Jej późniejsze zdjęcie z mężem Bobem umieszczone jest na str. 610. Ich dzieci: Megan i Emily (str. 694) wraz z dziećmi Paula: Alexem (str. 110) i Grace (str. 489) tworzą kolorowy zestaw zdjęć na str. 639. Fotografie mojego ostatniego syna Jamesa znajdują się na str. 186, 493 i 673. On „obdarował” mnie pierwszym wnukiem Manuelem, widocznym na stronach 292 i 479. Babcia Manuela, czyli moja żona Millie, która zmarła w 2004 roku, odważnie trzyma rękę nad szybkowarem (str. 381). Brat Dave oraz jego żona Barbara demonstrują ciśnienie atmosferyczne na str. 335. Ich syn elektryk (również o imieniu David) pokazany jest na str. 557, a wnuk John Perry Hewitt na str. 345. Siostra Marjorie Hewitt Suchocki, autorka i emerytowana wykładowca teologii w Claremont School of Technology, ilustruje zjawisko odbicia na str. 654. Jej syn, John Suchocki, autor piątego wydania Conceptual Chemistry i chemicznej części mojej książki Fizyka wokół nas jest również piosenkarzem, znanym jako John Andrews. Pogrywa na gitarze na str. 589. Grupa ludzi słuchających muzyki na str. 498 to uczestnicy przyjęcia weselnego mojego siostrzeńca Johna i Tracy Suchockich. Od lewej stoją: Butch Orr, moja siostrzenica Cathy Candler (str. 167 i jej syn Garth Orr na str. 282), panna młoda i pan młody, siostrzenica Joan Lucas (str. 48), siostra Marjorie, rodzice Tracy (Sharon i David Hopwoodowie), znajomi nauczyciele: Kellie Dippel oraz Mark Werkmeister i na końcu ja.

Na zdjęciach przedstawiających rodzinę Lillian znajduje się jej ojciec, a mój teść – Wai Tsan Lee, który demonstruje indukcję magnetyczną (str. 571) oraz matka (moja teściowa) Siu Bik Lee, dobrze wykorzystująca energię słoneczną (str. 393). Mój siostrzeniec i siostrzenica: Erik i Allison Wong w dramatyczny sposób ilustrują termodynamikę na str. 433.

Spośród moich osobistych przyjaciół, a jednocześnie byłych studentów, chciałbym wyróżnić Tenny Lim, inżyniera rakietowego z Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie, rysującą łuk (na str. 140). To zdjęcie pojawiało się w każdym wydaniu tej książki, począwszy od szóstego. Na stronie 178 możemy ją zobaczyć z mężem Markiem Clarkiem na dwukołowych pojazdach typu Segway. Kolejnym moim protegowanym jest rakietowy geniusz Helen Yan, która zajmuje się czujnikami do obrazowania ruchu satelitów dla amerykańskiego koncernu zbrojeniowego Lockheed Martin w Sunnyvale, a oprócz tego wykłada fizykę w CCSF (str. 148). Helen pojawia się ponownie z Richardem Feynmanem i Marshallem Ellensteinem na str. 682. Cliff Braun ze str. 186 ma po lewej stronie mojego syna Jamesa (rys. 8.50), a po prawej swojego bratanka Roberta Baruffaldiego. Alexei Cogan demonstruje środek ciężkości na str. 177, natomiast karateka na str. 116 to Cassy Cosme.

Wśród trzech moich drogich przyjaciół z czasów szkolnych jest Howard Brand (str. 110), Dan Johnson (str. 419) i jego żona Sue, pierwsza wioślarka w wyścigowej łódce na str. 48. Bay, wnuk Dana i Sue Johnsonów, gra na pianinie na str. 496. Kolejnymi cenionymi przyjaciółmi są Ryan Patterson grający na kamertonach na str. 478 oraz Paul Ryan, który ciągnie swój palec po roztopionym ołowiu na str. 413. Wpływ na mój projekt miały też dni malowania znaków i osoba Burla Greya, przedstawionego na str. 36 (z fragmentem dyskusji na s. 33) oraz Jacquesa Fresco na str. 163. Mój drogi przyjaciel Dennis McNelis je pizzę na str. 386. Lary i Tammy Tunisonowie noszą specjalne plakietki, pozwalające określić poziom promieniowania na str. 775 (psy Tammiego występują na str. 399). Greta Novak unosi się na bardzo gęstej wodzie (str. 328), a jej syn Bruce Novak pokazuje dwa rodzaje widma barw (s. 614). Emily, córka Duane’a Ackermana, spogląda przez nowoczesne soczewki. Peter Rea z Arbor Scientific występuje na str. 232. Paul Stokstad z PASCO został przedstawiony na str. 162, a David i Christine Vernierowie z Vernier Software na str. 133.

