آرشیو دسته ها: فیزیک

کمیک: نظریه کوانتوم در دنیای پیکسلی!

در این کمیک فرانسوی از Bouletcorp مرد جوانی که از مکاشفات کوانتومی ترسیده و ناامید شده به یه دنیای پیکسلی پناه میبره که به خیال خودش دنیای ساده تریه. اما به لطف حضور افتخاری استیون هاوکینگ، بیشتر از گنجایشش درباره "نظریه کوانتوم پیکسلی" میشنوه و متوجه میشه که دنیای پیکسلی هم به اندازه همین دنیا شگفت آور (و یا ترسناک!) است.

هرون، مهندس و مخترع یونانی

دوهزار سال پیش در اسکندریه ریاضیدان و مهندسی یونانی به نام هرون زندگی میکرد. در مورد هرون کافیه یه سرچ بکنید تا کل زندگینامه اش رو در بیارید. هدف من از این پست معرفی هرون و چندتا از شاهکارهای مهندسیش بوده، چرا که خیلی ها حتی اسم این نابغه رو نشنیدن.

اولین دستگاه فروش اتوماتیک (Vending machine)

شاید امروزه دیدن دستگاه هایی که به طور اتوماتیک پول دریافت میکنن و خوراکی یا اجناس دیگه رو میفروشن خیلی عادی باشه، اما دونستن اینکه اولین بار دوهزار سال پیش همچین دستگاهی ساخته شده شگفت اوره!

دستگاهی تماما مکانیکی (اون موقع هنوز الکتریسیته کشف نشده بود!) که سکه دریافت میکرد و یه لیوان آب مقدس میداد!

طرز کار دستگاه به طرز باورنکردنی ساده است!

اولین ماشین بخار

سیستم نمایش عروسکی تئاتر به طور تمام مکانیکی!

درب اتوماتیک معبد که فقط با روشن کردن اتش در جای مخصوص باز میشد!

دستگاه نوازنده موسیقی (ارگ) تمام مکانیکی

 

و خیلی اختراع های دیگه.

اگه خوشتون اومده حتما سرچ کنید و عکس ها و فیلم های مربوط به اختراعات هرون رو ببینید.

چرا فیزیک؟!

هربار وقتی به یک غریبه میگم که فیزیک میخونم اولین واکنش هایی که میبینم اینه:  "وای خیلی سخته!"، "اوف چه مخی داری!"، "چه حوصله ای داریا!"، "من از دبیرستان از فیزیک بدم میومد!" و ...

اما به ندرت ازم میپرسن که "چرا فیزیک؟!" و من در این نوشته میخوام بگم چه چیز علم فیزیک رو خاص میکنه و ارزش اینکه عمرت رو به پاش بذاری داره.

در ادامه، گرایش های مختلف فیزیک و شغل های مرتبط رو برای دانش آموزان میگم شاید عده کمی علاقه مند شدند تا فیزیک رو به طور جدی دنبال کنند.

از بچگی خیلی کنجکاو یا حتی فضول بودم. دلم میخواست علت همه ی پدیده های طبیعی رو بدونم. به قول شاعر "چرا خورشید میتابه؟! چرا میچرخه زمین؟! ...!".

معمولا پدر و مادرها حوصله ی توضیح دادن ندارن، اما پدر و مادر من سعی کردن تا اونجایی که دانش خودشون قد میداد برای من پدیده های مختلف رو توضیح بدن.

اما خیلی از توضحاتشون برای من به اندازه کافی قانع کننده نبود. دلم میخواست چرایی و چگونگی پدیده هارو به طور بنیادی بدونم...

از بین علوم تجربی، فیزیک اساسی ترین و بنیادی ترین علمه. فیزیک با استفاده از دقیق ترین زبان موجود (ریاضیات) طبیعت رو توصیف میکنه و پدیده هارو با ریزترین جزئیات توصیف میکنه. در واقع حتی میشه گفت شیمی و زیست شناسی چیزی نیستن جز فیزیک کاربردی! تو هر کاری و تو هر زمینه ی علمی که به سوال برسی اگه بخوای به پاسخ دقیق برسی اخر مجبور میشی بیای سراغ فیزیک!

