Sprawy organizacyjne

http://www.if.pwr.wroc.pl/~wozniak/fizyka1.html

HTTPS://EPORTAL.PWR.EDU.PL/COURSE/VIEW.PHP?ID=16236

Miejsce konsultacji: pokój 27 bud. A-1; Terminy podam na stronie internetowej! Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak, prof. uczelni

Katedra Optyki i Fotoniki

Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska

Wykład FIZYKA I

1. Sprawy organizacyjne; metodologia;

elementy rachunku wektorowego i

NIEZWYKLE WAŻNE

· Zgodnie z Regulaminem Studiów obecność Studentów I roku jest na

wszystkich formach zajęć obligatoryjna (obowiązkowa). W związku z

tym JAKOŚ będę sprawdzał obecność.

· Nieobecność na zajęciach może być podstawą niezaliczenia kursu.

KOMENTARZ: Powszechnie stosowaną przez Państwa a niedopuszczalną, moim zdaniem, praktyką jest uczestniczenie w terminach mojego wykładu w innych zajęciach (bądź praca…) i, w związku z tym, niepojawianie się w ogóle (lub „kontrolnie”, dwa razy w semestrze) na moim wykładzie. Jest to zasadniczo niezgodne z Regulaminem Studiów.

-

No, ale mamy pandemię i wykłady tylko on-line…

NIEZWYKLE WAŻNE

PROGRAM WYKŁADU FIZYKA I

1. Sprawy organizacyjne: zasady uczestnictwa w wykładach, zasady zaliczenia kursu, podręczniki i materiały dydaktyczne. Metodologia fizyki: cele fizyki; układy jednostek fizycznych, jednostki podstawowe i pochodne; konwersja jednostek; przedrostki wielkości metrycznych. Elementy rachunku wektorowego i operatory różniczkowe.

2. Kinematyka: układy współrzędnych, wielkości kinematyczne: podstawowe definicje, ruch jednostajny, jednostajnie przyspieszony, ruch po okręgu, ruchy dwuwymiarowe (rzut ukośny).

3. Dynamika punktu materialnego: masa, pęd, siła; zasady dynamiki Newtona. 4. Nieinercjalne układy odniesienia: siła Coriolisa.

5. Praca i energia mechaniczna: praca, energia (kinetyczna i potencjalna), moc; zasada zachowania energii (mechanicznej); pola zachowawcze.

6. Zasada zachowania pędu: pęd, popęd siły, zasada zachowania pędu; zderzenia. 7. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej: środek masy, moment: siły, pędu, bezwładności; zasada zachowania momentu pędu, tensor momentu bezwładności. 8. Grawitacja: pola fizyczne, pole grawitacyjne, prawo powszechnego ciążenia, prawa Keplera.

PROGRAM WYKŁADU FIZYKA I – C.D.

9. Ruch okresowy: oscylator harmoniczny prosty.

10. Ruch okresowy: tłumiony, wymuszony; rezonans mechaniczny.

11. Fale mechaniczne: równanie falowe; fale sprężyste; prędkość fazowa i grupowa; zasada superpozycji; interferencja; fale dźwiękowe.

12. Elementy hydromechaniki płynów: płyn idealny i rzeczywisty, hydrostatyka płynów: prawa Pascala i Archimedesa, napięcie powierzchniowe, włoskowatość; przepływ płynu, prawa: ciągłości, Bernoullego; turbulencja.

13. Termodynamika fenomenologiczna: wielkości i opis makroskopowy, zasady termodynamiki i ich wybrane zastosowania; równanie stanu gazu doskonałego i rzeczywistego.

14. Termodynamika fenomenologiczna: energia wewnętrzna, entropia, przemiany gazu doskonałego, silniki cieplne, zjawiska termoelektryczne.

15. Elementy termodynamiki statystycznej: idee opisu statystycznego, mikroskopowa interpretacja entropii, funkcje rozkładu Boltzmanna i Maxwella, zasada ekwipartycji energii cieplnej, zjawiska dyfuzji i lepkości.

LITERATURA PODSTAWOWA



D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, PODSTAWY FIZYKI, tom 1, tom 2, PWN,

Warszawa 2003 oraz J. Walker, PODSTAWY FIZYKI. Zbiór zadań, PWN,

Warszawa 2005.

LITERATURA PODSTAWOWA



J. Orear, FIZYKA, t. I i II, WNT, Warszawa 2008.



J. Massalski, M. Massalska, Fizyka dla inżynierów, cz. I, Fizyka klasyczna,

WNT, Warszawa 2008.



R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands, Feynmana wykłady z fizyki, T. 1,

cz.1; T.1. cz.2; T. 2, cz. 1; T. 2, cz. 2, T. 3



dotyczy mechaniki kwantowej;

PWN,

Warszawa

2005-7;

patrz

również

strona:

http://www.feynmanlectures.info/.

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA



P.G. Hewitt, FIZYKA WOKÓŁ NAS, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa

2008.



