Περιγραφή θέματος

  • Γενικά

    Γενική Φυσική

    Διδάσκων: Μ.  Μπενής

                                                               

    Περιγραφή: Το μάθημα της Γενικής Φυσικής για τις Βιολογικές επιστήμες στοχεύει στην περιγραφή των βασικών αρχών, φαινομένων κι εφαρμογών της Κλασικής και Σύγχρονης Φυσικής που είναι απαραίτητα στον φοιτητή της επιστήμης της Βιολογίας. Είναι προφανές πως σε ένα και μόνο εξάμηνο δεν εξαντλείται το ευρύτατο φάσμα της Φυσικής και η λεπτομερή παρουσίασή του. Ωστόσο, η ύλη του μαθήματος, μέσα από τις σημειώσεις του διδάσκοντα και την προτεινόμενη βιβλιογραφία, μπορεί να θεωρηθεί ως το θεμέλιο και το εργαλείο πάνω στο οποίο μπορεί να βασιστεί και να ανατρέξει ο φοιτητής σε μελλοντικές του  επιστημονικές αναζητήσεις. Η ύλη είναι χωρισμένη σε πέντε ενότητες.

                    Η  πρώτη ενότητα στοχεύει στην παρουσίαση των αρχών της στατικής και δυναμικής των ρευστών με σκοπό την κατανόησή της συμπεριφοράς τους και την εφαρμογή των νόμων τους στην καθημερινότητα και πιο συγκεκριμένα σε ρευστά και περιβάλλοντα βιολογικού ενδιαφέροντος. 

                    Η δεύτερη ενότητα πραγματεύεται τις αρχές και τα φαινόμενα του Ηλεκτρισμού και του Μαγνητισμού, που είναι υπεύθυνες για την δομή των ατόμων, των μορίων, των ρευστών και στερεών αλλά και των βιολογικών μορίων. Παρουσιάζονται οι βασικές αρχές και νόμοι και η εφαρμογή τους σε  απλά φυσικά συστήματα, σε φυσικά φαινόμενα αλλά και σε εφαρμογές τεχνολογικού ενδιαφέροντος.

                    Η τρίτη ενότητα στοχεύει στην παρουσίαση των αρχών της Κυματικής Φυσικής και ιδιαίτερα της Οπτικής. Μετά από μια λεπτομερή παρουσίαση των μηχανικών κυμάτων και των ιδιοτήτων τους το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στα Ηλεκτρομαγνητικά κύματα και την Οπτική Φυσική που επάγεται από αυτά. Ιδιαίτερο βάρος δίνεται στην Γεωμετρική Οπτική και τις εφαρμογές της όπως την λειτουργία του ματιού και των μικροσκοπίων. Τέλος, η μελέτη διευρύνεται πέρα από την Γεωμετρική Οπτική στην Κυματική Οπτική εστιάζοντας στα φαινόμενα της περίθλασης και την επίδρασή τους στην διακριτική ικανότητα.     

                    Η τέταρτη ενότητα στοχεύει στην παρουσίαση των αρχών της Κβαντομηχανικής και του δυϊσμού σωματιδίου-κύματος. Εισάγονται οι έννοιες του υλοκύματος, της απροσδιοριστίας και της κυματοσυνάρτησης, ενώ παρουσιάζεται η εξίσωση Schrödinger. Περιγράφεται το ατομικό μοντέλο Bohr, καθώς και η δομή των ηλεκτρονικών καταστάσεων του ατόμου του υδρογόνου με βάση την Κβαντομηχανική, εισάγεται η έννοια του σπιν και της  απαγορευτικής αρχής, με τελική κατάληξη την εξήγηση-ερμηνεία του Περιοδικού Πίνακα. Στο τελευταίο μέρος εξετάζεται η δομή των μορίων, με έμφαση στα διατομικά μόρια, και τα είδη των χημικών δεσμών που με βάση αυτή συναντώνται στην ύλη. 

