F I Z Y K A Dr Joanna Kłobukowska
Granice zainteresowań fizyki wyznaczają dziedziny leżące na pograniczu fizyki i innych nauk: matematyki - fizyka matematyczna biologii - biofizyka chemii - chemia fizyczna geologii - geofizyka astronomii - astrofizyka
Wiadomości wstępne: przedmiot fizyki; podstawowe oddziaływania; układ jednostek SI; wielkości skalarne i wektorowe; modele w fizyce. Podstawy kinematyki: pojęcie układu odniesienia i układy współrzędnych; ruch jednostajny prostoliniowy; ruch prostoliniowy jednostajnie zmienny; ruch krzywoliniowy (ruch po okręgu, rzut ukośny, rzut poziomy, ruch harmoniczny).
Zasady dynamiki punktu materialnego: pierwsza zasada dynamiki, tarcie; druga zasada dynamiki, dynamiczne równanie ruchu; trzecia zasada dynamiki, siły wewnętrzne układu; inercjalne układy odniesienia, zasada względności Galileusza; nieinercjalne układy odniesienia, siły bezwładności; siły występujące w ruchu punktu materialnego po okręgu. Zasady dynamiki dla bryły sztywnej: wielkości opisujące ruch bryły sztywnej; wielkości dynamiczne ruchu obrotowego; pierwsza zasada dynamiki dla ruchu obrotowego, statyka bryły; druga zasada dynamiki dla ruchu obrotowego wokół ustalonej osi obrotu.
Zasady zachowania w mechanice: siły zachowawcze i niezachowawcze; zasada zachowania energii mechanicznej; zasada zachowania pędu; zasada zachowania momentu pędu. Grawitacja: prawo powszechnego ciążenia; ciężar ciała; pole grawitacyjne, energia pola; grawitacja ciał o symetrii sferycznej; ruch w polu sił centralnych – prawa Keplera, prędkości kosmiczne, sztuczne satelity ziemi.
Elementy szczególnej teorii względności: prędkość światła (doświadczenie Michelsona-Morleya); postulaty Einsteina, transformacja Lorentza; czasoprzestrzeń; pęd relatywistyczny; relatywistyczne przedstawienie problemu energii; wybrane efekty relatywistyczne (efekt Dopplera, paradoks bliźniąt). Drgania: ruch harmoniczny prosty; równanie ruchu drgającego; energia drgań; wahadło matematyczne; składanie drgań; drgania gasnące; drgania wymuszone, rezonans. Fale: ruch falowy w ośrodku sprężystym; rodzaje fal; równanie fali płaskiej i sferycznej; energia ruchu falowego; superpozycja i interferencja fal; fale akustyczne.
Elektrostatyka: ładunek elektryczny, pole elektrostatyczne, prawo Coulomba; przewodniki i zjawisko indukcji elektrostatycznej; prawo Gaussa; dielektryki i zjawisko polaryzacji; pojemność elektryczna. Prąd elektryczny stały: natężenie prądu i prawo ciągłości prądu; siła elektromotoryczna; prawo Ohma; prawa Kirchhoffa; prawo Joule’a-Lenza. Magnetostatyka: pole magnetyczne; prawo Gaussa w magnetostatyce; prawo Biota-Savarta; prawo Ampere’a; siła Lorentza; magnetyczne własności ciał.
Indukcja elektromagnetyczna: zjawisko indukcji elektromagnetycznej; prawo indukcji elektromagnetycznej; indukcja wzajemna i własna; równania Maxwella; prąd przesunięcia. Drgania i fale elektromagnetyczne: drgania własne; drgania wymuszone; wytwarzanie fal elektromagnetycznych; energia fali elektromagnetycznej; równanie falowe; prędkość propagacji fali elektromagnetycznej. Elementy optyki geometrycznej: źródła światła; zjawisko odbicia; powstawanie obrazu; zjawisko załamania światła; całkowite wewnętrzne odbicie; zwierciadła płaskie i sferyczne; soczewki; przyrządy optyczne.
Elementy optyki falowej: interferencja światła; dyfrakcja światła; polaryzacja światła; własności optyczne ośrodków. Wybrane zagadnienia fizyki ciała stałego: ciała krystaliczne i bezpostaciowe; symetria; sieć przestrzenna kryształów; metale; kryształy jonowe, kowalencyjne, cząsteczkowe; drgania atomów w krysztale; rozszerzalność cieplna ciał stałych; przewodnictwo elektryczne ciał stałych.
