Μαθαίνω Φυσική:Από τη Θεωρία στην Πράξη

Διαδραστικό Βίντεο: Κβαντική Φυσική

Εδώ μπορείτε να βρείτε ένα διαδραστικό βίντεο με θέμα την Κβαντική Φυσική!

Εισαγωγή στην Κβαντική Φυσική

Τι είναι η Κβαντική Φυσική;
Η κβαντική φυσική είναι ο κλάδος της επιστήμης που μελετά τη συμπεριφορά των πολύ μικρών σωματιδίων, όπως των ατόμων και των υποατομικών σωματιδίων (πρωτόνια, ηλεκτρόνια, φωτόνια). Είναι ένας κόσμος εντελώς διαφορετικός από αυτόν που βλέπουμε στην καθημερινότητά μας, γεμάτος φαινόμενα που μοιάζουν παράξενα αλλά είναι αληθινά!

Βασικές Έννοιες της Κβαντικής Φυσικής:

• Το Φως Είναι και Κύμα και Σωματίδιο!
  Το φως συμπεριφέρεται σαν κύμα όταν διαδίδεται, αλλά και σαν σωματίδιο όταν αλληλεπιδρά με την ύλη. Τα "σωματίδια" του φωτός ονομάζονται φωτόνια.

Παράδειγμα: Όταν ανάβουμε έναν φακό, το φως ταξιδεύει σαν κύμα, αλλά όταν πέφτει σε μια ηλιακή πλακέτα, το φωτόνιο απελευθερώνει ηλεκτρόνια, παράγοντας ενέργεια.

• Τα Άτομα Είναι Κυρίως Κενός Χώρος
  Τα άτομα, από τα οποία αποτελείται όλη η ύλη, έχουν έναν μικρό πυρήνα στο κέντρο και γύρω από αυτόν περιστρέφονται ηλεκτρόνια. Το μεγαλύτερο μέρος του ατόμου είναι άδειος χώρος!

Παράδειγμα: Αν ο πυρήνας του ατόμου ήταν όσο ένα μπαλάκι του τένις, τα ηλεκτρόνια θα ήταν σε απόσταση αρκετών χιλιομέτρων.

• Τα Ποσοστά Ενέργειας
  Στον κβαντικό κόσμο, η ενέργεια δεν μπορεί να έχει οποιαδήποτε τιμή. Οι τιμές της είναι "ποσοτικές" (δηλαδή έρχονται σε συγκεκριμένες δόσεις, όπως τα σκαλοπάτια μιας σκάλας). Αυτές οι δόσεις ενέργειας λέγονται κβάντα.

Γιατί Είναι Σημαντική η Κβαντική Φυσική;
Η κβαντική φυσική μας βοηθά να κατανοήσουμε πώς λειτουργούν οι υπολογιστές, οι ηλιακές πλακέτες, τα λέιζερ και πολλές άλλες τεχνολογίες που χρησιμοποιούμε καθημερινά. Επίσης, μας επιτρέπει να εξερευνήσουμε τον κόσμο των μικροσωματιδίων και να ανακαλύψουμε περισσότερα για τη φύση του σύμπαντος.

Τριβή και Κίνηση

Τριβή

Η τριβή είναι η δύναμη που αντιστέκεται στην κίνηση των αντικειμένων όταν έρχονται σε επαφή με άλλες επιφάνειες. Η τριβή εξαρτάται από δύο παράγοντες:

• Την υφή των επιφανειών που έρχονται σε επαφή.
• Τη δύναμη πίεσης που ασκείται στις επιφάνειες (συνήθως λόγω βάρους).

Η τριβή μπορεί να είναι στατική (που εμποδίζει την αρχική κίνηση) ή κινητική (που αντιστέκεται στην κίνηση).

Δύναμη και Αδράνεια

Δύναμη

Η δύναμη είναι κάθε επιρροή που προκαλεί αλλαγή στην κίνηση ενός αντικειμένου. Η δύναμη μετράται σε νιούτον (N) και μπορεί να είναι ελκτική (όπως η βαρύτητα) ή απωθητική (όπως η δύναμη της τριβής).