                    Στην τελευταία ενότητα εξετάζεται ο πυρήνας του ατόμου. Παρουσιάζεται η δομή του και οι βασικές του ιδιότητες όπως η πυρηνική σταθερότητα, η πυρηνική μάζα, όγκος κι ενέργεια σύνδεσης. Στη συνέχεια εξετάζεται το φαινόμενο της πυρηνικής διάσπασης και ο νόμος της εκθετικής μείωσης με εφαρμογή στις διασπάσεις άλφα, βήτα και γάμμα, των οποίων η φυσική εξήγηση παρουσιάζεται αναλυτικά. Τέλος εξετάζονται οι εφαρμογές της Πυρηνικής Φυσικής στη ραδιοχρονολόγηση και την δοσιμετρία των ραδιενεργών ακτινοβολιών με έμφαση στις βιολογικές επιπτώσεις τους.

                    Όλες οι ενότητες περιέχουν πλήθος παραδειγμάτων και ενδεικτικών ασκήσεων που καλείται να κατανοήσει και να λύσει ο φοιτητής για την αρτιότερη εμβάθυνση της ύλης αλλά και την ικανότητά του να επιλύει τα σχετικά προβλήματα.


    Μαθησιακοί στόχοι μαθήματοςΤο μάθημα στοχεύει στην κάλυψη της απαραίτητης ύλης Γενικής Φυσικής για τον φοιτητή των Βιολογικών Επιστημών. Η ύλη, όπως παρουσιάζεται στην περιγραφή, συνοδεύεται από πλήθος παραδειγμάτων άμεσα ή έμμεσα σχετικών με την επιστήμη της Βιολογίας. Μετά την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο φοιτητής θα είναι σε θέση:  

    • Να κατανοεί τις αρχές που διέπουν την ροή ρευστών και τις εφαρμογές της στη βιολογία.
    • Να γνωρίζει τις βασικές έννοιες του Ηλεκτρισμού και του Μαγνητισμού και να επιλύσει σχετικά προβλήματα.
    • Να γνωρίζει τις βασικές έννοιες και ορισμούς της θεωρίας ταλαντώσεων και των κυμάτων.
    • Να  γνωρίζει τι αρχές της Γεωμετρικής οπτικής και να επιλύσει σχετικά προβλήματα.
    • Να κατανοεί και να εξηγεί τα φαινόμενα της συμβολής και περίθλασης.
    • Να κατανοεί τις βασικές έννοιες της Κβαντομηχανικής όπως η κυματοσυνάρτηση και να εξηγεί τον ρόλο τους στη δομή των ατόμων.
    • Να εξηγεί τα βασικά είδη μοριακών δεσμών καθώς και τον ρόλο τους στη δομή της ύλης.
    • Να κατανοεί τις βασικές έννοιες της Πυρηνικής Φυσικής.
    • Να εξηγεί τους μηχανισμούς παραγωγής της ραδιενέργειας και  τις βιολογικές επιπτώσεις ιονίζουσας ακτινοβολίας.