Włączenie tych bliskich mi ludzi do niniejszej książki sprawia, iż praca nad nią stanowiła dla mnie wielką przyjemność.PRZEDMOWA DO UCZNIA

Jak dobrze wiesz, nie można się cieszyć grą, nie znając jej reguł; niezależnie od tego, czy jest to gra w piłkę, gra komputerowa, czy po prostu gra towarzyska. Podobnie jak nie można w pełni docenić przyrody, nie znając praw nią rządzących. Fizyka jest nauką właśnie o prawach natury, a przy tym jest tak elegancka, że potrafi je opisać starannym językiem matematyki. Jeśli jednak podstawowy kurs fizyki przesadnie koncentruje się na opisie matematycznym, to traci coś bardzo istotnego – rozumienie, wyczucie pojęć fizycznych. Ta książka przedkłada rozumienie nad stronę rachunkową. Traktujemy fizykę pojęciowo, sprowadzoną do języka codziennego. Matematyczną strukturę fizyki zobaczysz w licznych równaniach, lecz są one raczej wskazówkami do przemyśleń, niż przepisami na obliczenia.

Ja lubię fizykę i ty też ją polubisz, jeśli ją zrozumiesz. Gdy po zakończeniu lektury tego podręcznika zaczniesz następne zajęcia, możesz się skoncentrować na problemach matematycznych. Na razie staraj się zrozumieć pojęcia, a gdy przystąpisz do obliczeń, będziesz je lepiej rozumiał.

Przyjemnej fizyki!

PRZEDMOWA DO NAUCZYCIELA

Kolejność rozdziałów w 12. wydaniu książki jest taka sama, jak w poprzednim wydaniu. Nowością są rozszerzone profile osobowe na początku każdego rozdziału, wyróżnienie naukowców, nauczycieli i postaci historycznych, stanowiące uzupełnienie materiału. Każdy rozdział rozpoczyna fotomontaż pedagogów, a czasami ich dzieci, które ożywiają studiowanie książki.

Tak jak w poprzednich wydaniach, rozdział 1 „O nauce” rozpoczyna twoją edukację z wysokiego pułapu, przytaczając informacje dotyczące pomiarów Ziemi, Księżyca i Słońca. Mam nadzieję, że efektowne zdjęcia mojej żony Lillian, otoczonej plamkami światła na chodniku pod wysokim drzewem, skutecznie reklamują jeden z moich ulubionych projektów. Uczniowie badają w nim okrągłe plamki świetlne, tworzące się za otworem na kartce papieru wystawionej na światło słoneczne, by następnie pokazać, jak dzięki tak łatwym pomiarom można określić średnicę Słońca. Projekt ten jest szerzej opisany w książkach: The Practice Book i The Lab Manual.

Część pierwsza „Mechanika” rozpoczyna się w od rozdziału 2, który tak jak w poprzednich wydaniach, przedstawia krótki przegląd poglądów Arystotelesa i Galileusza, przechodząc do pierwszego prawa Newtona oraz równowagi mechanicznej. Wprowadzone zostają wektory sił, przede wszystkim dla sił równoległych. Potem przechodzimy do wektorów prędkości w rozdziale 3, natomiast rozdział 5 opisuje zarówno siłę, jak i wektory siły oraz ich składowe.

Rozdział 3 „Ruch prostoliniowy” jest jedynym, pozbawionym praw fizycznych rozdziałem w części pierwszej. W kinematyce, zamiast praw, występują definicje związane z prędkością, szybkością i przyspieszeniem, a więc prawdopodobnie najmniej ekscytujące pojęcia, z jakimi spotkasz się w tym kursie. Bardzo często kinematyka staje się pedagogiczną „czarną dziurą” nauczania – zbyt wiele czasu poświęca się zbyt małej ilość fizyki. Kinematyczne równania, które przypominają bardziej matematykę niż fizykę, mogą przerażać uczniów. Chociaż doświadczone oko nie odbiera tego w tak straszny sposób, uczniowie, widząc równania po raz pierwszy, postrzegają je tak:

s = s₀ + δτ

s = s₀τ + (1/2) δτ²

s² = s₀² + 2 δs

sd = (1/2)(so + s)

Jeśli chcesz znacznie zredukować liczbę uczniów, zaprezentuj te równania w pierwszym dniu i zakomunikuj, że przez większość semestru będziecie próbowali nadać im sens. Czy nie postępujemy tak samo z innymi standardowymi symbolami?

