Fyzika pro informatiky

1. Fyzika pro informatiky

2. pojem fyzika • rozdělení fyziky • fyzikalní náhled na svět • terminologie • jednotky a veličiny • SI soustava • fyzikální modely • fyzika a počítače • moderní směry fyziky

3. Fyzika - řecké slovo fysis = příroda věda o přírodě jako celku Antika - fyzika součástí filozofie filozofie byla "královská věda" Natural philosophy: "přírodní filozofie" - myšleno fyzika Aristotelés ze Stageiry (Řecko) - úvaha a pozorování (vypozorované zkušenosti) Archimédes - kvalitativní odvození zákonů

4. Renesance - hlavní vývoj fyziky Galileo Galilei - experimenty konec 17.stol - Isaac Newton Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Matematické základy filosofie přírody) 19.století - James Clerk Maxwell - Teorie elektromagnetického pole 1895 - Roentgen - paprsky X - vznik jaderné fyziky 1905 - Albert Einstein - speciální teorie relativity 20.století - vznik kvantové fyziky - klasická fyzika selhává

5. Rozdělění fyziky Experimentální fyzika Dělění fyziky z hlediska metod práceTeoretická fyziky Počítačová fyzika Experimentální fyzika: pozorování jevů a procesů probíhajících v přírodě zjištění nebo nalezení vztahu mezi měřenými veličinami Teoretická fyzika: hledá a formuluje obecné zákony nové teorie a principy základem je matematický aparát ověření teorie pomocí experimentu

6. počítačová fyzika: nový rozvíjející se směr s rozvojem počítačové techniky tvoří počítačové modely (aproximace) simualace reálných jevů Teoretická fyzika Teoretická fyzika Počítačová fyzika Experimentální fyzika Experimentální fyzika

7. dělení z hlediska fyzikálních jevů: a) mechanika b) elektřina a magnetismus c) termika d) optika dělení z hlediska fyzikálních soustav: a) fyzika molekulová, atomová, jaderná a částicová b) fyzika pevných látek c) fyzika tekutin(kapalina a plyn) d) fyzika plazmatu e) fyzika kondenzovaného stavu

8. fyzika klasická dokážeme řešit a popisovat zákony makrosvěta(svět našich rozměrů) fyzika kvantová jedná se o fyziku mikrosvěta, klasická fyzika ve svém popisu selhává. Planckova konstanta h = 6.626·10-34 J·s přechod relativistická fyzika x nerelativistická fyzika - tělesa pohybující se téměř rychlostí světla - speciální teorie relativity Termodynamika - nese zvláštní postavení, pracuje s pravděpodobnostmi vyskytuje se náhoda, zákony se dají použít i v jiných oborech Entropie - Informace

9. Fyzika - zkoumá fyzikální vlastnosti hmotných objektů hmota: dvě základní formy látkapole látka: částice, molekuly, a větší makroskopické objekty pole: zvláštní druh hmoty, silové účinky vlastnosti hmotných objektů určují interakce mezi těmito objekty čtyři základní interakce: 1. gravitační interakce (nejslabší interakce, největší dosah, Obecná relativita) 2. elektromagnetická interakce (Teorie elektromagnetického pole) 3. silná interakce (síla držící částice v jádře pohromadě, kvarky, nukleony) 4. slabá interakce (rozpad beta, neutrino) Teorie všeho: sjednocení všech interakcí a jejich sjednocení s kvantovou fyzikou Teorie superstruna kvantová gravitace

10. Veličiny a jednotky Veličiny: - popis vlastností hmotných objektů - určuje stav zkoumaného fyzikálního systému - určuje změnu veličiny vyjadřujeme po kvalitativní stránce veličiny vyjadřujeme po kvantitativní stránce každá veličina má svůj průběh (kvalita) a hodnotu (kvantita) hodnota veličiny - měření - jednotky - číselná hodnota hodnota veličiny závisí na volbě jednotky vektor - udáváme jednotku(velikost vektoru)a směr vektoru

