کلاس های کنکور دوازدهم رشته ی ریاضی

فیزیک چیست؟

از زمان یونان باستان علمی تجربی توسط دانشمندان زمان پیگیری می شد که به معنی طبیعیت و ماهیت هرچیز بود. تا اواسط قرن نوزدهم میلادی فیزیک مدون مدیون سیب انداخته شده از بالای درخت بر سر نیوتن بود که به فیزیک کلاسیک شناخته می شود. اگر سیب نمی افتاد چه می شد؟ یا لااقل نیوتن زیر درخت هندوانه! خوابیده بود کار نیوتن و فیزیک هردو یک سره می شد. فیزیک کلاسیک را مدیون دانشمندان بسیاری از جای جای جهان هستیم و نه فقط نیوتن. ولی معمولا برخی فیزیک کلاسیک مخصوصا مکانیک را به احترام این دانشمند اهل گردش علمی، فیزیک نیوتنی یا مکانیک نیوتنی می نامند. روزی دانشمندان در حال قایم موشک بازی بودند که نیوتن می بیند جایی برای پنهان شدن ندارد به ناچار روی یک کاشی مربعی 1 متری قرار می گیرد. زمانی که دانشمند چشم گذاشته که الان نامش در خاطرم نیست گفت نیوتن تو را یافتم، ساک ساک، او گفت نه سخت در اشتباهی من نیوتن نیستم من نیوتن بر متر مربع یعنی پاسکال هستم!!! دانشمند مذکور که سخت از دست نیوتن عاصی شده بود او را یک متر دنبال کرد و نیوتن باز هم داد زد من نیوتن نیستم نیوتن در متر یعنی ژول هستم!!! خلاصه دانشمندان گفتند تو برو زیر درخت نارگیل کمی استراحت کن تا ما بیاییم ولی دریغ از افتادن حتی یک نارگیل بر زمین.

اواخر قرن نوزدهم دانشمندان بسیاری با آزمایش های خود دریافتند که نظریه های فیزیک کلاسیک نمی تواند برخی پدیده ها را توجیه کند و کم کم دسته ی مهمی از فیزیک به نام فیزیک نوین (مدرن) بر پایه ی نظریه های مهمی از جمله مکانیک کوانتوم و نظریه ی نسبیت شکل گرفت. پس از یک دیدگاه کلی فیزیک به دو دسته ی فیزیک کلاسیک و فیزیک نوین تقسیم می شود. در کتاب های درسی دبیرستان، در رشته ی ریاضی فقط دو فصل آخر کتاب درسی دوازدهم به فیزیک نوین اشاره دارد و باقی همه فیزیک کلاسیک هستند.

همچنین بعدها برخلاف دانشمندان قبلی معلوم شد که به فیزیک که یک علم تجربی و کاربردی شناخته می شده است، می توان یک شاخه ی بسیار مهم با نام فیزیک نظری اضافه کرد. فیزیک نظری نیاز به تجربه در مقیاس خیلی ریز یا خیلی بزرگ یا خیلی دور از ما یا خیلی قبل از ما یا خیلی بعد از ما نیاز دارد که عملا دستگاه های قدرتمند ساخته شده به عنوان میکروسکوپ یا تلسکوپ های قوی نیز امکان تجربه ی مستقیم آن ها را برای ما میسر نمی کند و برای خیلی از آن ها نیاز به فضاپیماهای سریع در حد سرعت نور و ماشین زمان داریم که بجز فیلم های علمی تخیلی هنوز امکان ارائه و ساخت آن ها وجود ندارد. فیزیک نظری در سطح دبیرستان به بسیاری مفاهیم موجود در فیزیک اتمی و هسته ای از فیزیک مدرن و نیز مفاهیم الکترومغناطیس از فیزیک کلاسیک و فیزیک مدرن می پردازد. گرچه همه ساله برخی نظریه های فیزیک نظری امکان تجربه و آزمایش و در نتیجه تایید و گاهی تصحیح حتی تردید نیز دارند. به طوری که برخی نظریه ها به طور کامل مردود می شوند. دانشمندان زیادی از موسسان فیزیک مدرن و فیزیک نظری بودند ولی شاید معروف ترین آن ها انیشتین باشد بطوری که گاهی برخی از این نوع فیزیک به نام فیزیک انیشتینی نیز یاد می کنند. البته بر دنبال علم روندگان پوشیده نیست که ماکسول، پلانک، شرودینگر و … نیز در این عرصه بسیار زحمت های علمی فراوانی کشیده اند.