Zadaj jakiemukolwiek absolwentowi szkoły średniej dwa pytania: Jakie jest przyspieszenie w swobodnym spadku ciała? Co sprawia, że wnętrze Ziemi pozostaje gorące? Zobaczysz wówczas, na czym była skoncentrowana ich edukacja; większość studentów odpowie prawidłowo zapewne na pierwsze pytanie, a nie na drugie. Zazwyczaj kursy przeładowane są kinematyką, z odrobiną lub całkowitym brakiem zagadnień z nowoczesnej fizyki. Na rozpad promieniotwórczy prawie nigdy nie zwraca się tyle uwagi, co na swobodny spadek. Sugeruję więc szybko przejść przez rozdział 3, dokonać rozróżnienia między prędkością, szybkością oraz przyspieszeniem i przenieść się do rozdziału 4 „Druga zasada dynamiki”, w którym powyższe pojęcia znalazły zastosowanie.

Rozdział 5 to kontynuacja trzeciej zasady dynamiki Newtona. Więcej wiadomości o wektorach znajduje się w załączniku D oraz w Practice Book.

Rozdział 6 „Pęd” jest rozwinięciem trzeciej zasady dynamiki Newtona. Jednym z powodów, dla których wolę wprowadzić ten temat przed nauczaniem energii jest fakt, że uczniowie łatwiej przyswajają mυ niż ( mυ²). Ponadto, omówienie wektorów we wcześniejszym rozdziale powiązane jest z pędem, a nie z energią.

Rozdział 7 „Energia” jest dłuższy i bogaty w codzienne przykłady oraz opisy współczesnych problemów energetycznych. Energia jest kluczowa dla mechaniki, dlatego na końcu tego rozdziału znajduje się największa liczba ćwiczeń (80). Pracę, energię i moc omówiono dokładniej w Practice Book.

Po rozdziałach 8 i 9 (mechanika ruchu obrotowego i grawitacja) temat mechaniki kończy się w rozdziale 10 (rzut poziomy i ruch satelitarny). Uczniów fascynuje nauka o tym, że każdy pocisk poruszający się dostatecznie szybko może stać się satelitą Ziemi. Rzut poziomy i ruch satelitarny stanowią jedność.

Część 2 „Własności materii” zawiera rozdziały o atomach, cieczach, ciałach stałych i gazach, tak jak w poprzednich wydaniach. Dzięki nowym aplikacjom – niektórym naprawdę fantastycznym – rozdziały te stały się jeszcze ciekawsze.

Części 3–8 również wzbogacono o przykłady zaczerpnięte ze współczesnej technologii. Nowe rodzaje lamp oświetleniowych CFL i LED wprowadzonych w rozdziale 23 zostały dokładniej omówione w rozdziale 30. Rozdziały, w których dokonano najmniej zmian, to rozdziały 35 i 36. Dotyczą szczególnej i ogólnej teorii względności.

Na końcu każdej z ośmiu części znajduje się test zawierający 30 pytań wielokrotnego wyboru. Odpowiedzi do zadań o numerach nieparzystych oraz ich rozwiązania ze wszystkich rozdziałów należy szukać na końcu książki.

Podobnie jak w poprzednich wydaniach, niektóre rozdziały zawierają krótkie omówienia tematów takich jak: energia, technologia, koła wagonów kolejowych, paski magnetyczne w kartach kredytowych czy magnetycznie lewitujące pociągi. Zamieszczono również fragment o pseudonauce, podkreślając irracjonalność rozpowszechnionych fobii dotyczących napromieniowanej żywności i wszystkiego, co łączy się z fizyką jądrową. Naukowcom, którzy sprawdzają i weryfikują informacje, zagłębiając się w ich zrozumienie, pseudonaukowe przesądy wydają się śmieszne. Z kolei osobom niezwiązanym zawodowo z naukami ścisłymi, nawet twoim najlepszym uczniom, pseudonauka może wydać się przekonująca. Jej wyznawcy ubierają bowiem swoje poglądy w naukowy język, umiejętnie omijając naukowe założenia. Mamy nadzieję, że uda nam się pomóc zahamować to narastające zjawisko.