Cz. Bobrowski, Fizyka. Krótki kurs, WNT, Warszawa 2007.



K. Sierański, K. Jezierski, B. Kołodko, Wzory i prawa z objaśnieniami. Część

I. Oficyna Wyd. Scripta, Wrocław 2005.

 K. Sierański, P. Sitarek, K. Jezierski, Repetytorium. Wzory i prawa z objaśnieniami, Oficyna Wyd. Scripta, Wrocław 2002.

 K. Jezierski, K. Sierański, I. Szlufarska, Repetytorium. Zadania z rozwiązaniami, Oficyna Wyd. Scripta, Wrocław 2003. K. Jezierski, B. Kołodko, K. Sierański, Zadania z rozwiązaniami. Część I. Oficyna Wyd. Scripta, Wrocław 2000.

LITERATURA … HM, JAKAŚ TAM

Szanowni Państwo, Fundacja Katalyst Education, przy współudziale licznych przedstawicieli polskiego środowiska fizyków, zakończyła pracę nad polską adaptacją uniwersyteckiego podręcznika podstaw fizyki. Podręcznik jest i zawsze będzie dostępny za darmo (licencja Creative Commons - Uznanie Autorstwa). Studenci mogą z niego korzystać on-line bądź drukować bez ograniczeń. Opracowując wykład, można w sposób zgodny z licencją wykorzystywać jego fragmenty, w tym grafikę, a nawet tworzyć na jego podstawie własne opracowania. Przede wszystkim jednak jest to podręcznik bardzo dobry. Zakresem materiału, objętością, a nawet poziomem edytorskim nie odbiega od najpopularniejszego podręcznika dostępnego po polsku za pieniądze, a poziomem formalnym go przewyższa, zbliżając się do University Physics Younga i Freedmana. Wydaje mi się, że jest to obecnie najodpowiedniejszy podręcznik do fizyki dla inżynierów spośród pozycji dostępnych po polsku. Gorąco polecam podręcznik, proszę go wskazać studentom w literaturze do Państwa kursów i proponuję w miarę możliwości opierać na nim wykład, co ułatwi studentom pracę. Błędów i niedociągnięć jest tam na pewno jeszcze sporo. Proszę je zgłaszać poprzez formularz na stronie www podręcznika lub za moim pośrednictwem. Podręcznik jest dostępny tutaj:

Tom 1: https://openstax.org/details/books/fizyka-dla-szkół-wyższych-tom-1

Tom 2: https://openstax.org/details/books/fizyka-dla-szkół-wyższych-tom-2

2+2=4

FIZYKA - CEL

Cel: poszukiwanie i poznawanie podstawowych praw przyrody.

Nowe prawa, nowe podejście

do znanych zagadnień

Upraszczanie podstawowych praw, eliminacja zbędnych, przestarzałych teorii (brzytwa Ockhama) Ostateczna (!?) prawda o świecie fizycznym (Fizyka a filozofia) _Metodologia!

METODOLOGIA FIZYKI

Metodologia fizyki polega na:

- Obserwowaniu rzeczy (ciał) i zjawisk;

- Wykonywaniu eksperymentów (także myślowych i

komputerowych);

- Wyciąganiu i formułowaniu wniosków w postaci możliwie

ogólnych teorii;

UKŁADY JEDNOSTEK FIZYCZNYCH

Podstawowe wielkości fizyczne:

długość;

czas;

masa;

natężenie prądu;

natężenia źródła światła;

kąt płaski (kąt bryłowy).

UKŁADY JEDNOSTEK FIZYCZNYCH



Układy jednostek fizycznych: CGS, MKGS, SI.



Przykład „ewolucji” definicji metra:

- definicja bazująca na wymiarach Ziemi (1/10000 odległości bieguna

od równika, 1/40000 długości równika);

- wzorzec metra w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w Sèvres pod

Paryżem (stop platyny z irydem);

- liczba długości fal jednej z linii widmowych Kryptonu

_Kr;

- (obecna, od 1983 r.): droga, którą w próżni przebywa światło w czasie

1/299792458 sekundy.

KONWERSJA JEDNOSTEK

Czyli: zamiana z jednego układu jednostek na inny.

Przykład:

 

 

s

m

s

m

h

mi

mph

26

,

8

10

6

,

3

10

61

,

1

1

1

60

60













PRZEDROSTKI JEDNOSTEK METRYCZNYCH

Przedrostek Skrót Potęga dziesięciu

tera T 12 giga G 9 mega M 6 kilo k 3 centy c -2 mili m -3 mikro  -6 nano n -9 piko p -12 femto f -15

POJĘCIA WSTĘPNE

Wielkości, występujące w fizyce:

Skalary, wektory, pseudowektory, tensory; Język – istotny składnik myśli abstrakcyjnej. Nowe pojęcia naukowe = nowe słowa.

