فیزیک کلاسیک

اصول و مبانی فیزیک کلاسیک به مفاهیم و قوانینی اشاره دارد که درک ما از جهان فیزیکی را در سطح ماکروسکوپی شکل می‌دهند. فیزیک کلاسیک شامل مجموعه‌ای از نظریات و قوانین است که توسط دانشمندانی مانند آیزاک نیوتن، گالیله، و ماکسول توسعه یافته است و تا اواخر قرن نوزدهم به‌عنوان نظریه‌های غالب فیزیک شناخته می‌شد. در اینجا به اصول و مبانی اصلی فیزیک کلاسیک اشاره می‌کنیم:

۱. مکانیک کلاسیک (مکانیک نیوتنی)

مکانیک نیوتنی یکی از پایه‌های اصلی فیزیک کلاسیک است که توسط آیزاک نیوتن در قرن هفدهم مطرح شد. این نظریه حرکت اجسام را بر اساس سه قانون اصلی نیوتن توضیح می‌دهد:

1. قانون اول نیوتن (قانون اینرسی): هر جسم در حالت سکون باقی می‌ماند یا با سرعت یکنواخت در خط مستقیم حرکت می‌کند، مگر اینکه نیروی خارجی بر آن وارد شود.
2. قانون دوم نیوتن: شتاب یک جسم با نیروی خالص وارد بر آن متناسب است و با جرم جسم نسبت عکس دارد. به‌عبارت‌دیگر، $F=ma$ که در آن $F$ نیروی خالص، $m$ جرم جسم، و $a$ شتاب است.
3. قانون سوم نیوتن (عمل و عکس‌العمل): برای هر نیرویی که یک جسم به جسم دیگر وارد می‌کند، نیرویی برابر و در جهت مخالف از جسم دوم به جسم اول وارد می‌شود.

۲. الکترومغناطیس

الکترومغناطیس یکی دیگر از شاخه‌های اصلی فیزیک کلاسیک است که با مطالعه میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی و تعامل آن‌ها با مواد و بارهای الکتریکی سروکار دارد. قوانین الکترومغناطیس به‌طور جامع در چهار معادله ماکسول خلاصه شده‌اند که شامل:

1. قانون گاوس برای الکتریسیته: بیان می‌کند که شار الکتریکی خالص از هر سطح بسته‌ای با بار الکتریکی درون آن سطح متناسب است.
2. قانون گاوس برای مغناطیس: بیان می‌کند که خطوط میدان مغناطیسی همیشه حلقه‌های بسته تشکیل می‌دهند و شار مغناطیسی خالص از هر سطح بسته‌ای صفر است، که نشان‌دهنده عدم وجود تک‌قطبی مغناطیسی است.
3. قانون فارادی القای الکترومغناطیسی: نشان می‌دهد که یک میدان الکتریکی در اطراف هر تغییر در زمان میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود.
4. قانون آمپر-ماکسول: بیان می‌کند که میدان مغناطیسی در اطراف یک جریان الکتریکی و تغییر میدان الکتریکی ایجاد می‌شود.

۳. ترمودینامیک

ترمودینامیک شاخه‌ای از فیزیک کلاسیک است که با انرژی، حرارت، کار، و انتقال انرژی در سیستم‌ها و چگونگی تعامل این کمیت‌ها با هم سروکار دارد. اصول اصلی ترمودینامیک شامل چهار قانون است:

1. قانون صفرم ترمودینامیک: اگر دو سیستم هر دو با یک سیستم سوم در تعادل حرارتی باشند، با هم در تعادل حرارتی هستند.
2. قانون اول ترمودینامیک (قانون بقای انرژی): تغییر در انرژی داخلی یک سیستم برابر با حرارت اضافه‌شده به سیستم منهای کار انجام‌شده توسط سیستم است.
3. قانون دوم ترمودینامیک: بیان می‌کند که فرآیندهای طبیعی تمایل دارند به سمت افزایش انتروپی (بی‌نظمی) سیستم و محیط حرکت کنند.
4. قانون سوم ترمودینامیک: بیان می‌کند که با نزدیک شدن دمای یک سیستم به صفر مطلق، انتروپی آن به یک مقدار ثابت حداقل نزدیک می‌شود.