Materiały kończące każdy rozdział rozpoczynają się od Zestawienia pojęć. Następnie pojawiają się Pytania kontrolne, które podsumowują najważniejsze zagadnienia danego działu. Uczniowie łatwo znajdą na nie odpowiedzi podczas uważnego czytania rozdziału. Zadania typu Oszacuj wynik przyczyniają się do lepszego zrozumienia pojęć fizycznych. Wiele cennych wyjaśnień pochodzi z ćwiczeń nazwanych Pomyśl i uszereguj. Krytyczne myślenie jest niezbędne do porównywania wielkości w różnych sytuacjach. Uzyskanie odpowiedzi to nie wszystko, musi ona zostać porównana z innymi, wskazane jest również stworzenie rankingu rozwiązań. Uważam, że jest to najbardziej wartościowy materiał, kończący rozdziały.

Zadania Pomyśl i wyjaśnij są podstawą tego podręcznika. Wiele z nich wymaga krytycznego myślenia, niektóre zaś zostały stworzone po to, aby łączyć pojęcia fizyczne z sytuacjami życia codziennego. Większość rozdziałów posiada również część Pomyśl i przedyskutuj, pobudzającą uczniów do dyskusji. Więcej matematyczno-fizycznych wyzwań znajduje się w zestawach zadań Pomyśl i rozwiąż. Jest ich mniej niż w działach Pomyśl i wyjaśnij oraz Pomyśl i uszereguj. Mnóstwo zagadnień znaleźć można w dodatku dla uczniów Problem Solving in Conceptual Thinking, którego współautorem jest Phil Wolf. Mimo że rozwiązywanie zadań nie jest głównym celem tego kursu, Phil i ja, tak jak większość wykładowców fizyki, uwielbiamy to robić. W nowatorski i przyjazny uczniom sposób przedstawiamy w naszym dodatku zagadnienia bardziej z dziedziny fizyki niż matematyki. To świetne rozszerzenie Fizyki wokół nas – nawet na przyjaznych uczniom kursach algebraicznych, na których rozwiązuje się takie zadania. Rozwiązania zawarte są w książce Instructor Resources area of MasteringPhysics.

Najważniejszym dodatkiem do tej książki jest Practice Book, zawierająca moje najbardziej kreatywne teksty i rysunki. Krok po kroku uczniowie zmierzają do zrozumienia najważniejszych kwestii. W prawie każdym rozdziale książki znajduje się co najmniej jedna strona z ćwiczeniami. Mogę one zostać wykorzystane zarówno w klasie, jak i poza nią. Wielokrotnie robiłem kopie wybranych stron, wykorzystując je na korepetycjach.

The Laboratory Manual, którego współautorem jest Dean Baird, towarzyszy temu wydaniu książki i zawiera różnorodne zadania oraz ćwiczenia laboratoryjne. Dean z niezwykła starannością dopracował ten materiał.

Liczba pytań typu Next-Time Questions, znanych czytelnikom The Physics Teacher jako Figuring Physics, wzrosła jak nigdy wcześniej, a zadania są dostępne w wersji elektronicznej. Gdy przerabiasz je z uczniami, nie pokazuj pytań ani odpowiedzi. Odczekaj odpowiedni okres i pozwól uczniom dyskutować nad odpowiedziami, zanim pokażesz je następnym razem (najwcześniej na następnych zajęciach, a nawet po odczekaniu tygodnia). Stąd trafna nazwa: Next-Time Questions. Nauka staje się efektywna wtedy, gdy uczniowie muszą „pogłówkować” nad odpowiedziami, zanim je dostaną. Next-Time Questions dołączono do płyty Instructor Resource DVD (IRDVD). Są one również na stronie internetowej Arborsci.com

Poradnik Instructor Manual to dodatek do tego podręcznika oraz do przewodnika Laboratory Manual i, tak jak w poprzednich wydaniach, zawiera przykłady pokazów i sugerowanych wykładów do każdego rozdziału. Jeżeli dopiero zaczynasz prowadzić lekcje, uznasz ten poradnik za bardzo pomocny. Podsumowałem w nim, co tak naprawdę „działa”, opierając się na moim ponad 30-letnim doświadczeniu w nauczaniu.

Płyta Instructor Resource DVD dostarcza mnóstwa narzędzi do tworzenia prezentacji, pomocnych w nauczaniu. Jednym słowem – jest fantastyczna! To pakiet „zawierający wszystko, czego potrzebujesz, aby uczyć”, a więc wykłady online do każdego rozdziału, przygotowane w PowerPoint, czy cotygodniowe quizy do wykorzystania na zajęciach (również w PowerPoint). Możesz ich użyć razem z Classroom Response System (bezprzewodowym systemem oceny, który pozwala na zadawanie pytań podczas zajęć, uzyskiwanie odpowiedzi od każdego ucznia oraz prezentowanie wyników w czasie rzeczywistym). IRDVD zawiera grafiki i zdjęcia z książki (w formacie JPG o wysokiej jakości), bank testów, Next-Time Questions oraz Instructor’s Manual w formacie umożliwiającym edytowanie.