    Λέξεις κλειδιά: Πυκνότητα, πίεση, αρχή του Pascal, αρχή του Αρχιμήδη, ροή, εξίσωση συνέχειας, παροχή, εξίσωση Bernoulli, Ηλεκτρικό φορτίο, αγωγοί, μονωτές, νόμος Coulomb, ηλεκτρικό πεδίο, ηλεκτρικές δυναμικές γραμμές, ηλεκτρικό δίπολο, ηλεκτρική διπολική ροπή, ηλεκτρική ροή, νόμος Gauss, ηλεκτρική δυναμική ενέργεια, ηλεκτρικό δυναμικό, ισοδυναμικές επιφάνειες, χωρητικότητα, διηλεκτρικά, ρεύμα, αντίσταση, ηλεκτρεγερτική δύναμη, μαγνητικό πεδίο, μαγνητική επαγωγή, μαγνητικές δυναμικές γραμμές, μαγνητική ροή, νόμος Gauss, νόμος Biot-Savart, νόμος Ampere, μαγνητικό δίπολο, παραμαγνητισμός, διαμαγνητισμός, σιδηρομαγνητισμός, απλή αρμονική ταλάντωση, αρχή της υπέρθεσης (επαλληλίας), μηχανικά κύματα, εγκάρσιο κύμα, διαμήκες κύμα, εξίσωση κύματος, συμβολή κυμάτων, στάσιμα κύματα, ηλεκτρομαγνητικά κύματα,  ανάκλαση, διάθλαση, νόμος Snell, πόλωση, νόμος Brewster, διασκεδασμός, συμφωνία, πείραμα Young, περίθλαση, δίσκος Airy, διακριτική ικανότητα, φράγμα περίθλασης, ανάκλαση Bragg, φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, φαινόμενο Compton, υλοκύματα de Broglie, πείραμα Davisson-Germer, αρχή απροσδιοριστίας, κυματοσυνάρτηση, εξίσωση Schrödinger, φαινόμενο σήραγγας, άτομο Bohr, κβαντικοί αριθμοί, εκφυλισμός, τροχιακά, σπιν, διάταξη Stern-Gerlach, απαγορευτική αρχή του Pauli, ηλεκτρονική διάταξη, στοιβάδα, υποστοιβάδα, ενέργεια σύνδεσης, ηλεκτρόνια σθένους, έργο ιονισμού, περιοδικός πίνακας των στοιχείων, ακτίνες Χ, μοριακή ηλεκτρονική ενέργεια, ταλαντωτική ενέργεια, περιστροφική ενέργεια, δεσμικά τροχιακά, αντιδεσμικά τροχιακά, μήκος δεσμού, ενέργεια διάσπασης, ιοντικός (ετεροπολικός) δεσμός, ομοιοπολικός δεσμός, δεσμός υδρογόνου, δεσμοί Van der Waals, ταλαντωτικός κβαντικός αριθμός, περιστροφικός κβαντικός αριθμός, κανόνες επιλογής, ατομικός αριθμός, μαζικός αριθμός, νετρονικός αριθμός, νουκλίδιο, νουκλεόνιο, ισότοπα, πυρηνικές δυνάμεις, χάρτης νουκλιδίων, μέγεθος πυρήνα, μάζα πυρήνα, ενέργεια σύνδεσης, σχάση, σύντηξη, ραδιενεργός διάσπαση, ενεργότητα, χρόνος ημιζωής, μέσος χρόνος ζωής, διάσπαση άλφα, διάσπαση βήτα, διάσπαση γάμμα, φυσική ραδιενέργεια, ραδιοχρονολόγηση, δόση ακτινοβολίας, ισοδύναμη δόση, ενεργός δόση.

  • 1 - Ρευστά

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας: Η ενότητα αυτή στοχεύει στην παρουσίαση των αρχών της στατικής και δυναμικής των ρευστών με σκοπό την κατανόησή της συμπεριφοράς τους και την εφαρμογή των νόμων τους στην καθημερινότητα και πιο συγκεκριμένα σε ρευστά και περιβάλλοντα βιολογικού ενδιαφέροντος. 

    Λέξεις κλειδιά: Πυκνότητα, πίεση, μονάδες πίεσης, απόλυτη πίεση, μανομετρική πίεση, αρχή του Pascal, αρχή του Αρχιμήδη, ροή, εξίσωση συνέχειας, παροχή, εξίσωση Bernoulli.



  • 2 - Ηλεκτρισμός & Μαγνητισμός

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίαςΟι λεγόμενες ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις είναι υπεύθυνες για την δομή των ατόμων, των μορίων, των ρευστών και στερεών αλλά και των βιολογικών μορίων. Σε αυτές οφείλεται για παράδειγμα η αίσθηση της αφής και η λειτουργία του εγκεφάλου. Στην ενότητα αυτή θα εξετάσουμε τις βασικές αρχές που διέπουν τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό και θα δούμε τις εφαρμογές τους σε απλά φυσικά συστήματα. 

    Λέξεις κλειδιά: Ηλεκτρικό φορτίο, αγωγοί, μονωτές, νόμος Coulomb, ηλεκτρικό πεδίο, ηλεκτρικές δυναμικές γραμμές, ηλεκτρικό δίπολο, ηλεκτρική διπολική ροπή, ηλεκτρική ροή, νόμος Gauss, ηλεκτρική δυναμική ενέργεια, ηλεκτρικό δυναμικό, ισοδυναμικές επιφάνειες, πυκνωτής, χωρητικότητα, διηλεκτρικά, ρεύμα, αντίσταση, ηλεκτρεγερτική δύναμη. Μαγνητικό πεδίο, μαγνητική επαγωγή, μαγνητικές δυναμικές γραμμές, μαγνητική ροή, νόμος Gauss, νόμος Biot-Savart, νόμος Ampere, μαγνητικό δίπολο, παραμαγνητισμός, διαμαγνητισμός, σιδηρομαγνητισμός.