Στην καθημερινή ζωή, η δύναμη εφαρμόζεται συνεχώς, για παράδειγμα, όταν σπρώχνουμε ένα καρότσι ή όταν αφήνουμε ένα αντικείμενο να πέσει στο έδαφος.

Αδράνεια

Η αδράνεια είναι η τάση των αντικειμένων να παραμένουν στην κατάσταση που βρίσκονται (είτε σε ηρεμία είτε σε κίνηση), εκτός αν ασκηθεί πάνω τους μια εξωτερική δύναμη. Η αδράνεια είναι άμεσα συνδεδεμένη με τη μάζα ενός αντικειμένου: όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο μεγαλύτερη είναι η αδράνεια.

Κίνηση και Βαρύτητα

Κίνηση

Η κίνηση είναι η αλλαγή θέσης ενός αντικειμένου στον χώρο, σε σχέση με το περιβάλλον του. Η κίνηση μπορεί να είναι ευθεία ή κυκλική, ομαλή ή επιταχυνόμενη, και είναι βασική έννοια στη Φυσική. Όταν μελετάμε την κίνηση, εστιάζουμε σε δύο βασικούς παράγοντες:

• Ταχύτητα: Ο ρυθμός με τον οποίο ένα αντικείμενο αλλάζει τη θέση του στον χρόνο.
• Επιτάχυνση: Ο ρυθμός μεταβολής της ταχύτητας.

Η κίνηση εξαρτάται από την δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο, και αυτό συσχετίζεται με τη δεύτερη εξίσωση του Νεύτωνα

F=m⋅a

Άσκηση 4: Κίνηση και Επιτάχυνση

Περιγραφή:
Ένα αυτοκίνητο ξεκινά από ηρεμία και μετά από 5 δευτερόλεπτα έχει φτάσει ταχύτητα 20 m/s.

Ερώτηση:

Ποια είναι η επιτάχυνση του αυτοκινήτου;

Άσκηση 3: Η Τριβή και η Κίνηση

Περιγραφή:
Αν τοποθετήσουμε μια μικρή κούτα πάνω σε έναν οριζόντιο πάγκο και την σπρώξουμε, θα αντιληφθούμε ότι χρειάζεται δύναμη για να την κινητοποιήσουμε.

Ερώτηση:

Αν η δύναμη τριβής είναι 15 N, ποια δύναμη πρέπει να ασκήσουμε για να την κινήσουμε με επιτάχυνση 1 m/s²;

Άσκηση 2: Υπολογισμός Δύναμης (Νόμος του Νεύτωνα)

Περιγραφή:
Ένα σώμα μάζας 5 kg κινείται με επιτάχυνση 2 m/s².

Ερώτηση:

Ποια είναι η δύναμη που ασκείται στο σώμα;

Άσκηση 1: Υπολογισμός Μέσης Ταχύτητας

Περιγραφή:
Ο Νίκος κάνει ποδήλατο για 2 ώρες. Στην πρώτη ώρα, κινείται με ταχύτητα 10 km/h και στη δεύτερη ώρα με ταχύτητα 20 km/h.

Ερώτηση:
Ποια είναι η μέση ταχύτητα του Νίκου για όλη τη διαδρομή;

Πείραμα: Πόσο Επηρεάζει η Τριβή την Κίνηση ενός Αντικειμένου;

Υλικά:

• Δύο μικρά αντικείμενα (π.χ. μια μικρή κούτα και ένα μικρό βιβλίο)
• Μια οριζόντια επιφάνεια (π.χ. τραπέζι ή πάγκος)
• Ρουχισμός ή ριχτάρι για να δημιουργηθεί "παράγοντας τριβής" στην επιφάνεια

Οδηγίες:

1. Τοποθετήστε το βιβλίο πάνω στην επιφάνεια και παρατηρήστε την κίνησή του όταν το σπρώξετε.
2. Τοποθετήστε το βιβλίο πάνω στο ρούχο ή το ριχτάρι και παρατηρήστε την αλλαγή στην κίνηση του αντικειμένου.

Εξήγηση:

• Όταν αυξάνεται η τριβή, η κίνηση του αντικειμένου επιβραδύνεται. Η τριβή είναι η δύναμη που αντιστέκεται στην κίνηση και εξαρτάται από το υλικό των επιφανειών που έρχονται σε επαφή.