www: http://fonon.univ.rzeszow.pl/~gorski/wyklady.html Elementy fizyki Dr Grzegorz Górski Pok. 215 B1 lewy ggorski@ur.edu.pl www: http://fonon.univ.rzeszow.pl/~gorski/wyklady.html
Literatura D. Halliday, R. Resnick „Fizyka” J. Orear „Fizyka” Sz. Szczeniowski „Fizyka doświadczalna”
Program Wykładu Kinematyka punktu materialnego. Opis ruchu, prędkość, przyspieszenie, rzut pionowy i ukośny. Dynamika punktu materialnego. Siła, Zasady dynamiki Newtona. Praca i energia. Praca, moc, energia. Zasady zachowania energii. Kinematyka i dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej. Pojęcie bryły sztywnej. Opis ruchu bryły sztywnej. Zasady dynamiki dla bryły sztywnej.
Elementy szczególnej teorii względności Kinematyczna teoria gazów. Ciśnienie, temperatura i gaz doskonały. Prawo gazów doskonałych. Zasady termodynamiki. Pierwsza i druga zasada termodynamiki. Cykl Carnota. Entropia. Elektrostatyka. Prawo Coulomba. Pole elektryczne. Prawo Gaussa. Prąd elektryczny. Prawo Ohma. Obwody prądu stałego. Siła elektromotoryczna.
Pole magnetyczne. Pojęcia opisujące pole magnetyczne. Prawo Ampère’a Pole magnetyczne. Pojęcia opisujące pole magnetyczne. Prawo Ampère’a. Prawo Faradaya. Optyka geometryczna. Odbicie i załamanie światła. Zwierciadła i soczewki. Optyka falowa. Zasada Huygensa. Zjawisko dyfrakcji i interferencji. Siatka dyfrakcyjna. Polaryzacja światła.
Czym jest fizyka? Fizyka jest podstawową nauką przyrodniczą, zajmującą się badaniem najbardziej fundamentalnych i uniwersalnych własności materii i zjawisk w otaczającym nas świecie. Ostatecznym celem badań fizycznych jest poznanie praw fizyki, czyli związków i korelacji między faktami i zjawiskami fizycznymi wyrażonymi w postaci wzorów matematycznych. Cechą praw fizycznych jest uniwersalność i niezmienniczość.
Oddziaływania fundamentalne 1. Oddziaływanie grawitacyjne (podstawowe znaczenie w ruchach ciał niebieskich, czy przy opisie ruchu ciał na Ziemi) występuje pomiędzy ciałami obdarzonymi masą. 2. Oddziaływanie elektromagnetyczne (emisja i absorpcja promieniowania elektromagnetycznego, tarcie, sprężystość). Występuje ono pomiędzy ładunkami elektrycznymi i momentami magnetycznymi.
3. Oddziaływanie słabe (spontaniczna przemiana jąder atomowych, rozpad wielu cząstek elementarnych, np. mionu czy cząstek dziwnych). 4. Oddziaływanie silne (jądrowe) [związanie nukleonów w trwałe układy, reakcje między cząstkami elementarnymi (np. kwarki, antykwarki i gluony) oraz ich rozpady].
Pomiary, wielkości fizyczne i jednostki Pomiar – najlepszy weryfikator teorii fizycznych Wielkości fizyczne – własności ciał lub zjawisk, które można porównać ilościowo podczas pomiaru z takimi samymi własności innych ciał lub zjawisk.
Pomiary, wielkości fizyczne i jednostki Wielkości fizyczne dzielimy na podstawowe i pochodne Wielkości podstawowe – wielkości których nie definujemy lecz podajemy sposób pomiaru. Są to: długość (l), masa (m), czas (t), temperatura (T), natężenie prądu elektrycznego (i), światłość (I), ilość materii (n) Wielkości pochodne – wielkości definiowane za pomocą wielkości podstawowych, np.. Predkość, przyspieszenie, siła.