شیمی در مورد ترکیبات در سطح اتمی و مولکولی بحث میکنه، که اساس اون مکانیک کوانتومی در فیزیکه!

زیست شناسی در مورد ارگانیسم ها و سلول ها بحث میکنه که در نهایت میرسه به زنجیره DNA و بقیه مواد آلی که باز به اتم ها و مولکول ها و همون شیمی و فیزیک ختم میشه!

-"باشه فیزیک خیلی خوبه. اما چه نیازی هست که بخونی؟"

اگر برای دونستن اینکه "چوب چطور میسوزه؟"، "ستاره ها چطوری نور میدن؟"، "چرا ماه نمیوفته رو زمین؟"، "چرا سیب میوفته رو زمین؟"، "جهان چجوری به وجود اومده و از چی تشکیل شده؟"، "عمر جهان چقدره؟" و اینجور سوالا کنجکاوی ندارید بهتره خودتون رو یه مرده متحرک بدونید! چون تمام موجودات زنده از لحظه شکل گیری حیات شروع به آزمایش و مشاهده طبیعت میکنن تا جواب سوالاشون رو پیدا کنن!

اینکه پرنده چطور راهش رو پیدا میکنه مستلزم آشنایی با الکترومغناطیسه! اینکه خفاش چطور تو تاریکی میبینه مستلزم آشنایی با امواج و اکوستیکه!

فیزیک تنها به توضیح چگونگی پدیده ها خلاصه نمیشه، بلکه قدرت پیش بینی کنندگیش باعث میشه بتونی وسایل جدید بسازی و نظریه های جدید بدی.

خلاصه در وصف خوبی های فیزیک میشه یه کتاب نوشت!

گرایش های فیزیک

فیزیک ذرات بنیادی و میدان ها: قدیما فکر میکردن هر ماده ای رو هی پشت سر هم نصف کنی اخر سر میرسی به "اتم" که قابل تقسیم نیست. اواخر قرن 19 و اوایل قرن 20 معلوم شد اتم از الکترون و هسته تشکیل شده. بعدا معلوم شد هسته هم از پروتون و نوترون تشکیل شده... چیزی که الان فهمیدیم اینه که پروتون و نوترون هم از ذرات کوچکتری تشکیل شدن به اسم "کوارک". بررسی ویژگی ها و برهمکنش های همه ی این ذرات بنیادی و نوع برهمکنش بین اونها تو گرایش ذرات بنیادی بررسی میشه.

فیزیک هسته ای: اگه فقط به پروتون و نوترون بسنده کنیم و ویژگی ها و برهمکنش های اونها رو بررسی کنیم میرسیم به گرایش هسته ای. از کیمیاگری(تبدیل عناصر به یکدیگر) تا انرژی هسته ای و بمب هسته ای و کاربردهای تشعشعات تو این گرایش بررسی میشه.

فیزیک اتمی و مولکولی: تو این گرایش رفتار اتم ها و مولکول ها و برهمکنش های اونها بررسی میشه. "لیزر چطور کار میکنه؟" "ادوات اپتیکی چطور کار میکنن؟" و ... جزو سوالات مربوط به این گرایشه.

فیزیک ماده چگال(حالت جامد): تو این گرایش رفتار اتم ها و مولکول هارو به طور جمعی بررسی میکنیم. الگوهای کنارهم قرار گرفتن اتم ها و مولکول ها در کریستال ها و تاثیر این قرارگیری ها روی خواص کریستال ها موضوع اصلی این گرایشه.