Niemniej ważny jest MasteringPhysics …

Dzięki MasterPhysics możesz połączyć innowacyjną, ukierunkowaną oraz efektywną naukę online z lekcjami. Możesz przydzielać tematy, quizy i inne ćwiczenia jako zadania do wykonania poza zajęciami, czy też projekty, które będą automatycznie oceniane i zapisywane. Proste ikonki w tekście wskazują na tematy kluczowe, na wykresy interaktywne oraz inne zasoby internetowe dostępne w domenie Mastering. Materiały dla nauczycieli są też możliwe do pobrania. Przewodnik po rozdziałach podsumowuje aplikacje dostępne dla ciebie oraz dla uczniów.

W celu uzyskania informacji i pomocy odwiedź stronę: http://www.pearsonhighered.com/physics, skontaktuj się z przedstawicielem Pearsona lub ze mną: [email protected].

Nowe elementy w tym wydaniu

W tym wydaniu, profile fizyków i nauczycieli fizyki z poprzednich wydań zostały uzupełnione o nowe nazwiska. Zapoznając się z nimi czytelnik postrzega fizykę w bardziej spersonalizowany sposób.

Więcej miejsca zostało poświęcone wektorom siły i prędkości, a także zmianom klimatycznym. W całej książce jest wiele aktualizacji uwzględniających osiągnięcia współczesnej fizyki. Dodano fragmenty o druku trójwymiarowym, działaniu systemu GPS i bozonie Higgsa. Przeorganizowano końcowe części każdego rozdziału, wprowadzono ciągłą numerację, ułatwiającą przyporządkowanie zadań do odpowiednich tematów.

Tę książkę uważam za najlepszą spośród wszystkich, jakie napisałem.PODZIĘKOWANIA

Jestem niezwykle wdzięczny Kenowi Fordowi za sprawdzenie całej książki pod względem ścisłości sformułowań oraz za liczne wnikliwe sugestie. Wiele lat temu podziwiałem książki Kena, a szczególnie jedną: Podstawy fizyki, która zachęciła mnie do napisania Fizyki wokół nas. Dziś jestem zaszczycony tym, że Ken poświęcił wydaniu mojej książki tyle czasu i energii, by była ona jak najlepsza. Zawsze po oddaniu manuskryptu pojawia się wiele błędów, za które (także te, które pozostają po korekcie) biorę pełną odpowiedzialność.

Za wnikliwe uwagi dziękuję żonie Lillian, Bruce’owi Novakowi, Marshallowi Ellensteinowi i Evanowi Jonesowi. Doceniam też sugestie Tomasa Brage’a, J. Ronalda Galliego, Johna Hubisza, Davida Kagana, Sebastiana Kuhna, Carltona Lane’a, Anne Tabor-Morris, Dereka Mullera, Freda Myersa, Chrisa Throna, Jeffa Wetherholda oraz P.O. Zetterberga.

Dziękuję za cenne uwagi do poprzednich edycji moim przyjaciołom: Deanowi Bairdowi, Howardowi Brandowi, George’owi Curtisowi, Alanowi Davisowi, Marshallowi Ellensteinowi, Monie El Tawil-Nassar, Herbowi Gottliebowi, Jimowi Hicksowi, Peterowi Hopkinsonowi, Johnowi Hubiszowi, Danowi Johnsonowi, Davidowi Kaganowi, Juliet Layugan, Paulowi McNamarowi, Fredowi Myersowi, Diane Riendeau, Chuckowi Stone’owi, Lawrence Weinstein i Philowi Wolfowi. Inne ciekawe pomysły w poprzednich latach wnieśli: Matthew Griffiths, Paul Hammer, Francisco Izaguirre, Les Sawyer, Dan Sulke i Richard W. Tarara. Na zawsze pozostanę wdzięczny moim przyjaciołom i znajomym z Exploratorium: Judith Brand, Paulowi Doherty’emu, Ronowi Hipschamnowi, Ericowi Mullerowi i Modesto Tamezowi.

