FIZYKA Siły działające w przyrodzie, podstawowe prawa fizyki, mechanika prezentacja do wykładu 1. dr Dorota Wierzuchowska Instytut Fizyki, ul. Podchorążych.

Prezentacja na temat: "FIZYKA Siły działające w przyrodzie, podstawowe prawa fizyki, mechanika prezentacja do wykładu 1. dr Dorota Wierzuchowska Instytut Fizyki, ul. Podchorążych."— Zapis prezentacji:

1 FIZYKA Siły działające w przyrodzie, podstawowe prawa fizyki, mechanika prezentacja do wykładu 1.
dr Dorota Wierzuchowska Instytut Fizyki, ul. Podchorążych 2 p.412, tel

2 WYKŁADY -sala 513 ĆWICZENIA LABORATORYJNE – sale 308, 316, 315,

3 Literatura Holliday D., Resnick R., Walker J., Podstawy Fizyki, Wydawnictwo Naukowe PWN Sawieliew I.W., Wykłady z fizyki, Wydawnictwo Naukowe PWN Przestalski S., Elementy fizyki, biofizyki i agrofizyki. Wyd. Uniwersytetu Wrocławskiego Pilawski A., Podstawy biofizyki. PZWL Wybrane zagadnienia z biofizyki. pod red. St.  Miękisza, A. Hendricha.

4 Literatura I Pracownia Fizyczna. pod red. Cz.Kajtocha, Wydawnictwo Naukowe AP, Kraków 2007 Dryński T., Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki. Szydłowski H., Pomiary fizyczne, podręcznik dla nauczycieli. Szydłowski H., Pracownia fizyczna. Zawadzki A., Hofmokl H., Laboratorium fizyczne.

5 FIZYKA i CHEMIA Fizyka i chemia są ze sobą ściśle powiązane i stanowią podstawę wszystkich nauk przyrodniczych. Chemia bada substancje i ich przemiany jakościowe, reakcje chemiczne na drodze których jedne związki chemiczne przechodzą w inne. Fizyka jest nauką o zjawiskach zachodzących w przyrodzie i o właściwościach materii. Bada fundamentalne i uniwersalne właściwości materii, ogólne prawa, którym podlega przebieg wszelkich procesów.

6 Dziedziny fizyki Fizykę można podzielić na doświadczalną, która polega na przeprowadzaniu obserwacji i doświadczeń, i teoretyczną, która uogólnia wyniki doświadczeń i tworzy teorie opisujące je ścisłym językiem matematyki. Działy fizyki wyodrębnia się na podstawie klasy badanych zjawisk: mechanika, optyka, teoria względności, lub rodzaju badanych obiektów: fizyka cząstek elementarnych, atomowa i molekularna.

7 BIOFIZYKA Zjawiska fizyczne, które zachodzą w organizmach żywych, stanowią przedmiot biofizyki. Biofizyka może być traktowana jako fizyka stosowana w biologii. Prawa fizyki wyjaśniają wiele problemów o podstawowym znaczeniu dla biologii, rolnictwa i medycyny

8 PODSTAWY BIOFIZYKI Celem przedmiotu jest:
zapoznanie z podstawowymi zjawiskami i procesami fizycznymi zachodzącymi w organizmach żywych i w przyrodzie, omówienie wybranych praw i zjawisk fizycznych mających podstawowe znaczenie dla wyjaśnienia niektórych procesów biologicznych, kształcenie umiejętności pomiaru podstawowych wielkości fizycznych.

9 Podstawę badań fizycznych stanowi pomiar wielkości fizycznych, polegający na porównaniu danej wielkości z inną wielkością tego samego rodzaju, przyjętą za jednostkę miary.

10 W obowiązującym międzynarodowym układzie jednostek miar SI przyjęto siedem wielkości podstawowych:
długość, masę, czas, natężenie prądu elektrycznego, temperaturę, ilość materii i światłość.