11. základní fyzikální jednotky - systém fyzikálních jednotek - soustava SI soustava Mezinárodní systém jednotek SI - Systéme Internationale d'Unites Základní jednotky: metr - délka trajektorie, kterou proběhne světlo ve vakuu za 1/299792458 vetřiny kilogram - hmotnost kilogramového prototypu uloženého v Sévres sekunda - doba rovnající se x periodám záření odpovídající přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury v atomu cesia 133 Ampér - stálý elektrikcý proud, který při průchodu dvěma vodiči vzdálenými 1metr vyvolá stálou sílu o velikosti xx mezi těmito vodiči Kelvin - 1/273,15 termodynamické teploty trojného boud vody Mol - látkové množství soustavy obsahující takové množství elementárních částic jako je atomů v nuklidu specifického uhlíku Kandela - svítivost zdroje, která vysílá v daném směru záření o určitém kmitočtu a zářivost v tomto směru má specifickou hodnotu

12. Základní jednotky: metr, kilogram, sekunda, ampér, kelvin, mol a kandela Odvozené jednotky: odvozují se ze základních pomocí definičního vztahu - síla, tlak, radián, rychlost Násobky a díly jednotek: tvoří se ze základních i odvozených jednotek

13. Soustava CGS centimetr - gram - sekunda zavedený roku 1874 Gaussova soustava - měření elektrických veličin CGSE (centimetr - gram - sekunda - elektrostatická) CGSM (centimetr - gram - sekunda - elektromagnetická) Soustava MKS metr - kilogram - sekunda zaveden roku 1889 (Bureau of Weights and Measures) 1960 Soustava SI

14. CGS soustava MKS soustava SI soustava

15. Fyzikální modely pozorování přírody úvahy o pozorování snaha o zachycení pozorovaných jevů snaha o zopakování některých jevů experiment snaha o pochopení a využití těchto jevů . . modely (teoretické, počítačové) . aplikace do běžného života

16. fyzikální model: - snaha o napodobení přírodních jevů a pochodů - model je pouhou aproximací - model je levnejší než experiment * studovat model je méně časově náročné * studovat model je méně finančně náročné * model lze lehce přizpůsobit . . teoretický (předpovídá chování....) model počítačový (modelování fyzikálních jevů pomocí IT) každý model má určitou úroveň složitosti

17. Teoretický model: základní modely, model pevné látky, kapaliny, plynu modely jednotlivých jevů - transportní jevy (vedení tepla) výsledek slouží pochopení fyz. jevů na teoretické úrovni Počítačový model: nelze simulovat přírodu tak jak ji vidíme aproximace chování fyzikálních systémů + pochopení některých jevů a procesů + k overení teoretických modelů . .

18. výběr studovaného jevu model teoretický x model počítačový výběr prostředků v rámci modelu teorie - aparát matematiky simulace - vhodné simulační prostředky provedení samotné simulace vyhodnocení výsledků zpětná vazba

19. Fyzika a počítače historie: 1953 - Metroplis a kol. v Los Alamos, tekutina tuhých koulí 1957 - Wood a Parker Lennard-Jonesuv potenciál 1957 - první MD simulace (síly) 1962 - první simulace kvantových systémů simulace - hlavní aplikace byly kapaliny (chemie, průmysl) rozšíření simulací do dalších oblastí až s expanzí průmyslu polymery, léky, fázové rovnováhy, výbušniny,....

20. Moderní směry fyziky klasická fyziky - uzavřená vědní disciplína moderní fyzika - kvantová fyzika fyzika mikrosvěta - urychlovače, detektory, CERN fyzika plazmatu - řízená fůze, zdroj energie, tokamak fyzika laseru - medicína, moderní optika, měření vzdáleností jaderná fyzika - atomová energie... kvantová elektronika - kvantové počítače Sjednocená teorie pole - sjednocení všech interakci a ucelený pohled na fyzikální svět