Pozostaję dłużny wobec autorów książek, na których wzorowałem się wiele lat temu. Są to: Theodore Asford, From Atoms to Star, Albert Baez, The New College Physics: A Spiral Approach, John N. Cooper i Alpheus W. Smith, Elements of Physics, Richard P. Feynman, Feynmana wykłady z fizyki, Kenneth Ford, Basic Physics, Eric Rogers, Fizyka dla dociekliwych, Alexander Taffel, Physics: Its Methods and Meaning, UNESCO – 700 Science Experiments for Everyone i Harvey E.White, Descriptive College Physics.

Dziękuję Robertowi Parkowi, którego książka Voodoo Science zmotywowała mnie do dołączenia wstawki o pseudonauce.

Za pomoc przy książce Problem Solving in Conceptual Physics, której współautorem jest Phil Wolf, wspólnie dziękujemy: Tsing Bardin, Howardowi Brandowi, George’owi Curtisowi, Kenowi Fordowi, Herbowi Gottliebowi, Jimowi Hicksowi, Davidowi Housdenowi, Evanowi Jonesowi, Chelcie Liu, Fredowi Myersowi, Diane Riendeau, Stanowi Schiocchio, Johnowi Sperry’emu i Davidowi Williamsonowi.

Jestem szczególnie wdzięczny mojej żonie Lillian Lee Hewitt za nowe fotografie i wsparcie na wszystkich etapach powstawania książki i jej uzupełnienia. Dziękuję mojej siostrzenicy Gretchen Hewitt Rojas za pomoc przy zdjęciach. Szczególne podziękowania kieruję do Kena Forda i Bruce’a Novaka, którzy poświęcili wiele uwagi temu wydaniu książki. Byłem szczęściarzem, mogąc włączyć Bruce’a do pracy nad nią.

Pragnę wyrazić wdzięczność personelowi wydawnictwa Addison-Wesley w San Francisco za pełną poświęcenia pracę. Szczególnie dziękuję mojemu wydawcy Jimowi Smithowi oraz Chandrice Madhavan, wydawcy projektu. Dziękuję również Cindy Johnson, kierownikowi projektu, redaktorce Carol Reitz oraz całemu personelowi drukarni Cenveo Publisher Service za ich cierpliwość przy wprowadzaniu moich zmian i poprawek w ostatniej chwili oraz za spełnianie wszelkich próśb o dopracowanie tekstu. Miałem okazję współpracować z pierwszorzędnym zespołem!.

Paul G. Hewitt

St. Petersburg, Floryda4
Druga zasada dynamiki

4.1. Siła jako przyczyna przyspieszania

4.2. Tarcie

4.3. Masa i ciężar

4.4. Druga zasada dynamiki Newtona

4.5. Ruch z przyspieszeniem równym g – spadek swobodny

4.6. Ruch z przyspieszeniem mniejszym niż g – spadek z tłumieniem

1 Jill Johnsen tłumaczy swoim uczniom, dlaczego ciężka piłka spada tak samo szybko, jak lekka. 2 Efrain Lopez pokazuje, że gdy siły działające na niebieski bloczek znoszą się, to bloczek nie przyspiesza. 3 Skoczek w kombinezonie skrzydłowym (wingsuit) robi to samo, co wiewiórka podczas lotu, tylko dużo szybciej. 4 Emily Abrams kopie piłkę, nadając jej przyspieszenie

Isaac Newton (1642–1727)

Galileusz wprowadził pojęcie przyspieszenia, czyli szybkości zmian prędkości w czasie (a = ∆υ/∆t). Ale co powoduje przyspieszenie? Odpowiedź na to pytanie zawarta jest w drugiej zasadzie dynamiki Newtona. Jest to siła. Zasada ta łączy elementarne pojęcia przyspieszenia i siły z Galileuszowym pojęciem masy (zgodnie ze znanym równaniem a = F/m). Co ciekawe, Isaac Newton nie stał się sławny dzięki swoim prawom ruchu czy prawu powszechnego ciążenia. Jego sławę zapoczątkowało badanie światła, a dokładniej odkrycie, że białe światło składa się ze wszystkich barw tęczy.

Isaac Newton urodził się jako wcześniak (który ledwo przeżył) w Boże Narodzenie 1642 r., na farmie swojej matki w Anglii. Ojciec Newtona zmarł kilka miesięcy wcześniej, wskutek czego jego wychowaniem zajmowały się matka i babka. Jako dziecko nie wykazywał specjalnych zdolności i jako nastolatek został zabrany ze szkoły, aby pomóc matce na farmie. Jako farmer nie sprawdził się; wolał czytać książki pożyczone od sąsiada. Jego wujek dostrzegł drzemiące w nim zamiłowania i skłonił go do powrotu do szkoły na rok. Newton ukończył następnie uniwersytet w Cambridge, choć bez specjalnych wyróżnień.