  • 3 - Κύματα

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίαςΗ ενότητα αυτή στοχεύει στην παρουσίαση των αρχών της κυματικής φυσικής και ιδιαίτερα της οπτικής. Αρχικά εξετάζεται η απλή αρμονική ταλάντωση και οι σχετικές βασικές έννοιες. Με βάση αυτή περιγράφονται στην συνέχεια τα κύματα και ιδιαίτερα τα μονοδιάστατα μηχανικά ενώ  εισάγεται η πολύ βασική έννοια της υπέρθεσης κυμάτων και οι συνέπειές της. Στην συνέχεια το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και την οπτική φυσική που επάγεται από αυτά. Ιδιαίτερο βάρος δίνεται στην γεωμετρική οπτική και την λειτουργία του ματιού και των μικροσκοπίων. Τέλος, η ενότητα ολοκληρώνεται με την επέκταση της γεωμετρικής οπτικής στην κυματική οπτική όπου με βάση την κυματική φύση του φωτός εξετάζονται τα φαινόμενα της περίθλασης.  

    Λέξεις κλειδιά: Απλή αρμονική ταλάντωση, απομάκρυνση, ταχύτητα, επιτάχυσνη, δυναμη, ενέργεια, αρχή της υπέρθεσης (επαλληλίας), μηχανικά κύματα, εγκάρσιο κύμα, διαμήκες κύμα, εξίσωση κύματος, ταχύτητα κύματος, ισχύς κύματος, συμβολή κυμάτων, ενισχυτική συμβολή, αποσβεστική συμβολή, ενδιάμεση συμβολή, στάσιμα κύματα. Ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Ανάκλαση, διάθλαση, νόμος Snell, ολική εσωτερική ανάκλαση, γραμμική πόλωση, κυκλική πόλωση, ελλειπτική πόλωση, νόμος Brewster, διασκεδασμός. Συμφωνία, πείραμα Young, περίθλαση, περίθλαση Fresnel, περίθλαση Fraunhofer, δίσκος Airy, διακριτική ικανότητα, φράγμα περίθλασης, περίθλαση ακτίνων Χ, ανάκλαση Bragg.


  • 4 - Ατομική & Μοριακή Φυσική

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας: Η ενότητα αυτή στοχεύει στην παρουσίαση των αρχών της Κβαντομηχανικής και του δυϊσμού σωματιδίου-κύματος, όπως αυτά χτίστηκαν στις αρχές του 20ου αιώνα με βάση τα  αντικρουόμενα προς την Κλασική Φυσική πειραματικά δεδομένα. Εισάγονται οι έννοιες του υλοκύματος, της απροσδιοριστίας και της κυματοσυνάρτησης ενώ παρουσιάζεται η εξίσωση Schrödinger που υπακούει η κυματοσυνάρτηση. Με τα εργαλεία αυτά προχωρούμε στην εξήγηση της ηλεκτρονικής δομής του ατόμου, στην περιγραφή των καταστάσεών του, στην εισαγωγή του σπιν των ηλεκτρονίων, της  απαγορευτικής αρχής και τελικά στην εξήγηση-ερμηνεία του Περιοδικού Πίνακα.  Στο τελευταίο μέρος εξετάζεται η δομή των μορίων και τα είδη των χημικών δεσμών που με βάση αυτή συναντώνται στην ύλη. 