نجوم و اخترفیزیک: بررسی ستاره ها، سیارات، کهکشانها و غیره به طور جزئی و نسبتا موضعی(در مقابل کیهانشناسی)

کیهانشناسی و گرانش: بررسی کل عالم، فضا-زمان، نحوه توزیع جرم، چگونگی پیداش و تحول عالم، سیاهچاله ها، کرم چاله ها و ... تو این گرایش بررسی میشه.

فیزیک پلاسما: بررسی خواص مواد پلاسما(حالت چهارم ماده) و کاربردهای آن تو این گرایش بررسی میشه.

اپتیک و فوتونیک: این گرایش به برهمکنش های فوتون ها(ذرات نور) با بلورها و محیط های مختلف میپردازه و به دنبال اون کاربردهای فوتون در مدارها(در مشابهت با الکترونیک که از کاربرد الکترون در مدارها استفاده میشه).

بیوفیزیک: همونطور که از اسمش معلومه بررسی ارگانیسم ها با استفاده از علم فیزیک، مثلا رفتار امواج و اکوستیک در شنوایی، اپتیک در بینایی، الکترومغناطیس در امواج مغزی و ...

و ...

فیزیک رو نمیشه اینقدر دقیق مرزبندی کرد، و قطعا در همه ی این رشته ها یه سری ابزارها و نظریاتی وجود داره که همه گرایش هارو به هم مربوط میکنه. مثل مکانیک کوانتومی که تقریبا برای همه گرایش های فیزیک ضروریه.

-"وضعیت کار چطوره؟"

برای پاسخ به این سوال ابتدا باید چند موضوع معلوم باشد:

-تا چه مقطعی قصد تحصیل فیزیک دارید؟

-تو کدوم گرایش قصد تحصیل دارید؟

-قصد دارید در ایران بمونید؟ و یا میخواهید خارج از کشور مشغول به کار شوید؟

همه ی این عوامل دست به دست هم میدن تا فیزیک برای یه نفر یه شغل پردرآمد باشه و برای یه نفر دیگه یه مدرک بی مصرف!

مثلا اگه کسی قصد داره فقط تا کارشناسی فیزیک بخونه و بعدش دنبال کار میگرده -اونم کار تو ایران!- قطعا باید بره دستفروشی کنه و یا راننده تاکسی بشه! چون بسیاری از دکترا های فیزیک تو ایران بیکارن و به کارشناسی فیزیک کار مهمی سپرده نمیشه.

از طرفی گرایشتون تا حدودی تعیین کننده است... مثلا گرایش هایی که بیشتر  کاربردی هستن و استفاده های عملی و مهندسی دارند قطعا بازارکار بهتری دارن مثل حالت جامد، هسته ای، اتمی و مولکولی، پلاسما

و رشته های بیشتر نظری مثل کیهانشناسی و ذرات بنیادی کار کمتری پیدا میکنند (به خصوص تو کشورهای درحال توسعه مثل ایران!)

مشاغلی که یک دانش آموخته فیزیک میتواند انجام دهد شامل یکی از دسته های زیر است:

-کارهای صنعتی، مثل کار کردن در شرکت های مختلف به عنوان کارشناس فنی

-کارهای تدریسی، مثل تدریس در مدارس و یا تدریس خصوصی

-کارهای آکادمیک، مثل تدریس در دانشگاه (در کنار کارهای پژوهشی)

-کار های پژوهشی، مثل کار کردن در مراکز تحقیقاتی

و در مورد کشور محل کار هم باید گفت قطعا در خارج از کشور کار و موقعیت تحقیقاتی بسیار بسیار فراوانتر از ایرانه. در واقع در کشورهای توسعه یافته دانش آموختگان علوم پایه از مشاغل پردرآمدی برخوردار هستن.

ولی در نهایت تمام اینها بستگی به میزان زرنگی و تلاش شما دارد. در همین ایران هم میتوان درامد زیادی از فیزیک داشت، اما باید جزو برترین های گرایش خودتان باشید. اما اگر تلاش و سواد کافی نداشته باشید در خارج از کشور موفق نخواهید شد.