Epidemia panująca w tym czasie w Londynie zmusiła go do powrotu na farmę marki, gdzie kontynuował swe studia. Właśnie tu, w wieku 22–23 lat, dokonał odkryć, które uczyniły go nieśmiertelnym. Legenda głosi, że widząc spadające jabłko, wpadł na pomysł siły grawitacji, która nie ogranicza się do Ziemi, lecz działa na Księżycu i poza nim. Sformułował i upowszechnił prawo powszechnej grawitacji, aby rozwiązać odwieczną zagadkę ruchu planetarnego i pływów morskich, do których powrócimy w rozdziale 9.

W wieku 26 lat Newton został wybrany profesorem matematyki na uniwersytecie w Cambridge. Miał osobiste konflikty związane z religijnym stanowiskiem uczelni. Kwestionował ideę Trójcy Świętej, będącej fundamentalnym dogmatem chrześcijaństwa w tamtym czasie. Dopiero w wieku 42 lat Newton zawarł swoje trzy prawa ruchu w książce Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Matematyczne podstawy filozofii naturalnej), uznanej powszechnie za najlepszą książkę naukową wszechczasów.

W wieku 46 lat skierował swoją energię w inną stronę – został członkiem parlamentu. Wybrano go na drugą kadencję w wieku 52 lat. Przez dwa lata uczestniczył w posiedzeniach parlamentu, lecz ani razu nie zabrał głosu. Tylko raz się podniósł i wówczas Izba zamilkła, chcąc usłyszeć głos wielkiego człowieka. Mowa Newtona była jednak krótka: poprosił jedynie o zamknięcie okien z powodu przeciągu. Został członkiem Royal Society, a w wieku 60 lat pełnił urząd prezesa. Odtąd aż do śmierci był corocznie wybierany do pełnienia tej funkcji.

Chociaż Newton osiwiał jako trzydziestolatek, do końca zachował długie, gęste, faliste włosy i nigdy nie nosił peruki, jak to było wówczas w modzie. Był skromnym człowiekiem, wrażliwym na krytykę. Nie ożenił się. Do późnej starości pozostał sprawny fizycznie i umysłowo. Mając 80 lat miał pełne uzębienie, świetnie widział i słyszał, miał bystry umysł. Przez swoich rodaków uważany był wówczas za największego uczonego wszechczasów. W roku 1705 królowa Anna nadała Newtonowi tytuł szlachecki.

Zmarł w wieku 84 lat i został pochowany w opactwie Westminster, obok królów i bohaterów angielskich. Na prawach ruchu Newtona opierał się program Apollo, dzięki któremu 282 lata później człowiek wylądował na Księżycu. Pierwsze prawo: prawo bezwładności, omówiono w rozdziale 2. W tym rozdziale zajmujemy się drugim prawem ruchu.PRZYPISY

Mowa o wydaniach amerykańskich (przyp. red.).

Wydaniu amerykańskiemu książki towarzyszy kilka książek pomocniczych (przyp. red.).

Ten i kolejne materiały dodatkowe dotyczą wydania amerykańskiego (przyp. red.).

Ikonek nie ma w polskim wydaniu. Materiały są dostępne dla czytelników wydania amerykańskiego (przyp. red.).

Arystarch nie był przekonany do swej teorii heliocentrycznej przypuszczalnie dlatego, że pory roku mają różne długości, co stoi w pewnej sprzeczności z tym poglądem. Co ważniejsze, zauważono, że odległość Księżyca od Ziemi nie jest stała, co oznacza, że nie krąży on dokładnie po okręgu wokół Ziemi. Jeśli Księżyc nie porusza się po okręgu, to trudno było Arystarchowi dowieść, że Ziemia porusza się po okręgu wokół Słońca. Fakt ten (orbity eliptyczne) wyjaśnił wiele wieków później Kepler. W tym czasie niektórzy astronomowie tłumaczyli tę rozbieżność, wykorzystując pojęcie epicykli. Jego nieregularna orbita nie mogłaby być użyta jako argument przeciw teorii heliocentrycznej, która była dyskredytowana przez wiele wieków. Interesujące jest, jak potoczyłyby się losy astronomii, gdyby Księżyc nie istniał.

Należy odróżnić matematyczną strukturę fizyki od jej metod obliczeniowych, które dominują w nauczaniu pozbawionym pojęć fizycznych. Zauważ, że na końcu każdego rozdziału tej książki jest stosunkowo mało zadań w porównaniu z liczbą ćwiczeń. Główny nacisk jest położony na dobre zrozumienie problemu przed jego rozwiązaniem. Więcej zadań można znaleźć w książce Problem Solving in Conceptual Physics.

