Zdobycze naukowe i zastosowania fizyki współczesnej

bez wymagań

60 godzin (30 godzin wykładu, 30 godzin samodzielnej lektury materiałów dostarczonych przez wykładowcę na stronach internetowych).

W1: student zna podstawowe działy fizyki XX i XXI wieku

W2: student rozróżnia techniki badawcze fizyki współczesnej w zastosowaniach do biologii, geologii, genetyki, medycyny

W3: zna najważniejsze wydarzenia z historii fizyki XX wieku, przykładowe sylwetki noblistów, w tym polskich

W4: charakteryzuje najważniejsze odkrycia naukowe fizyki XX i XXI wieku

U1: student rozróżnia wiedzę fizyczną potwierdzoną od spekulacji pseudo-naukowych

U2: wykorzystuje zdobyte informacje do określenia historycznych linii rozwojowych fizyki

U3: potencjalnie potrafi ocenić zalety i niebezpieczeństwa zaawansowanych fizycznie metod diagnostyki medycznej

U4: krytycznie ocenia doniesienia popularne o odkryciach i wynalazkach w dziedzinie fizyki i techniki.

K1: potrafi przedstawić w kompetentny i ciekawy sposób problemy współczesnej fizyki

K2: potrafi wykorzystać wiedzę o technikach fizycznych do działań interdyscyplinarnych

K3: ma świadomość ograniczeń wiedzy naukowej

K4: rozumie koszty postępu naukowego

Wykład, z elementami pokazu doświadczeń

- pokaz

- wykład problemowy

- studium przypadku

Celem wykładu jest poznanie najważniejszych odkryć fizyki XX i XXI wieku, oraz ich licznych zastosowań; w medycynie, naukach o Ziemi, kosmologii, chemii. Omówione zostaną, w poszczególnych tematach: i) przesłanki odkrycia, ii) droga rozwojowa, iii) sylwetki odkrywców, iv) sens fizyczny i uproszczony opis matematyczny, v) zastosowania praktyczne, vi) możliwe dalsze linie rozwojowe nauk przyrodniczych w kontekście zastosowań fizyki.

Korzystamy z osiągnięć fizyki współczesnej w każdej chwili - konsultując informacje w internecie, włączając i-phone, podgrzewając potrawy w kuchence mikrofalowej. Warto wiedzieć, jak efektywnie te urządzenia wykorzystywać. To jest główny cel wykładu - zapewnić słuchaczom komfort rozumienia współczesnej techniki.

Wykład jest oparty na projekcie UE "Physics is Fun" prof. G. Karwasza, licznych artykułach popularno-naukowych i stronach internetowych autora, oraz książce G. Karwasz "Toruński po-ręcznik do fizyki. IV Fizyka współczesna"

Celem wykładu jest pokazanie, jak odkrycia fizyki XX wieku zmieniły współczesny świat, i jak go mogą zmienić w najbliższej przyszłości.

Szczegółowe treści wykładu:

1) Początek fizyki XX wieku: hipoteza kwantów Plancka. Stara i nowa teoria kwantów, równanie Schrodingera, zastosowania chemii kwantowej do projektowania związków organicznych i leków

2) 4 artykuły, które zmieniły świat: cudowny rok A. Einsteina (1905); szczególna i ogólna teoria względności; E=mc2, poprawki teorii względności do GPS

3) Spektroskopia optyczna. Laser – największy wynalazek XX wieku. Zastosowania medyczne i techniczne. Spektroskopia fotoakustyczna – detekcja procesów metabolicznych roślin, sterowanych hormonami gazowymi

4) Promieniowani Roentgena – historia odkrycia. Zastosowania w defektoskopii materiałów. Tomografia rentgenowska. Odkrycie struktury DNA. Promieniowanie synchrotronowe: badania struktury białek.

5) Spektroskopia masowa – zastosowania w chemii, biologii. Akceleratory – narzędzia badawcze fizyki cząstek elementarnych.