Pomiary, wielkości fizyczne i jednostki Operacyjna definicja wielkości podstawowych polega na: Wyborze odpowiedniego wzorca Ustaleniu sposobu porównania wzorca z wielkością podstawową Idealny wzorzec charakteryzuje się Łatwością dostępu Niezmienniczością Miarą wielkości fizycznej jest pewna ilość jednostek wzorca. Podając wartość wielkości fizycznej należy również podać jednostkę w której ta wielkość jest wyrażona
Pomiary, wielkości fizyczne i jednostki Zbiór jednostek wielkości fizycznych nazywamy układem jednostek. Dawne układy to: CGS (centymetr, gram, sekunda) MKS (metr, kilogram, sekunda) Od 1960 r. obowiązuje międzynarodowy układ jednostek (skrót SI – Systéme International)
Pomiary, wielkości fizyczne i jednostki Podstawowe jednostki to: Metr (m) – j. długości Kilogram (kg) – j. masy Sekunda (s) – j. czasu Amper (A) – j. natężenia prądu Kelwin (K) – j. temperatury termodynamicznej Kandela (cd) – j. światłości Mol (mol) – j. ilości materii radian [rad]- miara kąta płaskiego , steradian [sr] - miara kąta bryłowego. Jednostki pochodne definiujemy za pomocą jednostek podstawowych np. 1 N = 1 kg*1m/(1s)2 (j. siły)
Pomiary, wielkości fizyczne i jednostki Metr Dawniej Wzorzec ze stopu platynowo-irydowego równy jednej dziesięciomilionowej odległości od bieguna do równika mierzonej wzdłuż południka przechodzącego przez Paryż
Pomiary, wielkości fizyczne i jednostki Obecnie Metr jest długością równą 1 650 763, 73 długości fali w próżni promieniowania monochromatycznego o barwie pomarańczowej emitowanego przez atom kryptonu 86
Rozmiary obiektów fizycznych
Przegląd podstawowych rozmiarów 109=1000 000 000 Meter Orbita Księżyca 1013=10 000 000 000 000 Metrów Układ Słoneczny 1011=100 000 000 000 Metrów Droga Ziemi w 6 tygodniach 1022=10 000 000 000 000 000 000 000 Metrów Nasza Galaktyka z obłokiem Magellana 104=10 000 Metrów Akcelerator LEP 103=1000 Metrów CERN 105=100 000 Metrów Jezioro Genewskie 1026=100 000 000 000 000 000 000 000 000 Metrów 9325 Galaktyk 1023=100 000 000 000 000 000 000 000 Metrów 1020=100 000 000 000 000 000 000 Metrów 106=1000 000 Metrów 108=100 000 000 Metrów 1014=100 000 000 000 000 Metrów 101=10 Metrów 100=1 Metr 107=10 000 000 Metrów 102=100 Metrów
Przegląd podstawowych rozmiarów 10-14=0.000 000 000 000 01 Metra Jądro Atomowe 10-10=0.000 000 000 1 Metra Atom Węgla 10-8=0.000 000 01 Metra Molekuła DNS 10-5=0.000 01 Metra Włosek 10-4=0.000 1 Metra Facetten 10-15=0.000 000 000 000 001 Metra Proton z Kwarkami 10-3=0.001 Metra Oko Muchy 10-2=0.01 Metra 10-1=0.1 Metra 100=1 Metr 10-7=0.000 000 1 Metra 10-6=0.000 001 Metra
Przedrostki wielokrotności i podwielokrotności Ozn. Wielokr. Podwiel. deka- hekto- kilo- mega- giga- tera- da- h- k- M- G- T- 101 102 103 106 109 1012 decy- centy- mili- mikro- nano- piko- d- c- m- n- p- 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12
Kinematyka punktu materialnego. Opis ruchu, prędkość, przyspieszenie, rzut pionowy i ukośny.
Punkt materialny – to ciało o znikomo małych rozmiarach charakteryzujące się ważkością (masą) i położeniem. Ciała rzeczywiste nie są punktami. Dla ruchu translacyjnego (postępowego) ciała można założyć, że punkt materialny to cząstka o masie równej masie obiektu umieszczonej w centrum jego masy.