اثبات فرمول معروف هم ارزی جرم و انرژی

کلیه مطالب این پست و روش اثبات، عینا از مقاله ی* اینشتین است که در سال 1946 منتشر شده است.

روش زیرین برای استنتاج قانون هم ارزی، که پیش از این به چاپ نرسیده است، دو مزیت در بر دارد. با آنکه از اصل نسبیت خاص بهره می گیرد، متضمن کاربرد دستگاه صوری این نظریه نیست بلکه فقط سه قانون از پیش شناخته شده را به کار می گیرد:

1-قانون بقای اندازه ی حرکت(تکانه).

2-رابطه ی خاص فشار تابش؛ یعنی اندازه ی حرکت یک منبع تابش که در راستای ثابتی حرکت می کند.

3-رابطه ی معروف کجنمایی نور (تاثیر حرکت زمین بر مکان ظاهری ستارگان ثابت-برادلی).

اینک دستگاه زیر را در نظر می گیریم. جسم ساکن B را در فضا نسبت به دستگاه Kآزاد فرض می کنیم. دو منبع تابش S و 'S هرکدام با انرژی E/2 به ترتیب در جهت های مثبت و منفی راستای x0 حرکت می کنند و سرانجام جذب B می شوند. با این جذب انرژی B به مقدار E افزایش می یابد.

جسم B به دلیل تقارن، نسبت به K0 ساکن باقی می ماند.

اینک عین همین فرآیند را نسبت به دستگاه K در نظر می گیریم که نسبت به K0 با سرعت ثابت V در جهت منفی z0 در حرکت است. تشریح فرآیند نسبت به K از قرار زیر است:

جسم B با سرعت V در جهت مثبت z حرکت می کند. دو منبع تابش اینک نسبت به K دارای جهت هایی هستند که با محور x زاویه α را تشکیل می دهند. قانون کجنمایی می گوید که در نخستین تقریب \alpha =\frac{C}{V} ، که در آن C عبارت است از سرعت نور. از ملاحظات مربوط به K0 می دانیم که سرعت V جسم B بر اثر جذب S و 'S بی تغییر باقی می ماند.

اینک قانون بقای اندازه حرکت(تکانه) را با توجه به جهت z در مورد دستگاه مختصات K به کار می بریم.

1-پیش از جذب، فرض کنیم M جرم B باشد؛ بنابراین Mv تبیین اندازه حرکت(تکانه) B خواهد بود (بر اساس مکانیک کلاسیک). هر یک از دو منبع تابش دارای انرژی E/2 است و بنابراین، به موجب یکی از نتایج مشهور نظریه ماکسول، دارای اندازه حرکت(تکانه) E/2C است. دقیقا گفته باشیم، این اندازه حرکت S نسبت به K0 است. با وجود این، هنگامی که V نسبت به C کوچک باشد، اندازه ی حرکت نسبت به K همان سان که بود باقی می ماند، مگر برای کمیتی از مرتبه دوم بزرگی ( \frac{V^{2}}{C^{2}} نسبت به 1). مولفه ی z این اندازه ی حرکت عبارت است از \frac{E}{2C}sin\alpha ، یا با دقت کافی (به استثنای کمیت هایی از مرتبه بالاتر بزرگی) برابر با \frac{E}{2C}\alpha یا \frac{V}{C^{2}} ، \frac{E}{2} . بنابراین، S و 'S مجموعا دارای اندازه ی حرکت E\frac{V}{C^{2}} در جهت z هستند. پس، کل اندازه ی حرکت دستگاه پیش از جذب عبارت است از:

Mv+\frac{E}{C^{2}}.v

2-پس از جذب، فرض کنیم 'M جرم B باشد. در اینجا پیش بینی میکنیم که جرم بر اثر جذب انرژی E افزایش می یابد (این کار برای آنکه نتیجه ی نهایی بررسی ما منسجم باشد، ضرورت دارد). پس، اندازه ی حرکت دستگاه بعد از جذب عبارت می شود از M' v

حال قانون بقای اندازه ی حرکت را نسبت به جهت z به کار می بریم.