6) Promieniotwórczość naturalna i indukowana. Problemy energetyki atomowej. Perspektywy energii termojądrowej. Radionuklidy w medycynie. Zagadnienia bezpieczeństwa radiologicznego.

7) Antymateria. Anihilacja pozytonów w badaniach materiałowych. Tomografia emisji pozytonów w medycynie.

8) Spin cząstek elementarnych. Rezonans jądrowy (NMR) i jego zastosowania w badaniach mózgu, w medycynie, w geologii. .

9) Spin a statystyka cząstek: fermiony i bozony. Kondensat Bosego- Einsteina – najzimniejsze miejsce we Wszechświecie. Możliwe zastosowania w metrologii.

10) Bilans energetyczny Ziemi. Procesy fizyczne i chemiczne w atmosferze a efekt cieplarniany; wymiar ekonomiczny.

11) Cząstki elementarne – fascynujący wyścig w odkrywaniu najgłębszej struktury materii. Bozon Higgsa – czy koniec poszukiwań?

12) Einstein, Lemaitre, Hubble: rozszerzający się Wszechświat. Ekstrapolacja do początków Wszechświata. Ciemna energia i ciemna materia – największa zagadka XXI wieku?

13) Paradoks Rosena-Podolsky’ego-Einsteina i kryptografia kwantowa.

Przykład: Adrenaliną dla roślin, gazowym hormonem, jest etylen (C2H4). Od dawna wiedziano, że od skrzynki jabłek dojrzeje natychmiast hangar bananów. Nie wiadomo dlaczego.

Jabłonie wydzielają etylen, gdy dojrzewają owoce, orchidee gdy rozkwitają kwiaty. Skąd to wiadomo? Dzięki laserom.

Ilości etylenu są znikome, 10 części na miliard drobin powietrza - potrzebna metoda specjalna. Nazywa się fotoakustyką.

Tak więc, gdy fotoakustyka będzie dostępna już w domu, po przyjściu z pracy można zapytać: "jak się pani dziś czuje, pani orchideo?".

1. Lawrence Lerner, Fizyka Współczesna

2. Weinberg Steven, 1998. Pierwsze trzy minuty. Prószyński i S-ka. (The first three minutes, 1977)

3. G. Karwasz (koordynator) Materiały projektu EU „Science and Society” „On the Track of Modern Physics, np.

G. Karwasz,„Jak się Pani czuje, Pani Orchideo”, fragment wystawy multimedialnej z fizyki współczesnej „On the Track of Modern Physics” http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/orchidea.html

4. Artykuły z „Nature” i „Science” po roku 2000 (teksty zostaną dostarczone przez prowadzącego)

5. G. Karwasz, Toruński po-ręcznik do fizyki. IV Fizyka współczesna i astrofizyka, Wyd. Nauk. UMK. 2020

6. Artykuły historyczne, np. Zeitr. Phys. (1905) – odkrycia A. Einsteina

Metody oceniania:

- aktywność

- obecność na zajęciach

- test sprawdzający na ostatnich zajęciach

Kryteria oceniania:

zaliczenie na ocenę na podstawie obecności na zajęciach i przedstawionego eseju podejmującego wybrany aspekt relacji między nauką i religią; wymagany próg na ocenę dostateczną - 55%, 60% - dostateczny plus, 70% - dobry, 80% - dobry plus, 85% - bardzo dobry. Kryterium oceny eseju polegać będzie na stopniu wnikliwości ujęcia problemu, rozległości i trafności przytoczonej bibliografii, samodzielnej refleksji i poprawności językowej.

brak

Zajęcia on-line, na platformie webex

Materiały asynchroniczne na stronie:

https://moodle7.fizyka.umk.pl/course/view.php?id=119

Zajęcia on-line, na platformie webex

Materiały asynchroniczne na stronie:

https://moodle7.fizyka.umk.pl/course/view.php?id=119