۴. اپتیک (نورشناسی)

اپتیک، مطالعه رفتار و خواص نور و تعامل آن با مواد است. در فیزیک کلاسیک، نور به‌عنوان موج الکترومغناطیسی توضیح داده می‌شود که می‌تواند پدیده‌هایی مانند بازتاب، شکست، تداخل، و پراش را توضیح دهد.

۵. نظریه نسبیت خاص

هرچند نظریه نسبیت خاص به‌عنوان بخشی از فیزیک مدرن شناخته می‌شود، اما مقدمه‌ای برای جدایی فیزیک کلاسیک از فیزیک کوانتومی و نسبیتی است. این نظریه توسط آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ ارائه شد و اصول حرکت را برای اجسامی که با سرعت‌های نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند، اصلاح کرد. اصول اساسی نظریه نسبیت خاص شامل ثابت بودن سرعت نور در همه چارچوب‌های مرجع اینرسی و عدم وجود چارچوب مرجع مطلق است.

خلاصه

فیزیک کلاسیک اصول و مبانی فیزیکی را که تا قرن نوزدهم برای توضیح جهان فیزیکی استفاده می‌شد، ارائه می‌دهد. این اصول شامل مکانیک نیوتنی، الکترومغناطیس، ترمودینامیک، و اپتیک است که همگی بر پایه قوانین و معادلاتی قرار دارند که توسط مشاهدات تجربی تأیید شده‌اند. با ظهور نظریه نسبیت و مکانیک کوانتومی، برخی از این اصول مورد بازبینی قرار گرفتند، اما همچنان در بسیاری از کاربردهای روزمره معتبر هستند.

فیزیک کلاسیک

الکترومغناطیس : قانون گاوس

قانون گاوس یکی از اصول بنیادی الکترومغناطیس است که به توزیع میدان الکتریکی و مغناطیسی در فضا می‌پردازد. این قانون در دو شکل الکتریکی و مغناطیسی بیان می‌شود که هر کدام به شار الکتریکی یا مغناطیسی از یک سطح بسته مربوط هستند. در اینجا ما بر روی قانون گاوس برای الکتریسیته تمرکز خواهیم کرد، که یکی از معادلات چهارگانه ماکسول است و به میدان‌های الکتریکی و بارهای الکتریکی مربوط می‌شود.

قانون گاوس برای الکتریسیته

قانون گاوس برای الکتریسیته بیان می‌کند که شار الکتریکی خالص (ΦE\Phi_EΦE​) از یک سطح بسته (سطح گاوسی) برابر است با مجموع بار الکتریکی کل (QداخلQ_{\text{داخل}}Qداخل​) درون آن سطح، تقسیم بر ثابت گذردهی الکتریکی خلا (ε0\varepsilon_0ε0​). این قانون به‌صورت ریاضی به شکل زیر بیان می‌شود:

∮سطح بستهE⋅dA=Qداخلε0\oint_{\text{سطح بسته}} \mathbf{E} \cdot d\mathbf{A} = \frac{Q_{\text{داخل}}}{\varepsilon_0}∮سطح بسته​E⋅dA=ε0​Qداخل​​

در این فرمول:

• $\mathbf{E}$ میدان الکتریکی است.
• $d\mathbf{A}$ عنصر سطح برداری کوچک است، جهت آن به‌صورت عمود بر سطح و به بیرون سطح بسته می‌باشد.
• ∮سطح بسته\oint_{\text{سطح بسته}}∮سطح بسته​ نماد انتگرال گیری سطحی بر روی یک سطح بسته است.
• QداخلQ_{\text{داخل}}Qداخل​ بار الکتریکی کل درون سطح بسته است.
• ε0\varepsilon_0ε0​ ثابت گذردهی الکتریکی خلا است که مقداری ثابت برابر با 8.85×10−12 C2/N⋅m28.85 \times 10^{-12} \, \text{C}^2/\text{N} \cdot \text{m}^28.85×10−12C2/N⋅m2 دارد.