    Λέξεις κλειδιά: Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, φωτόνιο, φαινόμενο Compton, κυματοσωματιδιακός δυϊσμός, υλοκύματα de Broglie, μήκος κύματος de Broglie, πείραμα Davisson-Germer, αρχή απροσδιοριστίας, κυματομάδα, κυματοσυνάρτηση, εξίσωση Schrödinger, δέσμιες καταστάσεις, φαινόμενο σήραγγας, άτομο Bohr, κβαντικοί αριθμοί, εκφυλισμός, τροχιακά, σπιν, διάταξη Stern-Gerlach, απαγορευτική αρχή του Pauli, ηλεκτρονική διάταξη, στοιβάδα, υποστοιβάδα, ενέργεια σύνδεσης, ηλεκτρόνια σθένους, έργο ιονισμού, περιοδικός πίνακας των στοιχείων, ακτίνες Χ. Μοριακή ηλεκτρονική ενέργεια, ταλαντωτική ενέργεια, περιστροφική ενέργεια, δεσμικά τροχιακά, αντιδεσμικά τροχιακά, μήκος δεσμού, ενέργεια διάσπασης, ιοντικός (ετεροπολικός) δεσμός, ομοιοπολικός δεσμός, μοριακά τροχιακά, δεσμός υδρογόνου, δεσμοί Van der Waals, ταλαντωτικός κβαντικός αριθμός, περιστροφικός κβαντικός αριθμός, κανόνες επιλογής.


  • 5 - Πυρηνική Φυσική

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας: Στην τελευταία αυτή ενότητα θα εξετάσουμε τον πυρήνα του ατόμου. Θα αναφερθούμε στις βασικές ιδιότητές του, την πυρηνική ορολογία, τις πυρηνικές δυνάμεις και την πυρηνική σταθερότητα, την πυρηνική μάζα, όγκο κι ενέργεια σύνδεσης.  Στη συνέχεια θα εξετάσουμε την πυρηνική διάσπαση και τον νόμο της εκθετικής μείωσης που την διέπει και θα αναλύσουμε την φύση των τριών διασπάσεων άλφα, βήτα και γάμμα. Τέλος θα εστιάσουμε στη φυσική ραδιενέργεια, την ραδιοχρονολόγηση, τις δόσεις ακτινοβολίας και τις βιολογικές επιπτώσεις τους.

    Λέξεις κλειδιά: Ατομικός αριθμός, μαζικός αριθμός, νετρονικός αριθμός, νουκλίδιο, νουκλεόνιο, ισότοπα, πυρηνικές δυνάμεις, χάρτης νουκλιδίων, μέγεθος πυρήνα, μάζα πυρήνα, ενέργεια σύνδεσης, πυρηνική σχάση, πυρηνική σύντηξη, ραδιενεργός διάσπαση, ενεργότητα, χρόνος ημιζωής, μέσος χρόνος ζωής, διάσπαση άλφα, μητρικός πυρήνας, θυγατρικός πυρήνας, διάσπαση βήτα, διάσπαση γάμμα, φυσική ραδιενέργεια, ραδιοχρονολόγηση, δόση ακτινοβολίας, ισοδύναμη δόση, ενεργός δόση.



  • Βιβλιογραφία

    Ελληνόγλωσση προσφερόμενη από το σύστημα "Εύδοξος"

    • D. HALLIDAY, R. RESNICK, R. WALKER, "ΦΥΣΙΚΗ",ΤόμοςΒ', (Ηλεκτρισμός & Μαγνητισμός, Οπτική, Σύγχρονη Φυσική) ISBN: 978-960-01-1492-8
    • HUGH D. YOUNG, R.A. FREEDMAN, "ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΗ ΦΥΣΙΚΗ με Σύγχρονη Φυσική", Τόμος Β, (Ηλεκτρισμός & Μαγνητισμός, Οπτική) 2η Ελληνική 'Έκδοση ISBN 978-960-02-2473-3

    Ελληνόγλωσση μη προσφερόμενη από το σύστημα "Εύδοξος"

    • D. HALLIDAY, R. RESNICK, R. WALKER, "ΦΥΣΙΚΗ",Τόμος Α', (Ρευστά, Κυματική) ISBN: 978-960-01-1492-8
    • R. A. SERWAY, C.J. MOSES, C.A. MOYER, "Σύγχρονη Φυσική",(Σύγχρονη, Ατομική, Μοριακή &ΠυρηνικήΦυσική) ISBN: 978-960-524-059-9
    • Σ. ΚΟΕΝ,"Οπτική,Σύγχρονη, Ατομική & Μοριακή Φυσικήγια Βιολόγους-Σημειώσεις", Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων(2011)http://atomol.physics.uoi.gr/index.files/Page3239.htm
    • Ξ. ΑΣΛΑΝΟΓΛΟΥ,"Σημειώσεις Πυρηνικής Φυσκής", Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων(2014)