نتیجه می شود معادله ی

Mv+\frac{E}{C^{2}}V=M'v

M'-M=\frac{E}{C^{2}}

این معادله بیانگر قانون هم ارزی انرژی و جرم است. افزایش انرژی E مرتبط است با افزایش جرم \frac{E}{C^{2}} . از آنجا که انرژی به موجب تعریف معمول، یک ثابت اضافی را آزاد می گذارد، می توانیم این آخری را طوری انتخاب کنیم که :

E=MC^{2}

*: Einstein, A. (1946), An Elementary Derivation of the Equivalence of Mass and Energy, Technion Yearbook 5, 16-17. Reprinted in Einstein, A. (1967), Out of My Later Years. Totowa, NJ: Littlefield, Adams, & Co.

آزمایشگاه مجازی فیزیک با Crocodile Physics

توجه: بدلیل تمام شدن تاریخ انقضای کد برنامه خواهشمندم فقط در صورتی برنامه را دانلود کنید که خود بتوانید کد جدید آن را از اینترنت پیدا کنید. در غیر این صورت دانلود نکنید... با تشکر

دانلود برنامه Crocodile Physics فقط از سایت گرین آنلاین...

با این برنامه شما قادر خواهید بود تا آزمایش های مربوط به علم فیزیک رو در محیطی شبیه سازی شده انجام بدید.

با نرم افزار کروکودیل فیزیک می توانید از آزمایش های مربوط به مکانیک گرفته تا آزمایش های مربوط به اپتیک، امواج و الکتریسیته را در محیطی بدون خطر(!) و با دقت بالا تجربه کنید.

استفاده از این نرم افزار برای یادگیری فیزیک نیز مفید است و به دانشجویان و دانش آموزان توصیه می شود.

 

دانلود این برنامه با حجم 31 مگابایت

پسورد: www.greenonline.ir

دانلود کتاب "روش های ریاضی برای فیزیکدانان"

دانلود کتاب "Mathematical Methods For Physicists" از گرین آنلاین...

این کتاب شامل اصول ریاضیات و جبر برای محاسبات است که یکی از مرجع های علمی برای دانشجویان ریاضی و فیزیک به شمار می رود.

 خواندن آن به همه ی کسانی که در این زمینه تحصیل میکنند یا نیاز به ریاضیات پیشرفته دارند توصیه میشود.

 

دانلود فایل PDF این کتاب فقط با حجم 5.7 مگابایت...

پسورد: www.greenonline.ir

صدای آلبرت اینشتین

It followed from the special theory of relativity that mass and
energy are both but different manifestations of the same thing — a somewhat
unfamiliar conception for the average mind. Furthermore, the equation E is equal
to m c-squared, in which energy is put equal to mass, multiplied by the square
of the velocity of light, showed that very small amounts of mass may be
converted into a very large amount of energy and vice versa. The mass and energy
were in fact equivalent, according to the formula mentioned above. This was
demonstrated by Cockcroft and Walton in 1932, experimentally.

از تئوری نسبیت خاص اینطور برداشت میشود که جرم(ماده) و انرژی دو شکل متفاوت از [نمود] یک چیز هستند - چیزی که درکش برای افراد عادی سخت است.
علاوه بر این، معادله ی E=m.C² (مقدار انرژی برابر است با حاصل ضرب جرم در مجذور سرعت نور) نشان میدهد که مقدار خیلی کمی ماده(جرم) میتواند به مقدار خیلی زیادی انرژی تبدیل شود و برعکس.
[پس] طبق فرمولی که در بالا ذکر شد، جرم(ماده) و انرژی هم ارزند.
این با آزمایشی که Cockcroft و Walton در سال 1932 انجام دادند اثبات گشت.

 

دانلود فایل صوتی (MP3)