مفهوم فیزیکی قانون گاوس

قانون گاوس برای الکتریسیته به ما می‌گوید که مجموع شار میدان الکتریکی از سطح یک حجم بسته، مستقیماً با مجموع بار الکتریکی داخل آن حجم نسبت دارد. این قانون به طور کلی درک ما را از اینکه چگونه بارهای الکتریکی میدان الکتریکی را در فضا تولید می‌کنند، تسهیل می‌کند.

برای درک بهتر این مفهوم، تصور کنید یک بار نقطه‌ای $Q$ در مرکز یک کره قرار دارد. میدان الکتریکی ناشی از این بار در هر نقطه روی سطح کره به سمت بیرون و برابر است. اگر انتگرال میدان الکتریکی $\mathbf{E}$ را بر روی سطح کره محاسبه کنیم، طبق قانون گاوس داریم:

∮کرهE⋅dA=Qε0\oint_{\text{کره}} \mathbf{E} \cdot d\mathbf{A} = \frac{Q}{\varepsilon_0}∮کره​E⋅dA=ε0​Q​

از آنجا که میدان الکتریکی روی سطح کره در همه جا برابر و به سمت بیرون است، این انتگرال را می‌توان به صورت ساده‌تری نوشت:

E⋅(4πr2)=Qε0E \cdot (4 \pi r^2) = \frac{Q}{\varepsilon_0}E⋅(4πr2)=ε0​Q​

در اینجا E=Q4πε0r2E = \frac{Q}{4 \pi \varepsilon_0 r^2}E=4πε0​r2Q​ میدان الکتریکی در فاصله $r$ از بار نقطه‌ای است، که همان رابطه قانون کولن را به ما می‌دهد.

کاربردهای قانون گاوس

1. تقارن: یکی از کاربردهای اصلی قانون گاوس در حل مسائل با تقارن زیاد (مانند تقارن کروی، استوانه‌ای، یا صفحه‌ای) است. در چنین مواردی، قانون گاوس به‌طور قابل توجهی محاسبات را ساده می‌کند زیرا میدان الکتریکی در اطراف بارها می‌تواند به‌صورت مستقیم از تقارن مسئله استنتاج شود.
2. توزیع بار در رساناها: در الکتروستاتیک، قانون گاوس نشان می‌دهد که میدان الکتریکی داخل یک رسانای در تعادل الکتروستاتیکی صفر است. این به این دلیل است که بارهای الکتریکی در سطح خارجی رسانا توزیع می‌شوند به گونه‌ای که میدان الکتریکی درون آن خنثی می‌شود.
3. محاسبه میدان‌های الکتریکی: می‌توان از قانون گاوس برای محاسبه میدان الکتریکی در اطراف اشکال هندسی مختلف با بارهای معین استفاده کرد، به شرطی که تقارن کافی وجود داشته باشد.

نتیجه‌گیری

قانون گاوس برای الکتریسیته یکی از ابزارهای قدرتمند در الکترومغناطیس است که به ما امکان می‌دهد تا میدان‌های الکتریکی را در اطراف بارها به‌راحتی محاسبه کنیم. با توجه به اینکه این قانون مستقیماً به توزیع بارها مربوط می‌شود، فهمیدن و استفاده از آن در مسائل مختلف فیزیک و مهندسی بسیار سودمند است.

اپتیک

اپتیک (نورشناسی) شاخه‌ای از فیزیک است که به مطالعه نور و رفتار آن و همچنین تعامل آن با ماده می‌پردازد. اپتیک به دو شاخه اصلی اپتیک هندسی و اپتیک موجی تقسیم می‌شود. هر شاخه شامل اصول و قوانینی است که توصیف می‌کنند چگونه نور در موقعیت‌های مختلف رفتار می‌کند.