11 JEDNOSTKI PODSTAWOWE wielkość jednostka symbol długość metr m masa
kilogram kg czas sekunda s natężenie prądu amper A temperatura kelwin K ilość materii mol światłość kandela cd

12 Jednostka długości - metr (m)
Długość drogi przebytej w próżni przez światło w czasie 1/ s Związane jest to z prędkością światła w próżni, która wynosi c= m/s

13 Jednostka masy - kilogram (kg)
Masa międzynarodowego wzorca tej jednostki, przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar w Sevres pod Paryżem. W przybliżeniu masa 1dm3 czystej wody w temperaturze około 1o C równa jest 1kg.

14 Jednostka czasu - sekunda (s)
Czas trwania okresów promieniowania, odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu 133Cs.

15 Jednostka natężenia prądu elektrycznego - amper (A)
Natężenie stałego prądu elektrycznego, który płynąc w dwóch równoległych, prostoliniowych i nieskończenie długich przewodnikach o znikomo małym przekroju okrągłym, umieszczonych w próżni w odległości 1m od siebie, wywołałby między tymi przewodami siłę 2x10-7N na każdy metr długości tych przewodników.

16 Jednostka temperatury - kelwin (K)
1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody

17 Jednostka ilości (liczności) materii - mol (mol)
Ilość materii układu zawierającego liczbę cząstek (cząsteczek, atomów, jonów i in.) równą liczbie atomów zawartych w masie 0,012 kg węgla 12C.

18 Jednostka światłości - kandela (cd)
Świałość w kierunku prostopadłym do powierzchni ciała doskonale czarnego, promieniującego w temperaturze krzepnięcia platyny, pod ciśnieniem 101 325 Pa (paskali) równej 2042,6 K, jeżeli pole powierzchni promieniującej jest równe (1/6) x10-6 m2.

19 Przedrostki dla jednostek podwielokrotnych
mnożnik przedrostek skrót 10-1 decy d 10-2 centy c 10-3 mili m 10-6 mikro 10-9 nano n 10-12 piko p

20 Przedrostki dla jednostek wielokrotnych
mnożnik przedrostek skrót 101 deka da 102 hekto h 103 kilo k 106 mega M 109 giga G 1012 tera T

21 Wielkości pochodne Wszystkie wielkości pochodne i ich jednostki określane są, na podstawie równań definicyjnych, bezpośrednio lub pośrednio za pomocą wielkości podstawowych. Na przykład wartość prędkości v w ruchu jednostajnym i prostoliniowym określona jest przyrostem drogi s w czasie t v=s/t jej wymiarem jest wiec długość podzielona przez czas, a jednostką m/s.

22 Pomiary wielkości fizycznych
Rzeczywista wartość wielkości fizycznej nie jest znana, każdy pomiar obarczony jest niepewnością pomiarową, która świadczy o dokładności pomiaru. Wynikiem pomiaru jest zmierzona wartość (z podaniem jednostek) oraz przedział, w którym z określonym prawdopodobieństwem znajduje się wartość rzeczywista.

23 Masa Masa – w fizyce jedna z najważniejszych wielkości fizycznych potocznie rozumiana jako ilość materii i energii zgromadzonej w ciele fizycznym. określa bezwładność (masa bezwładna) i oddziaływania grawitacyjne (masa grawitacyjna) ciał.

24 Siły działające w przyrodzie
Siła jest to wielkość fizyczna, opisująca wzajemne oddziaływania ciał między sobą. Siłę poznajemy po skutkach jej działania. Siła może spowodować zmianę ruchu (pędu) ciała lub spowodować jego odkształcenie. Źródłem każdej siły rzeczywistej jest ciało materialne.

25 Siła jest wielkością wektorową, miarą oddziaływań fizycznych między ciałami.
A B Ma wartość F, punkt zaczepienia A, kierunek i zwrot. Jednostką siły w układzie SI jest niuton N 1N=(kg m)/s2

26 Dodawanie i rozkładanie wektorów na składowe metodą równoległoboku

27 Są to oddziaływania: grawitacyjne, elektromagnetyczne,
Wszystkie znane oddziaływania można sprowadzić do czterech podstawowych (fundamentalnych). Są to oddziaływania: grawitacyjne, elektromagnetyczne, słabe, silne (jądrowe).