حالا فیزیک نوین و فیزیک نظری را که کنار بگذاریم فیزیک کلاسیک و در حالت کلی تمامی دسته های فیزیک معمولا به دو شاخه ی مهم و کلی زیر تقسیم می شوند که شاخه های دیگر یا زیرمجموعه ای از یک یا دو شاخه هستند یا درمقابل این دو شاخه حجم چندانی ندارند. آنقدر این شاخه ها وسیع بوده که گاهی به صورت علمی جدا از علم فیزیک نام برده شده و معرفی می گردند. همچنین هر دو در مهندسی و صنعت و سایر زمینه های علمی از جمله پزشکی بسیار کاربرد دارند :

فیزیک مکانیک و فیزیک الکترومغناطیس

فیزیک مکانیک :

مکانیک یعنی پویایی و حرکت ولی این کل مکانیک نیست بلکه تعادل و سکون نیز مکانیک است. پس اگر خیلی فلسفی به قضیه نگاه کنیم، همه چیز مکانیک است. به عنوان یک تعریف دقیق تر می توان گفت : مکانیک یعنی اعمال عامل محرک خارجی به یک جسم و بررسی پاسخ جسم به آن عامل محرک خارجی. عامل محرک خارجی می تواند نیرو یا گشتاور باشد. پاسخ جسم می تواند سکون یا حرکت باشد. تعادل یا ناپایداری باشد. عدم تغییرشکل یا تغییر شکل های کوچک یا بزرگ باشد.

این اعمال، اگر با چشم غیر مسلح امکان مشاهده داشته باشد اصطلاحا مکانیک درشت بینی و در غیر این صورت مکانیک ریزبینی (میکرو مکانیک) است. یعنی حرکت یک میز یا نیروی وارده بین اتم ها به هم!

اگر عامل محرک نسبت به زمان ثابت باشد استاتیک گوییم. مثل اعمال یک نیروی ثابت یا با تغییرات بسیار بسیار ناچیز نسبت به زمان ولی اگر عامل محرک نسبت به زمان تغییر کند دینامیک گوییم. مثل زلزله که اثر مخرب آن بر ساختمان ها نسبت به زمان در طول مدت زلزله متفاوت است. باد نیز دینامیک است. همین طور ضربه و انفجار نیز همین طور.

در استاتیک می گوییم برآیند نیروهای وارد بر جسم صفر است و جسم در حالت تعادل است. مثل گلوله ای که توسط یک طناب از سقف آویزان است و تکان نمی خورد. در دینامیک می گوییم برآیند نیروهای وارد بر جسم مخالف جسم است و هم راستا، هم جهت و متناسب با شتاب حرکت جسم است. همین طور نیروها به صورت جفت نیروی وارد بر دو جسم بدون تقدم و تاخر زمانی یکی عمل (کنش) و دیگری عکس العمل (واکنش) هستند که همه ی این ها را قبلا جناب نیوتن تحت عنوان قوانین سه گانه ی خود آورده است.

اگر جسم حرکت کند و بدون در نظر گرفتن عوامل بوجود آورنده ی حرکت، فقط خود حرکت را بررسی کنیم می شود همان حرکت شناسی یا سینماتیک. کلید واژه های این بحث مکان، سرعت و شتاب نسبت به زمان هستند.

