Fizyka Dr Grzegorz Górski ggorski@univ.rzeszow.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 Podstawowy aparat matematyczny wykorzystywany w fizyce: wektory, pochodne, całki. 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.

Ruch drgający i falowy. Opis ruchu drgającego. Rodzaje fal Ruch drgający i falowy. Opis ruchu drgającego. Rodzaje fal. Zjawiska falowe. 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. Prawo Faradaya. Optyka geometryczna. Odbicie i załamanie światła. Zwierciadła i soczewki.

Optyka falowa. Zasada Huygensa. Zjawisko dyfrakcji i interferencji Optyka falowa. Zasada Huygensa. Zjawisko dyfrakcji i interferencji. Siatka dyfrakcyjna. Polaryzacja światła. Elementy fizyki kwantowej. Falowa natura materii. Prawo Plancka. Zasada nieoznaczoności. Równanie Schrödingera. Fizyka atomowa i fizyka ciała stałego. Atom wodoru. Zasada Pauliego. Teoria swobodnych elektronów w metalu. Pasmowa teoria ciała stałego.

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

Wektory lub B (Cechy wektorów) A Oznaczenie wektorów Wektor opisujący przemieszczenie punktu materialnego z położenia A do B ma postać B (Cechy wektorów) A

Działania na wektorach Dodawanie Dodawanie jest przemienne Dodawanie jest łączne

Odejmowanie

Rozkład wektora na składowe y O x

Wersor Wersorami nazywamy wektory jednostkowe o długości równej jeden, a kierunku i zwrocie zgodnym z osiami układu y O x

Analityczne dodawanie wektorów Analityczne odejmowanie wektorów

Mnożenie wektorów - Iloczyn skalarny Wynikiem iloczynu skalarnego jest liczba

- Iloczyn wektorowy Wynikiem iloczynu wektorowego wektorów a i b jest wektor c prostopadły do płaszczyzny utworzonej przez wektory a i b . Zwrot wektora c określa reguła śruby prawoskrętnej

Iloczyn skalarny i wektorowy dla wersorów x Układ prawoskrętny z

Analityczne mnożenie wektorów

Pochodna funkcji w punkcie Pochodna funkcji jednej zmiennej y=f(x), oznaczana symbolicznie y’, f ’(x), jest to nowa funkcja zmiennej x, równa przy każdej wartości x granicy stosunku przyrostu funkcji Dy do odpowiadającego mu przyrostu zmiennej niezależnej Dx, gdy Dx dąży do zera: Warunkiem koniecznym istnienia pochodnej (różniczkowalności) funkcji f w punkcie x jest ciągłość funkcji w punkcie x.

Interpretacja geometryczna pochodnej funkcji w punkcie Pochodna funkcji f w punkcie x0.

Pochodne wybranych funkcji

Reguły różniczkowania

Pochodna funkcji złożonej

Całkowanie funkcji Całkowanie funkcji to operacja odwrotna do różniczkowania Polega na znalezieniu tzw. funkcji pierwotnej, czyli funkcji, która po zróżniczkowaniu da funkcję wyjściową: Funkcja F(x) jest nazywana całką nieoznaczoną funkcji f(x) Funkcja pierwotna może być wyznaczona z dokładnością do stałej nazywanej stałą całkowania

Podstawowe całki C - stała całkowania

Reguły całkowania

Całka oznaczona Całką oznaczoną funkcji f w granicach od x1 do x2 nazywamy różnicę wartości funkcji pierwotnej F(x) w punktach x2 i x1 W obszarze całkowania funkcja f musi być ciągła Interpretacja geometryczna Całka oznaczona jest liczbowo równa polu powierzchni pod wykresem funkcji f(x)