FIZYKA I - Podstawy Fizyki

38  Download (0)

Pełen tekst

(1)

FIZYKA I - Podstawy Fizyki

Wykład:

Rajmund Bacewicz, prof. dr hab.

p. 325, tel 8628, 7267 bacewicz@if.pw.edu.pl

http://www.if.pw.edu.pl/~bacewicz/

Ćwiczenia rachunkowe:

prof. dr hab. Małgorzata Igalson dr inŜ. Anna Pietnoczka

mgr inŜ. Andrzej Kubiaczyk

dr inŜ. Paweł Zabierowski

(2)

PROGRAM WYKŁADU 1. Przedmiot fizyki.

2. Niektóre zagadnienia mechaniki:

Opis ruchu. Zasady dynamiki. Inercjalne i nieinercjalne układy odniesienia, zasada względności i transformacja Galileusza, prawa zachowania

(energii, pędu i momentu pędu), siły centralne, grawitacja.

3. Termodynamika i fizyka statystyczna:

Energia wewnętrzna i ciepło. I prawo termodynamiki. Procesy transferu ciepła: przewodnictwo cieplne, konwekcja, promieniowanie. Kierunek przemian termodynamicznych - II prawo termodynamiki. Entropia.

Elementy fizyki statystycznej. Gaz doskonały, rozkład Maxwella- Boltzmanna. Entropia w fizyce statystycznej.

4. Elektromagnetyzm:

pole elektryczne, prawo Gaussa, przewodniki i dielektryki, polaryzacja, energia pola elektrycznego, przewodnictwo elektryczne metali, pole magnetyczne w próŜni, prawo Biota-Savarta, prawo Ampere’a, siła Lorentza, wektor namagnesowania, diamagnetyzm, paramagnetyzm, ferromagnetyzm, indukcja elektromagnetyczna, energia pola magnetycznego, równania Maxwella. Fale elektromagnetyczne, prędkość fazowa i grupowa, zasada Fermata, dyspersja, interferencja i dyfrakcja fal, polaryzacja światła

(3)

Literatura:

1.D. Halliday, R. Resnick, J.Walker – „Podstawy Fizyki” PWN 2003 2. W. Bogusz, J. Garbarczyk, F. Krok, „Podstawy fizyki”, Oficyna

Wydawnicza PW, Warszawa 1999 3. J.Orear, „Fizyka” t.1,2 - WNT 1999

5. Mechanika relatywistyczna: postulaty Einsteina, doświadczenie

Michelsona-Morleya, transformacja Lorentza, dynamika relatywistyczna, zasada równowaŜności Einsteina.

6. Niektóre zagadnienia fizyki współczesnej :

Efekt fotoelektryczny, efekt Comptona , tworzenie par. Postulat de Broglie’a, fale materii, zasada

nieoznaczoności Heisenberga. Oddziaływania fundamentalne

.

(4)

Zasady zaliczania:

Ćwiczenia rachunkowe z fizyki – 40 pkt.

Egzamin - 60 pkt.

Ocena:

punkty ocena

Σ 51 - 60 3

Σ 61 - 70 3.5

Σ 71 - 80 4

Σ 81 - 90 4.5

Σ 91 - 100 5

(5)

Wykład 1 Wykład 1

1. Wstęp

Czym zajmuje się fizyka ? 2. Opis ruchu

3. Prawa dynamiki

Wykład 1

współautorstwo prezentacji dr hab. Krystyna Pękała

(6)

Czym jest fizyka?

 Obserwacja i pomiar (doświadczenie)

 Prawa fizyki – wnioski z obserwacji

 Modele matematyczne - opis teoretyczny.

Fizyka to podstawowa nauka przyrodnicza. Zajmuje się

badaniem właściwości materii i zjawisk zachodzących we

Wszechświecie oraz wykrywaniem ogólnych praw, którym te

zjawiska podlegają.

(7)

Fizyka jest matką techniki

(8)

Jednostki podstawowe układu SI

błąd realizacji wzorca

(9)

Wzorce (standardy) jednostek

(10)

Kilogram

84 rzędy wielkości

(11)

82 rzędy wielkości

(12)

Jednostki pochodne układu SI

wzorce kwantowe V, Ω

(13)

Przedrostki w układzie SI

(14)
(15)

Analiza wymiarowa

Przykład:

W ruchu po okręgu szukamy zaleŜności przyśpieszenia dośrodkowego od prędkości i promienia okręgu. ZałóŜmy, Ŝe:

β α r v a

Jakie są wartości wykładników α i β ?

lewa strona prawa strona

[a] = ms

−2

, (m/s)

α

m

β

= m

α+β

s

β

→ α + β = 1 i − α = −2.