۱. اپتیک هندسی

اپتیک هندسی (یا اپتیک پرتو) مطالعه رفتار نور به‌عنوان پرتوهایی است که در امتداد خطوط مستقیم حرکت می‌کنند. این شاخه از اپتیک به تعاملات ساده نور با اشیاء و محیط‌ها، مانند بازتاب و شکست نور، می‌پردازد. اصول اصلی اپتیک هندسی عبارتند از:

۱.۱. بازتاب نور

بازتاب نور زمانی رخ می‌دهد که نور به سطحی برخورد کرده و به جهت دیگری منعکس شود. دو قانون اساسی برای بازتاب نور وجود دارد:

1. قانون اول بازتاب: زاویه برخورد پرتو نور به سطح (زاویه بین پرتو نور و خط عمود بر سطح در نقطه برخورد) برابر با زاویه بازتاب (زاویه بین پرتو منعکس شده و خط عمود) است.
2. قانون دوم بازتاب: پرتو نور برخوردی، پرتو نور منعکس‌شده، و خط عمود بر سطح در نقطه برخورد، همگی در یک صفحه قرار دارند.

این قوانین توضیح می‌دهند که چگونه نور از سطوح مختلف مانند آینه‌ها یا آب منعکس می‌شود.

۱.۲. شکست نور

شکست نور به تغییر مسیر نور در هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر (مثلاً از هوا به آب) گفته می‌شود. این پدیده به دلیل تغییر سرعت نور در محیط‌های مختلف رخ می‌دهد. دو قانون اصلی برای شکست نور وجود دارد:

1. قانون اول شکست (قانون اسنل): رابطه بین زاویه‌ی برخورد θ1\theta_1θ1​ و زاویه‌ی شکست θ2\theta_2θ2​ و ضریب شکست محیط‌های اول و دوم (n1n_1n1​ و n2n_2n2​) به صورت زیر بیان می‌شود:

n1sin⁡θ1=n2sin⁡θ2n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2n1​sinθ1​=n2​sinθ2​

2. قانون دوم شکست: مشابه بازتاب، پرتو نور برخوردی، پرتو نور شکسته، و خط عمود بر سطح در نقطه‌ی برخورد، همگی در یک صفحه قرار دارند.

ضریب شکست ($n$) نشان‌دهنده سرعت نور در یک محیط نسبت به خلا است. محیط‌هایی با ضریب شکست بالاتر نور را کندتر می‌کنند، و به همین دلیل زاویه شکست کوچکتر می‌شود.

۱.۳. عدسی‌ها و آینه‌ها

عدسی‌ها و آینه‌ها دو ابزار اصلی در اپتیک هندسی هستند که به منظور فوکوس کردن یا پراکندن نور استفاده می‌شوند:

• عدسی‌ها: عدسی‌ها شیشه‌ها یا پلاستیک‌های خمیده‌ای هستند که نور را به دلیل شکست، متمرکز یا پراکنده می‌کنند. دو نوع اصلی عدسی‌ها وجود دارد:
  • عدسی محدب (همگرا): نور موازی را به یک نقطه فوکوس می‌کند.
  • عدسی مقعر (واگرا): نور موازی را پراکنده می‌کند.
• آینه‌ها: آینه‌ها سطح‌های صاف یا خمیده‌ای هستند که نور را بازتاب می‌دهند. دو نوع اصلی آینه‌ها عبارتند از:
  • آینه مسطح: تصویر مجازی و همانند جسم اما معکوس تشکیل می‌دهد.
  • آینه کروی (مقعر یا محدب): می‌تواند نور را متمرکز یا پراکنده کند و تصویر واقعی یا مجازی ایجاد کند.

۲. اپتیک موجی

اپتیک موجی به مطالعه ماهیت موجی نور و پدیده‌هایی می‌پردازد که نمی‌توانند توسط اپتیک هندسی توضیح داده شوند. این شاخه از اپتیک شامل موارد زیر است:

۲.۱. تداخل نور

تداخل نور زمانی رخ می‌دهد که دو یا چند موج نوری به‌طور همزمان در یک نقطه فضا به هم می‌رسند. این می‌تواند منجر به افزایش یا کاهش شدت نور شود، بسته به اینکه امواج با هم به‌صورت هم‌فاز (افزایشی) یا غیر هم‌فاز (کاهشی) ترکیب شوند.