28 Oddziaływania grawitacyjne
Wszystkie ciała materialne (masy) wzajemnie się przyciągają. Siły grawitacyjne wiążą gwiazdy w galaktyki, Słońce i planety w Układ Słoneczny, utrzymują Ziemię jako całość. Siły grawitacji są najsłabsze ze wszystkich oddziaływań i są siłami długozasięgowymi. Opisane są przez prawo powszechnego ciążenia.

29 Prawo powszechnego ciążenia
Dwa punkty materialne o masach (grawitacyjnych) m i M przyciągają się wzajemnie siłą grawitacji Fg wprost proporcjonalną do iloczynu mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości r między punktami. G jest stałą grawitacji, Znak „-” wynika z faktu, że wektor Fg ma zwrot przeciwny do wektora r (siła grawitacji jest zawsze siłą przyciągającą)

30 Oddziaływania elektromagnetyczne
Są to oddziaływania między ładunkami znajdującymi się w spoczynku lub w ruchu. Ładunki różnoimienne przyciągają się, a jednoimienne odpychają się. Siły elektromagnetyczne wiążą elektrony w atomach, atomy w cząsteczkach, cząsteczki w ciałach makroskopowych; odgrywają dominująca rolę w takich zjawiskach jak tarcie, spójność, sprężystość. Są siłami długozasięgowymi.

31 Prawo Coulomba Dwa punktowe i nieruchome ładunki elektryczne q i Q działają na siebie siłą wprost proporcjonalną do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości r między nimi: eo jest przenikalnością elektryczną próżni

32 Siła magnetyczna Na ładunek poruszający się względem innych poruszających się ładunków (np. prądu elektrycznego) działa (niezależnie od siły elektrycznej) siła prostopadła do jego prędkości. Wektor B jest to indukcja pola magnetycznego.

33 Pochodzenia elektromagnetycznego są również:
Siły międzycząsteczkowe, van der Waalsa, cząsteczki przyciągają się na większych odległościach a odpychają na mniejszych od pewnej odległości odpowiadającej stanowi równowagi. Siły sprężystości, ciało powraca do pierwotnego kształtu po ustaniu działania siły, dla małych odkształceń jego wielkość jest wprost proporcjonalna do działajacej siły (prawo Hooke’a) Siły tarcia

34 Oddziaływania słabe Są odpowiedzialne za rozpad b jąder promieniotwórczych i za rozpad wielu cząstek elementarnych występujących w przyrodzie. Oddziaływania krótkozasięgowe, na odległości rzędu 10-15m. Nie tworzą układów związanych.

35 Oddziaływania silne Wiążą ze sobą m. in. nukleony w jądrze atomowym. Oddziaływania o bardzo małym zasięgu działania, około 10-15m. Najsilniejsze ze wszystkich oddziaływań, większe o: 2 rzędy wielkości od elektromagnetycznych 5 rzędów od słabych, 40 rzędów od grawitacyjnych.

36 Pola sił Siły, z którymi się spotykamy działają w określonej przestrzeni. Na ciało umieszczone w dowolnym punkcie tej przestrzeni działają określone siły. Obszar, w którym w każdym punkcie określona jest siła działająca na ciało, nazywamy polem sił. Każda cząstka wytwarza wokół siebie pole i poprzez to pole oddziałuje na inne cząstki. Masy wytwarzają wokół siebie pole grawitacyjne, a ładunki pola elektromagnetyczne.

37 Wpływ pola grawitacyjnego na organizmy żywe
Równowaga organizmów w polu grawitacyjnym Geotropizm Grawimorfizm Wpływ nieważkości Wpływ przeciążeń

38 Wpływ pola elektromagnetycznego na organizmy żywe
efekty termiczne, nagrzewanie ciał, przebieg procesów metabolicznych, orientacja w przestrzeni zwierząt np. ptaków, wpływ na układ nerwowy i sercowo-naczyniowy, transport jonów przez błony komórkowe, zmiany czynnościowe i morfologiczne.

39 Prawa i zasady fizyki Zasada fizyki to powszechna i ogólna prawidłowość fizyczna stwierdzona doświadczalnie. Prawo fizyczne określa związek między wielkościami charakteryzującymi stan układu fizycznego lub przebieg określonego zjawiska fizycznego. W miarę możliwości prawa i zasady fizyki wyrażane są w postaci równań matematycznych np. prawa ruchu, zasady dynamiki, zasady termodynamiki, zasady zachowania.