Jednak wrażliwość na piękno ma swoją wartość w nauce. Niejeden wynik eksperymentalny w czasach współczesnych stał w sprzeczności z piękną teorią, która po dalszych badaniach okazała się błędna. To wzmacniało przekonanie uczonych, że ostateczny, poprawny opis przyrody musi łączyć zwięzłość wypowiedzi i umiar pojęciowy – ich kombinacja zasługuje na miano piękna.

W procesie edukacyjnym nie wystarczy mieć świadomość, że inni mogą ciebie oszukiwać; bardziej istotna jest świadomość własnych skłonności do okłamywania siebie samego.

To oczywiście nie odnosi się do ekstremistów religijnych, którzy wytrwale twierdzą, że nie można pogodzić ich płomiennej religii z nauką.

Kwintesencja to piąty żywioł, po ziemi, wodzie, powietrzu i ogniu.

Według Galileusza, Dialogi o dwóch nowych naukach.

Pozostanę na zawsze wdzięczny Burlowi Greyowi za natchnienie mnie i zainteresowanie fizyką. Dzięki niemu uczyłem się z prawdziwym entuzjazmem. Straciłem kontakt z Burlem na 40 lat. Pewien student uczęszczający na moje zajęcia w Exploratorium w San Francisco – Jayson Wechter, który był prywatnym detektywem, zlokalizował Burla w 1998 r. i skontaktował nas. Odnowiliśmy przyjaźń i znów możemy prowadzić nasze porywające rozmowy.

Równoległobok to czworokąt, którego przeciwległe boki są do siebie równoległe. Jego przekątną określa się zwykle przez jej pomiar; kiedy jednak dwa wektory X oraz Y są do siebie prostopadłe (jak w kwadracie lub prostokącie), to można wykorzystać twierdzenie Pitagorasa: R² = X² + Y², z którego otrzymujemy wartość wypadkowej: R = .

Ciało będące w równowadze nie zmienia stanu swego ruchu. Gdy w rozdziale 8 będziemy omawiać ruch obrotowy, to poznamy inny warunek równowagi mechanicznej – znikanie całkowitego momentu siły.

W geometrii określenie „normalny” znaczy tyle, co prostopadły do czegoś. Omawiana tu siła działa prostopadle do powierzchni, dlatego bywa nazywana „siłą normalną”.

Zgodnie z oryginałem (przyp. red.).

Przeliczenie jest następujące: 1 h = 3600 s.

W języku angielskim istnieją dwa odrębne określenia charakteryzujące prędkość: speed i velocity. W języku polskim oba te terminy mają jeden odpowiednik prędkość. Słowu speed odpowiada polska: wartość prędkości, prędkość, rzadziej szybkość. Z kolei przez velocity Autor rozumie wektor prędkości. Słowo prędkość bywa używane w dwóch znaczeniach: i jako wartość prędkości, i jako wektor prędkości (rzadziej). Które rozumienie jest w danym momencie właściwe, widoczne jest zazwyczaj z kontekstu (przyp. tłum).

Termin zmiana lub różnica jest zwykle oznaczona grecką literą Δ. Wtedy przyspieszenie można zapisać jako Δυ/Δt, gdzie Δυ oznacza zmiany prędkości, a Δt, zmianę czasu. Wyrażenie to oznacza średnie przyspieszenie. Większość rozważanych tu rodzajów ruchu odbywa się ze stałym przyspieszeniem.

Zauważ, iż związek ten wynika wprost z definicji przyspieszenia. Dla kuli startującej bez prędkości początkowej mamy a = Δυ/Δt = υ/t. Po pomnożeniu obu stron przez t, a następnie zamianie ich kolejności mamy υ = at.

Jeśli prędkość początkowa spadania jest różna od zera i wynosi υ₀ (w dół), to prędkość ciała po czasie t wynosi υ = υ₀ + at = υ₀ – gt (jeśli za kierunek dodatni przyjmiemy kierunek w górę).

Droga przebyta w ruchu bez prędkości początkowej: d = prędkość średnia × czas:

d = (prędkość początkowa + prędkość końcowa) × czas,

d = (0 + gt) · t = gt².

(więcej informacji – patrz dodatek B)

Przy skoku w dal prędkość odbicia można zwiększać i wtedy czas unoszenia się w powietrzu też jest większy. Więcej o tym mówimy w rozdziale 10.