Ciało odniesienia – ciało fizyczne względem którego dokonujemy określenia położenia badanych ciał Z ciałem odniesienia wiąże się układ współrzędnych z z P (x,y,z) Położenie punktu materialnego względem danego układu odniesienia podaje się przez podanie co najwyżej trzech współrzędnych y O y x x
Ruch ciała – jest to wzajemne przemieszczenie się w przestrzeni w miarę upływu czasu, jednych ciał względem drugich. Ruch jest zjawiskiem względnym. Opisujemy go podając położenie ciała w każdej chwili czasu względem ciała odniesienia Torem – nazywamy krzywą lub prostą utworzoną przez punkty określające kolejne położenia ciała w przestrzeni r(t) y O x
Położenie punku materialnego Jeżeli w odpowiednim układzie współrzędnych chcemy podać położenie punktu to możemy to uczynić definiując tzw. wektor wodzący, albo też wektor położenia. Układ kartezjański z P r z y O x x y
Przemieszczenie z y Przemieszczenie x Interwał przestrzenny → Położenie początkowe r2 → r1 → r(t) → Położenie końcowe y Przemieszczenie x Interwał przestrzenny Przemieszczenie elementarne
Tor Torem (trajektorią) nazywamy linię zakreślaną przez cząstkę podczas ruchu Równanie toru Wektorowe równanie toru Parametryczne równanie toru r(t) → Postać jawna równania toru
Drogą nazywamy długość przebytego przez cząstkę odcinka toru 12 Droga Drogą nazywamy długość przebytego przez cząstkę odcinka toru 12 s12 r12 → r1 → r2 → Dla współrzędnych kartezjańskich
Prędkość średnia Średnią prędkością nazywamy wektor zdefiniowany następująco: r r1, t1 r2, t2 Kierunek tej prędkości jest zgodny z kierunkiem wektora r .
Prędkość (prędkość chwilowa) z P P3 r2 P2 r r3 r1 r2 P1 r1 y x
Dodawanie prędkości z x y z’ prędkość unoszenia r’ → r → y’ r0 → x’
Przyspieszenie średnie v1 P1 P2 tor v2 v r1 y x Średnie przyśpieszenie definiujemy jako:
Przyspieszenie W układzie współrzędnych kartezjańskim możemy wektor przyśpieszenia napisać jako sumę składowych.
Przyspieszenie styczne i normalne Wiemy, że więc stąd Co daje a an at Przyspieszenie styczne Przyspieszenie normalne
Ruch jednostajnie zmienny Ruch jednostajnie zmienny jest to ruch ze stałym przyśpieszeniem a = const. Gdy a > 0 ruch nazywamy przyśpieszonym, a gdy a < 0 ruch jest opóźniony.
- położenie - droga
v t v=v0 + a(t-t0) t0 v0 s a t a(t-t0) t0
Rzut ukośny y x v0 ymax g Składowe prędkości początkowej wynoszą: Składowe przyspieszenia:
Zależność prędkości od czasu Parametryczne równanie toru Postać jawna równania toru
Rzut ukośny charakteryzują następujące wielkości: Zasięg rzutu, Maksymalna wysokość Zasięg rzutu otrzymamy licząc odległość poziomą x dla y=0. Maksymalna wysokość ciała poruszającego się rzutem ukośnym wynosi: Czas trwania rzutu:
Widzimy z podanych wzorów, że zarówno maksymalny zasięg rzutu jak i maksymalna wysokość rzutu zależą od wartości i kierunku prędkości początkowej. Wysokość rz.: Zasięg rz.:
2.3.3 Ruch po okręgu Ruch po okręgu jest szczególnym przypadkiem płaskiego ruchu krzywoliniowego gdzie r=const y Ruch ciała określony jest przez funkcję = (t), definiująca tzw. drogę kątową. r s x Przebyta droga jest równa:
Różniczkując drogę s po czasie, otrzymujemy; v oznacza prędkość liniową(transwersalną), a prędkość kątową. Jednostką prędkości kątowej jest s-1. Jeżeli prędkość kątowa =const ruch po okręgu nazywamy jednostajnym. Różniczkując prędkość v po czasie, otrzymujemy; at an a r Gdzie at jest liniowym przyśpieszeniem stycznym, a e nazywamy przyśpieszeniem kątowym.
Zależności wektorowe e at r v Okres – czas potrzebny na przebycie drogi kątowej f=2p w ruchu jednostajnym po okregu gdzie, częstości jes równa:
Określanie zwrotu prędkości i przyspieszenia kątowego
Porównanie wielkości liniowych i kątowych kątowe liniowe x = rfv = r at = er