Podstawy mechaniki kwantowej: termodynamika promieniowania; ciało doskonale czarne; postulat Plancka kwantu energii; zjawisko fotoelektryczne; pęd fotonu; rozpraszanie Comptona; hipoteza de Broglie; zasada nieoznaczoności Heisenberga; funkcja falowa cząstki swobodnej; równanie Schroedingera. Elementy fizyki jądrowej: rozmiary i masy jąder atomowych; siły jądrowe; energia wiązania; promieniotwórczość naturalna i sztuczna; prawo rozpadu promieniotwórczego; reakcje jądrowe. Cząstki elementarne i elementy kosmologii: promieniowanie kosmiczne; tabela cząstek elementarnych; produkcja cząstek elementarnych w zderzeniach; teoria kwarków.
J. Orear, Fizyka, t 1 i 2, WNT, Warszawa, 2005 a) Literatura główna: J. Orear, Fizyka, t 1 i 2, WNT, Warszawa, 2005 2. M. A .Herman, A. Kalestyński, L. Widomski, Podstawy fizyki dla kandydatów na wyższe uczelnie i studentów, PWN, Warszawa, 2004 3. W. Bogusz, J. Grabarczyk, F. Krok, Podstawy fizyki, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2005 4. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki, t. 1-5, PWN, Warszawa, 2003 b) Literatura zalecana: 1. J. Massalski, M. Massalska, Fizyka dla inżynierów. Część I. Fizyka klasyczna, WNT, Warszawa, 1980 2. J. Massalski, Fizyka dla inżynierów. Część II. Fizyka współczesna, WNT, Warszawa, 1977 3. A. Bujko, Zadania z fizyki z rozwiązaniami i komentarzami, WNT, Warszawa, 2006
Długość, pole powierzchni, objętość są zdefiniowane w geometrii Euklidesowej. Definicje 1 metra (historycznie): część (1/107) odległości od bieguna do równika, odległość między rysami na sztabie platynowej (Międzynarodowe Biuro Miar i Wag w Sevres, Francja), w oparciu o długość fal pewnej linii widmowej kryptonu 86Kr. droga, którą w próżni przebywa światło w czasie 1/299792458 sekundy.
Czas - jest pojęciem fizycznym, jego definicja jest związana z pewnymi prawami fizyki. Np. prawa fizyki mówią, że: (a) okres obrotu Ziemi musi być z dużą dokładnością stały; (b) okres drgań oscylatora krystalicznego (zegarek, zegar komputera) jest stały przy stałych warunkach zewnętrznych, takich jak np. temperatura. Obecnie najdokładniejsze zegary zliczają drgania promieniowania emitowanego przez atomy izotopu cezu 133Cs. Sekundę definiuje się jako czas trwania 919263177109 drgań promieniowania emitowanego przez 133Cs.
Modele matematyczne w fizyce W fizyce wyniki badań podaje się w postaci liczb i praw wyrażonych matematycznie. Matematyka jest, więc, językiem fizyki; bez użycia matematyki nie można opisać zjawisk fizycznych ani z teoretycznego ani z doświadczalnego punktu widzenia (opis jakościowy, opis ilościowy).
Stykając się z określoną sytuacją fizyczną fizyk stara się dokonywać jej idealizacji matematycznej czy, jak mówimy, symulacji, sporządzając wyidealizowany model matematyczny tej sytuacji.
Idealizacja polega na przyjęciu założeń upraszczających, np. dla wahadła złożonego z kulki zawieszonej na nici: przyjmujemy, że wahadło waha się w jednej płaszczyźnie, pomijamy opór powietrza, zaniedbujemy tarcie w punkcie zawieszenia, zaniedbujemy masę nici, zakładamy, że nić jest nierozciągliwa, zakładamy, że cała masa kulki jest skupiona w jednym punkcie w jej środku masy.
Rys. Wektor r i jego składowe rx, ry, rz w układzie współrzędnych Rozkładanie wektorów na składowe W działaniach na wektorach operuje się składowymi tych wektorów wyznaczonymi w wybranym układzie odniesienia. Składowe wektora wyznaczamy umieszczając początek wektora w początku układu współrzędnych i rzutując koniec wektora na poszczególne osie wybranego układu współrzędnych. Rys. Wektor r i jego składowe rx, ry, rz w układzie współrzędnych
Iloczyn wektorowy Iloczyn wektorowy dwóch wektorów a x b jest nowym wektorem c, którego długość (wartość bezwzględna) jest równa iloczynowi długości tych wektorów i sinusa kąta pomiędzy nimi Wektor c jest prostopadły do płaszczyzny wyznaczonej przez wektory a i b. Zwrot jego jest określony regułą śruby prawoskrętnej lub regułą prawej ręki. Jeżeli palce prawej ręki zginają się w kierunku obrotu wektora a do wektora b (po mniejszym łuku) to kciuk wskazuje kierunek wektora c = a x b.
Rys. 1.3. Iloczyn wektorowy