40 Zasady dynamiki Newtona
Pierwsza zasada dynamiki Jeżeli wypadkowa wszystkich sił działających na ciało jest równa zero, to przyspieszenie ciała jest równe zero.

41 Druga zasada dynamiki m - masa bezwładna
Przyspieszenie z jakim porusza się ciało jest wprost proporcjonalne do działającej siły wypadkowej. m - masa bezwładna

42 Trzecia zasada dynamiki
Jeżeli dwa ciała działają na siebie to siły oddziaływania są sobie równe, lecz przeciwnie skierowane (nie równoważą się, bo przyłożone są do różnych ciał).

43 Zasady zachowania Zasadami zachowania nazywamy prawa stwierdzające, że wartość jakiejś wielkości fizycznej w określonych warunkach, na przykład w układzie zamkniętym (odosobnionym, izolowanym), nie ulega zmianie w czasie. Nie stwierdzono odstępstw od praw zachowania. Uważa się więc, że dowolne hipotetyczne zjawisko w którym nie są spełnione prawa zachowania nie jest możliwe. Zasady zachowania są więc ważne nie tylko ze względów teoretycznych, ale również praktycznych. Są proste i uniwersalne, więc przy rozwiązywaniu wielu problemów najpierw odnosi się zasady zachowania do danej dziedziny, a później korzysta z innych metod.

44 Układ jest izolowany mechanicznie, jeżeli nie działają na niego żadne siły zewnętrzne, tzn. nie może wymieniać energii z otoczeniem poprzez wykonanie pracy. Układ izolowany adiabatycznie nie może wymieniać energii z otoczeniem drogą wymiany ciepła. Układ zamknięty jest to układ, który jest równocześnie izolowany mechanicznie i adiabatycznie.

45 Zasady zachowania w fizyce
1. Zasada zachowania energii 2. Zasada zachowania pędu 3. Zasada zachowania momentu pędu 4. Zasada zachowania ładunku i inne.

46 1.Zasada zachowania energii całkowitej.
W układzie zamkniętym suma wszystkich rodzajów energii jest stała, chociaż jeden rodzaj energii może przechodzić w inny. Należy również uwzględnić energię związaną z masą spoczynkową zgodnie z równaniem E=mc2.

47 Przemiany energetyczne
Przechodzenie jednego rodzaju energii w drugi, czyli przemiany energetyczne, są zjawiskiem powszechnym w przyrodzie. Organizmy żywe mogą istnieć i funkcjonować dzięki przemianom energii.

48 Przemiany energetyczne w organizmach żywych
fotosynteza - transformacja energii słonecznej w energię chemiczną; skurcz mięśnia – przekształcenie energii chemicznej w energię mechaniczną, proces słyszenia- przemiana energii mechanicznej fali dźwiękowej w energię impulsu elektrycznego w receptorach ucha wewnętrznego, oddychanie komórkowe – wykorzystanie energii wiązań chemicznych w cząsteczkach pokarmu do realizacji funkcji metabolicznych komórki, w szczególności do wykonania pracy.

49 Zasada zachowania energii mechanicznej
W układzie zamkniętym, w którym występują tylko siły zachowawcze, a więc bez tarcia, ogólna zasada zachowania energii sprowadza się do jej przypadku szczególnego, zasady zachowania energii mechanicznej. W takim układzie izolowanym mechanicznie suma energii kinetycznych i potencjalnych jest wielkością stałą. Jeden rodzaj energii może przechodzić w drugi, ale suma jest stała.

50 2. Zasada zachowania pędu.
Jeżeli wypadkowa sił zewnętrznych działających na układ jest równa zeru to suma pędów jest wielkością stałą w czasie. Zasada zachowania pędu wyjaśnia różnorodne zjawiska: zderzenia ciał, ruch rakiet, również ruch niektórych głowonogów w wodzie. Mątwa wciąga wodę, a następnie energicznie wyrzuca strumień wody, nadając wodzie pęd sama uzyskuje pęd skierowany przeciwnie.

