Fizică anul I

1. Introducere şi scurt istoric

Experienţa ultimelor decenii arată că descoperirile din domeniul fizicii au o importanţă deosebită pentru umanitate, nu numai pe plan material, ci şi pe plan social şi chiar spiritual.

Ca un foarte scurt istoric, cuvântul “FIZICĂ” vine din limba greacă, unde physis înseamnă natură. Această denumire a fost introdusă de Aristotel în 350 ÎH, însemnând studiul naturii. În decursul timpului fizica şi-a schimbat însă radical atât conţinutul cât şi interpretările, teoriile şi metodele de cercetare.

CONTINUTUL FIZICII propriu-zise s-a îmbogăţit mereu prin cunoaşterea a tot mai multe fenomene. În antichitate s-au cunoscut, de pildă, legea lui Arhimede, reflexia şi refracţia luminii, electrizarea chihlimbarului prin frecare, unele cunoştinţe de statică (legea pârghiilor)…Timp de 2000 de ani, care cuprind şi Evul Mediu, acestor cunoştinţe nu li s-a mai adăugat aproape nimic. In sec. al XVI-lea însă, s-a înregistrat în domeniul mecanicii cereşti un reviriment prin lucrările lui Copernic şi Kepler, s-a descoperit că există conductori şi izolatori, s-a descoperit regula paralelogramului…

Fundamentele fizicii actuale au început să fie puse în sec. al XVII-lea în mecanică de către Galilei şi Newton. In sec.al XIX-lea se descoperă energia şi legea conservării ei, iar la sfârşitul sec. al XIX-lea radioactivitatea, razele X, electronul… Secolul al XX-lea oferă în primii săi ani două evenimente în fizică: în 1900 – teoria cuantelor de energie (Max Planck) iar în 1905 – teoria relativităţii restrânse (Albert Einstein). Mai târziu apare mecanica cuantică, energetica nucleară, laserii…

INTERPRETĂRI. In antichitate s-au dat primelor fenomene cunoscute o interpretare primitivă (ex.: magnetul are suflet). In epoca modernă fenomenele au fost interpretate mai verosimil, interpretări care, şi ele s-au schimbat cu timpul. Căldura, de exemplu, în secolul trecut, era considerată ca un fluid, numit flogiston sau flogistic. Prin descoperirea energiei s-a explicat noţiunea de căldură ca fiind o formă de transformare a energiei.

METODELE DE CERCETARE. In fizică există două metode fundamentale de cercetare: experimentală, bazată pe aparatură şi teoretică, ce s-a perfecţionat paralel cu dezvoltarea matematicii.

In prezent, fizica este o ştiinţă a naturii care se ocupă de structura şi proprietăţile fundamentale ale materiei, precum şi de transformările fundamentale pe care le suferă stările în care se află materia (substanţă şi câmp).

Vom încheia acest scurt istoric prin a puncta momentele cruciale din fizică:

1. Lucrările epocale ale lui Isaac Newton (1687) care stabilesc principiile mecanicii. Pe baza acestor principii este clădită mecanica newtoniană care este fundamentul şi în studiul altor discipline clasice (fizica moleculară, acustică,…).

2. Descoperirea undelor electromagnetice de către Maxwell în 1964.

3. Ipoteza cuantelor de energie (1900) a lui Max Planck. Consecinţa acestei descoperiri a fost crearea mecanicii cuantice de către Heisenberg şi Schrödinger.

4. Teoria relativităţii restrânse (1905) a lui Albert Einstein care generalizează fizica newtoniană pentru cazul vitezelor mari.

Cap1. Teoria relativităţii restrânse

Orice fenomen fizic poate fi descris satisfăcător numai în raport cu un anumit sistem de referinţă, căruia i se asociază etaloane pentru măsurarea coordonatelor spaţio-temporale, expresiile matematice ale legilor diverselor fenomene fizice fiind în general dependente de sistemul de referinţă considerat.

Alegerea sistemului de referinţă în vederea modelării matematice a legilor naturii se poate face în mod cu totul arbitrar, dar, pentru simplitate, trebuie să se aibă în vedere răspunsul la următoarele două întrebări:

1. Există vreun sistem de referinţă privilegiat, pentru exprimarea legilor naturii în raport cu acesta?

2. Cum se face trecerea de la un sistem de referinţă la altul?

Referitor la prima întrebare, s-a constatat că există o clasă de sisteme de referinţă particulare, numite inerţiale, faţă de care spaţiul să fie omogen şi izotrop, iar timpul să fie uniform. În asemenea sisteme este valabil principiul inerţiei. În raport cu sistemele de referinţă inerţiale, legile fizicii se exprimă sub o formă simplă, coordonatele carteziene fiind foarte potrivite pentru descrierea proprietăţilor geometrice euclidiene ale acestor sisteme de referinţă. Orice sistem de referinţă în mişcare de translaţie rectilinie şi uniformă faţă de un sistem de referinţă inerţial este tot inerţial. Ex.: sistemul de referinţă legat de Pămant în ipoteza că se neglijează mişcarea de rotaţie a Pământului.

Referitor la cea de-a doua întrebare, sunt posibile mai multe răspunsuri, care au fost date pe diferite trepte de evoluţie a fizicii şi care marchează, în ultimă instanţă, caracteristicile fundamentale ale teoriilor clasică şi relativistă ale spaţiului şi timpului.

Teoria relativităţii constituie o parte fundamentală a fizicii moderne. Explicaţia constă în aceea că fizica este legată, în cele din urmă, de măsurători, iar teoria relativităţii arată cum depind rezultatele măsurătorilor de mişcarea relativă a sistemului de referinţă şi a fenomenului studiat. În cadrul teoriei relativităţii se pune în evidenţă legătura indisolubilă care există între spaţiu şi timp, masă şi energie...Fără aceste legături ar fi imposibil să se înţeleagă fenomenele fizicii moderne. În acest capitol se vor prezenta legile de bază ale teoriei relativităţii restrânse, valabilă numai pentru sistemele de referinţă inerţiale.

2.1 Principiul relativităţii în mecanica clasică; relaţiile de transformare ale lui Galilei

Principiul relativităţii în mecanica clasică afirmă că: fenomenele mecanice se desfăşoară la fel în orice sistem de referinţă inerţial dacă condiţiile iniţiale sunt identice, legile acestor fenomene au aceeaşi formă matematică faţă de orice sistem de referinţă inerţial, adică sunt invariante la trecerea de la un sistem de referinţă inerţial la altul. Cu alte cuvinte, prin experienţe mecanice nu se poate pune în evidenţă mişcarea uniformă a unui sistem de referinţă.

În discuţiile care urmează, un eveniment este un fenomen care are o localizare spaţio – temporală. Să considerăm un sistem de referinţă inerţial fix ( legat de Pământ ) S şi un sistem S aflat în mişcare de translaţie rectilinie şi uniformă cu viteza constantă de-a lungul axei Ox (pentru simplitate) – figura 2.1. Considerăm că la momentul iniţial t = 0 cele două origini O şi O coincid.