اگر تغییر شکل جسم با حذف نیرو به حالت اول برگردد مثل فنری که کشیده یا فشرده ایم و در صورت رها کردن به حالت اول بر می گردد، جسم در حالت ارتجاعی یا کشسان (الاستیک) است ولی اگر همین فنر را بیش از بکشیم و اصطلاحا فنریت خود را از دست بدهد حالت غیر ارتجاعی یا خمیری (پلاستیک) است. در مسائل ما همواره حالت الاستیک و در عین حال خطی را بررسی می کنیم. یعنی رابطه ی نیرو و تغییر مکان خطی است با شیب برابر سختی فنر (جسم).

حال اگر بخواهیم تبدیلات انرژی و کاری انجام گرفته را برای حرکت های مختلف افقی، قائم و … بررسی کنیم همه ی همان چیزی می شود که در فصل کار و انرژی با آن مواجه هستیم. و اگر بخواهیم ببینیم چه کسی همان کار را زودتر انجام می دهد می گوییم چه کسی توان بیشتری دارد. چه کسی کل توانش را مصرف می کند یعنی چه کسی بازده اش بیشتر است. (گرچه نمی توان کل توان را مصرف کرد و همواره مقداری تلف شده نیز داریم!)

اگر بخواهیم حرکت های رفت و برگشتی یا دایره ای را مدلسازی کنیم باید با اصول نوسان آشنا شویم و بدانیم موج ها در انتشار خود یک حرکت نوسانی طی می کنند. اما موج چیست؟ موج اصلا چیز فیزیکی و قابل لمسی نیست. یک انتقال انرژی است که باعث ارتعاش ذرات در سر جای خود هنگام انتشار است که اگر جهت انتشار موج با جهت ارتعاش ذره هم راستا باشد موج طولی است، مثل صوت و اگر جهت انتشار موج عمود بر جهت ارتعاش ذره باشد، موج عرضی است، مانند موج های عرضی طناب. موج نیز می تواند مانند سایر حرکت ها یک، دو یا سه بعد داشته باشد. در کتاب درسی بیشتر با موج های یک بعدی سر و کار داریم. گرچه موج های دایره ای آب هنگام پرتاب سنگ درون آن سطحی (دوبعدی) هستند. توجه شود که موج های ذکر شده که سبب ارتعاش ذره می شوند موج های مکانیکی نام دارند. نوع دیگری از موج نیز داریم که برای انتشار اصولا به ذره نیاز ندارد و موج الکترومغناطیسی نام دارد مثل نور خورشید که از خلا نیز عبور می کند تا به سطح زمین برسد.

همه ی این ها با کلی مخلفات کل مکانیک نیست فقط یک بخش مکانیک است با نام مکانیک جامدات که روی بحث در مورد اجسام در حالت جامد است. مکانیک سیالات همان اصول مکانیک را روی سیالات (شاره ها) شامل مایعات (عمدتا آب و گاهی جیوه) و گازها (عمدتا هوا یا گاز آرمانی) پیاده می کند. سیالات نیز می توانند در حالت تعادل یا در حالت در جریان آرام یا آشفته بررسی شوند. می توان فشار وارد بر مایعات را در هر دو حالت محاسبه کرد. در این جا با یک سری روابط چگالی و نیروی شناوری و اصل پیوستگی جریان و معادله برنولی که به تازگی و به اندازه ی خیلی کم و مبهم به کتاب درسی اضافه شده اند نیز سروکار داریم. همچنین در ادامه گرما و مفهوم آن، گرما و معیاری برای سنجش آن با تعریف مفهوم دما، روش های انتقال گرما و نیز آثار گرما که ممکن است باعث افزایش دما، تغییر حالت جسم یا تغییر طول جسم نیز شوند را نیز داریم. در رشته ی ریاضی ترمودینامیک یعنی دینامیک سیالات با درنظر گرفتن اثر گرما را به عنوان یک بخش بسیار مهم با بیان قوانین اول و دوم ترمودینامیک به بیان ماشین گرمایی و یخچال داریم که هر دو بر این اصل ساده استوار هستند که امکان ندارد بازده یک ماشین صد در صد باشد و همواره هر ماشین در هرچرخه ی خود مقداری انرژی تلف خواهد کرد! می توان گازهای آرمانی را در فرآیندهای هم حجم، هم فشار، هم دما و بی دررو در ترمودینامیک و نیز در گرما و قوانین گازها بررسی کرد.