51 3. Zasada zachowania momentu pędu
Jeżeli wypadkowy moment sił zewnętrznych działających na układ jest równy zero to całkowity moment pędu jest stały w czasie. Zasada zachowania momentu pędu jest podstawą działania żyroskopów, tłumaczy zmiany prędkości obrotu łyżwiarza w czasie wykonywania piruetu, ma znaczenie dla struktury, kształtu i ewolucji wszelkiego rodzaju ciał niebieskich.

52 4. Zasada zachowania ładunku.
Sumaryczny ładunek układu izolowanego (z uwzględnieniem, że ładunki są dodatnie i ujemne) jest stały. Ładunku nie można stworzyć, ani nie może on zniknąć.

53 Mechanika Statyka - zajmuje się równowagą układów sił m.in. równowagą cieczy (hydrostatyka) Kinematyka- bada ruch bez wnikania w przyczyny jakie ten ruch powodują. Dynamika- zajmuje się przyczynami jakie powodują ruch i powstawanie przyspieszeń.

54 Wielkości opisujące ruch
Położenie- w wybranym układzie odniesienia np. kartezjańskim, do określenia położenia wystarczy podać trzy współrzędne punktu (x,y,z) Prędkość- charakteryzuje zmiany położenia w czasie

55 Przyspieszenie- określa zmiany prędkości w czasie

56 Klasyfikacja ruchów ze względu na zmiany prędkości
Przyspieszenie jest równe zero- prędkość jest stała w czasie, ruch jest jednostajny prostoliniowy Przyspieszenie jest stałe w czasie- prędkość się zmienia jednostajnie w czasie, ruch jest jednostajnie przyspieszony

57 Klasyfikacja ruchów ze względu na kształt toru ruchu
Ruch prostoliniowy- np. prostoliniowy jednostajny, prostoliniowy jednostajnie przyspieszony (opóźniony); kierunek wektora przyspieszenia jest zgodny z kierunkiem ruchu Ruch krzywoliniowy- np. ruch po okręgu (jednostajny, jednostajnie przyspieszony); istnieje składowa przyspieszenia prostopadła do toru.

58 Ruch okresowy, periodyczny
Szczególnym rodzajem ruchu jest ruch okresowy w którym charakteryzujące go wielkości mają wartości powtarzające się co pewien przedział czasu zwany okresem T. Przykładem ruchu okresowego jest ruch jednostajny po okręgu, ruch wahadła, drgania sprężyny, drgania jonów sieci krystalicznej, ruch ładunków w czasie przepływu prądu zmiennego.

59 Ruch harmoniczny Szczególnym przypadkiem ruchów okresowych są drgania harmoniczne w których wartość siły F powodującej ruch jest wprost proporcjonalne do wychylenia x i jest przeciwnie skierowana (ma przeciwny znak) Przykładem są drgania wahadła matematycznego w przypadku małych drgań, małych wychyleń punktu materialnego od położenia równowagi.

60 Okres drgań w ruchu harmonicznym

61 Wahadło matematyczne Wahadło matematyczne jest to punkt materialny o masie m, zawieszony na cienkiej, nieważkiej i nierozciągliwej nici o długości l. W położeniu równowagi, siła ciężkości oraz siła reakcji nici Fr równoważą się i wahadło pozostaje w spoczynku. Gdy wahadło zostanie wychylone o kąt a, wypadkowa tych sił nie równa się zero i wahadło porusza się ruchem drgającym.

62 Składowa F2 siły ciężkości F=mg napina nić
Składowa F2 siły ciężkości F=mg napina nić. Zgodnie z III zasadą dynamiki na kulkę działa równa co do wartości siła reakcji nici Fr. Wahadło porusza się pod działaniem wypadkowej F1 sił F i Fr a Fr x F1 a F a F2

63 Dla małych kątów wychylenia:
Kierunek siły F1 jest styczny do łuku s okręgu o  promieniu l. Dla małych kątów wychylenia: W przybliżeniu długość łuku s jest równa x i kierunek działającej siły zgodny z  kierunkiem wychylenia. Siła ta jest proporcjonalna do wychylenia i ma przeciwny zwrot jest to więc ruch harmoniczny.

64 Przez porównanie równań:
Wnioskujemy, ze dla wahadła stała k jest równa:

65 Okres drgań wahadła matematycznego

66 Dziękuję za uwagę