General
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 μαθήματος: Το 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.