همه ی فصل های فیزیک دهم و دوازدهم بجز دو فصل آخر فیزیک دوازدهم مکانیک هستند همچنین کل فیزیک یازدهم مکانیک نیست.

فیزیک الکترومغناطیس : 

الکترومغناطیس از دو جزء تشکیل شده است : الکترو  و   مغناطیس

الکترو یعنی تعادل الکترون ها یا همان الکترواستاتیک که در کتاب درسی به اشتباه الکتریسیته ی ساکن نامیده شده است و نیز حرکت الکترون ها یا همان جریان الکتریسیته که می تواند مستقیم یا متناوب باشد. در الکترواستاتیک همانند مکانیک به نیروهای وارد بر الکترون ها یا همان نیروی کولنی می پردازیم. با مفهوم میدان الکتریکی آشنا می شویم. با خازن ها به عنوان یکی از مهم ترین های این مبحث سر و کار خواهیم داشت.

در جریان الکتریسیته در ابتدا به قانون اهم بر می خوریم و با به هم بستن موازی یا متوالی (سری) یا ترکیبی مدارهای الکتریکی مسائل مختلف مقاومت ها و تاثیر آن ها در جریان الکتریسیته را بررسی می کنیم.

اما با مفهوم مغناطیس از دوره ی ابتدایی به کمک وسیله ای بسیار ارزشمند به نام آهنربا آشنا هستیم و قطب های مغناطیسی و ربایش قطب های غیر هم نام و رانش قطب های هم نام را بر اساس تجربه و استدلال می پذیریم. در ادامه متوجه می شویم همانند میدان الکتریکی، میدانی را می توان تعریف کرد که خاصیت مغناطیسی مشخصی در این حوزه برقرار است و به آن میدان مغناطیس می گویند.

اما نکته ی بسیار عجیب ماجرا تغییرات در میدان الکتریکی است که خاصیت مغناطیسی ایجاد می کند مثل آهنربای الکتریکی و تغییرات در میدان مغناطیسی خاصیت الکتریکی ایجاد می کند. جالب است بدانید که اگر همانند عملکرد آنتن ها اگر بتوانیم مکانیزمی ایجاد کنیم که این تغییرات تواما باشند باعث بوجود آمدن امواج الکترومغناطیس می شوند که بسیاری از روابط ریاضی موج های مکانیکی را نیز دارند و در این تقسیم بندی جزو موج های عرضی سه بعدی هستند ولی برای انتشار همان طور که در بالا نیز ذکر شد به ماده احتیاج ندارند. در بحث الکترومغناطیس، بی انصافی محض است که از دانشمند بزرگ تسلا یادی نکنیم. تسلا در الکترومغناطیس همان قدر بزرگ و ارزشمند است که ادیسون در الکتریسیته.

امواج الکترومغناطیسی گاهی در محدوده ی طول موج های مرئی هستند یعنی همان نور مرئی و بقیه بالاتر یا پایین تر از این محدوده هستند. آزمایش های مختلفی از جمله آزمایش یانگ برای تئوری موجی بودن نور ارائه شده اند. نور مرئی را می تواند توسط هر سطح صیقلی به روش های مختلف بازتاب داد که اساس کار انواع آینه های تخت و کروی است. همچنین توسط عدسی های همگرا یا واگرا می توان با استفاده از پدیده ی شکستت نور آن ها را متمرکز یا پراکنده کرد مثل ذره بین که دیده اید. عینک های طبی نیز عدسی هستند.