• تداخل سازنده: زمانی رخ می‌دهد که قله‌های دو موج به هم برسند و یکدیگر را تقویت کنند.
• تداخل مخرب: زمانی رخ می‌دهد که قله‌ی یک موج با دره‌ی موج دیگر همزمان شود و یکدیگر را خنثی کنند.

۲.۲. پراش نور

پراش نور پدیده‌ای است که در آن موج نور هنگام عبور از لبه‌ها یا شکاف‌های کوچک خمیده و پخش می‌شود. این پدیده نشان‌دهنده‌ی طبیعت موجی نور است و به ما نشان می‌دهد که چگونه نور در زوایای مختلف پراکنده می‌شود.

۲.۳. قطبش نور

قطبش نور به جهت‌گیری ارتعاشات موج الکترومغناطیسی (نور) در یک صفحه خاص مربوط می‌شود. نور عادی (غیر قطبیده) شامل امواج با ارتعاشات در تمام جهات ممکن عمود بر جهت انتشار است، در حالی که نور قطبیده فقط شامل امواجی است که در یک جهت خاص ارتعاش می‌کنند. قطبش می‌تواند از طریق بازتاب، شکست مضاعف، یا فیلترهای قطبش انجام شود.

۳. نورشناسی کوانتومی

نورشناسی کوانتومی بخش جدیدتری از اپتیک است که به مطالعه رفتار نور به عنوان ذرات (فوتون‌ها) در سطح کوانتومی می‌پردازد. این شاخه از فیزیک مواردی مانند اثر فوتوالکتریک، فوتولومینسانس، و فوتونیک کوانتومی را بررسی می‌کند.

۳.۱. اثر فوتوالکتریک

اثر فوتوالکتریک پدیده‌ای است که در آن الکترون‌ها از سطح یک ماده (معمولاً فلز) با تابش نور جدا می‌شوند. این پدیده تنها با استفاده از نظریه کوانتومی نور (نظریه فوتون‌ها) توضیح داده می‌شود. طبق این نظریه، نور به‌صورت کوانتوم‌های انرژی (فوتون‌ها) در ماده جذب می‌شود.

نتیجه‌گیری

اپتیک به عنوان یکی از شاخه‌های اساسی فیزیک، به ما کمک می‌کند تا نور و رفتار آن را درک کنیم. از پدیده‌های ساده‌ای مانند بازتاب و شکست نور گرفته تا تداخل و پراش، و حتی مفاهیم پیشرفته‌تر مانند قطبش و نورشناسی کوانتومی، اپتیک ابزارهای متعددی را برای درک دنیای اطراف ما فراهم می‌کند. این علم کاربردهای فراوانی در فناوری‌های روزمره مانند عینک‌ها، دوربین‌ها، لیزرها، و ارتباطات نوری دارد و همچنان به‌عنوان یکی از زمینه‌های پژوهشی فعال در فیزیک مدرن باقی مانده است.

نظریه نسبیت خاص

مجموعه ی گام کلاس (گروه آموزشی مهندس مسعودی) با هدف ارتقاء سطح علمی و موفقیت دانش آموزان متوسطه و همچنین داوطلبان کنکور در سال 1400 تاسیس شد و از بهمن ماه 1400 فعالیت خود را به طور رسمی آغاز کرد . این مجموعه ضمن بهره بردن از کادر اساتید زبده و حرفه ای در کنار جدیدترین تکنولوژی های آموزش آنلاین و آفلاین در حال رقم زدن فصل جدیدی از آموزش دروس مختلف متوسطه و کنکورمی باشد.

موسس و بنيانگذار سایت گام كلاس استاد امير مسعودى، مطرح ترين و با سابقه ترين استاد رياضى و فيزيک ايران در آموزش آنلاين و تلويزيونى هستند كه با ارائه سبكى جديد و روش هاى پاسخگويى سريع ، مهم ترین تمایز گام‌کلاس نسبت به ساير موسسات می باشد.