SKALAR

Wielkość, którą można wyrazić liczbą. Jego wartość nie zależy od wyboru układu współrzędnych.

WEKTOR

Początkowo w astronomii: wyimaginowana linia prosta, łącząca planetę,

poruszającą się dookoła środka lub ogniska elipsy, z tym środkiem lub

ogniskiem.

Własności zapisu wektorowego:

1. wektorowe

ujęcie praw fizyki jest niezależne od wyboru osi

współrzędnych;

2. zapis wektorowy jest

zwięzły; wiele praw ma w nim prostą i

przejrzystą postać.

WEKTOR

- kierunek: prosta, na której działa dana wielkość;



Własności, które musi mieć wielkość fizyczna, aby przypisać

jej cechy wielkości wektorowej, a które nie mogą zależeć od

wyboru układu współrzędnych:

- wartość: reprezentowana przez długość wektora;

- zwrot: „orientacja” na danym kierunku;

WEKTOR



Aby wielkość fizyczną można było opisać wektorem, musi

ona dodawać się jak wektor

:

opis „algebraiczny”: każda składowa sumy wektorów jest sumą

odpowiednich składowych tych wektorów;

opis „geometryczny”: reguła równoległoboku:

B

A







A



WEKTOR

prędkość, przyspieszenie, siła, pęd, moment pędu, natężenie pola elektrycznego i magnetycznego;

 Długość wektora:

 Wersor, czyli wektor jednostkowy:

 Pochodna wektora:

 

x

y

r





,

r



r







x



y



r

r

r

_





ˆ

   





       

dt

t

r

d

t

r

t

r

dt

t

dr

t

r

t

r

dt

d

dt

r

d

ˆ

ˆ

ˆ











Własności:

1) Przemienność:

2)



Zastosowania:

1) Prawo cosinusów:

jeśli

to:

2) Cosinusy kierunkowe:



Przykład:

Moc jako prędkość wykonywanej pracy przy stałej sile :

A

B

B

A















0









B

A

B

A









B

A

C











 

A

B

AB

B

A

C







2

cos





,



     

A

x

y

A

y

z

A

z

x

A





ˆ





ˆ



ˆ





ˆ



ˆ





ˆ

 

v

F

dt

r

d

F

dt

r

F

d

dt

dW

P



























 

A

B

AB

B

A









cos





,



C

B

A











C



A



B



 

A

B

AB

C

C







sin





,



jest wektorem prostopadłym do płaszczyzny, w której leżą wektory

o wartości:

a jego zwrot wyznacza reguła śruby prawoskrętnej (rys):

A

B

B

A

















0









B

A

B

A











Własności:

1) Antyprzemienność:

2)

PSEUDOWEKTOR

 Istnieją wielkości fizyczne, którym możemy przypisać nie tylko wartość liczbową, ale również kierunek i zwrot. Wielkości te jednak nie są wektorami, gdyż nie stosują się do nich prawa dodawania wektorów. Nazywamy je pseudowektorami.

TENSOR































































E

E

E

D

D

D





















d



d

E







Wektor = tensor pierwszego rzędu;



Tensor drugiego rzędu – reprezentacja macierzowa;

Przykład: związek między wektorem indukcji elektrycznej D i wektorem natężenia pola elektrycznego E:

 Tensor trzeciego rzędu

Przykład: tensor modułów piezoelektrycznych

gdzie: _{jest tensorem (drugiego rzędu) odkształceń.} Tensor drugiego rzędu ustala zależność między

wektorami.

OPERATORY RÓŻNICZKOWE



Gradient

Operator różniczkowy, który z wielkości (funkcji) skalarnej tworzy wektor:

B

z

A

z

y

A

y

x

A

x

r

A

A

gradA



































ˆ

ˆ

ˆ





























z

y

x

,

,

„nabla”

Przykład: siła jako gradient energii potencjalnej

F





gradE

OPERATORY RÓŻNICZKOWE



Dywergencja

Operator różniczkowy, który z wektora (funkcji wektorowej) tworzy skalar:

z

B

y

B

x

B

B

B

div

x

y

z





























(jedno z praw Maxwella) – dywergencja natężenia pola elektrycznego równa się gęstości przestrzennej ładunku





E

div



OPERATORY RÓŻNICZKOWE

Operator różniczkowy, który z wektora (funkcji wektorowej) tworzy wektor (funkcję wektorową):

Przykład:

W prawach Maxwella –proszę sobie znaleźć…





z

B

y

B

B

rot



























































B

B

B

z

y

x

z

y

x

B

B

rot

ˆ

ˆ

ˆ







Rotacja

OPERATORY RÓŻNICZKOWE

Operator różniczkowy, który z pola skalarnego klasy C2 _{tworzy skalar (funkcję} skalarną):

Przykład:

Równanie falowe. Jak wygląda?





2

₂

2

₂

2

₂

2

,

,

z

A

y

A

x

A

z

y

x

A

A



























Laplasjan