α = 2, β = −1 i a v

2

R

−1

Wymiary strony lewej i prawej poprawnie sformułowanej równości

między wielkościami fizycznymi powinny być takie same

(16)

Fundamentalne stałe fizyczne

mierzone z coraz większą dokładnością

(17)

Językiem fizyki jest matematyka

Wielkości skalarne i wektorowe

Wektory

• połoŜenie

• prędkość

• przyśpieszenie

• siła

• pęd

• moment pędu

itd……

Skalary

• droga

• masa

• czas

• energia

(18)

Do określenia połoŜenia przestrzeni potrzeba trzech współrzędnych

Wersory (wektory jednostkowe)

[ x x y y z ] z

z y

x

A , A , A

A ˆ A ˆ

A ˆ

A ˆ A ˆ

A ˆ A

=

+ +

=

+ +

= A

k j

i A

k j

i r

RównowaŜne zapisy wektora

Tipler

prostokątny (kartezjański)

układ współrzędnych)

(19)

Kinematyka

dział mechaniki zajmujący się opisem ruchu ( bez uwzględniania przyczyn, które go wywołały)

Ruch - zmiana połoŜenia ciała względem układu odniesienia.

• Punkt materialny - ciało, którego rozmiary moŜna zaniedbać.

• Ruch prostoliniowy - wszystkie punkty poruszają się wzdłuŜ linii prostej.

• Ruch płaski - zachodzi w jednej płaszczyźnie.

• Ruch obrotowy - wszystkie punkty ciała poruszają się po okręgach,

których środki znajdują się na jednej prostej-osi obrotu.

(20)

Wektor połoŜenia

Równanie ruchu

r1 r2

∆r12=r2-r1

x

y ∆s

Gdy ∆t 0, ∆r12 ∆s

)]

t ( z ), t ( y ), t ( x [ )

t (

r r =

(21)

Wektor prędkości

] ,v ,v

dt [v , dz dt , dy dt dx dt

r

v d   = x y z

 

=

= r r

Kierunek wektora pokrywa się z kierunkiem stycznej do toru, a zwrot określony jest przez znak przyrostu wektora połoŜenia

Wartość (moduł) wektora prędkości :

Tę wielkość wskazuje prędkościomierz w samochodzie

2 z 2

y 2

x v v

v v

v r = = + +

τ r

r v

v = gdzie τ r wektor styczny do toru

(22)

Wektor przyspieszenia

[ x y z ]

y z

x a , a , a

dt , dv dt

dv dt ,

dv dt

v

a = d = =

 

 

r r

W ruchu jednostajnie zmiennym:

const a r =

dt a v

d r r

= ∫ = ∫ t

0 v

v

dt a

0

v

d r r

t a v

(t)

v

0

r r

r = +

v

t

(23)

Droga = odległość wzdłuŜ toru

równania toru

h(x,y) z

g(x,z) y

f(y,z) x

= = =

Ruch jednostajny prostoliniowy:

vt t

0 vdt s = ∫ =

Ruch jednostajnie zmienny:

( ) at 2

2 t 1 v 0 t

0

dt 0 at

v

s = ∫ + = +

s

t

dt v

v v

dt v s

t 0

2 z 2

y 2

x t

0

∫ + +

=

= ∫ r

(24)

przykład: winda

(25)

Ruch jednostajny po okręgu – przyśpieszenie dośrodkowe

W ruchu jednostajnym krzywoliniowym

:

przyspieszenie a

n

związane ze zmianą kierunku

wektora v

(26)

Ruch przyspieszony krzywoliniowy

przyspieszenie styczne i normalne do toru

a

s

a

n

r(t)

τ - wersor styczny do toru

n - wersor normalny do toru

ρ

2 n

s

n s

a v

dt a dv

a a

=

=

+

= τ n

a

x y

Kiedy kierowca naciska pedał gazu lub hamulca zmienia a

s

, kiedy kręci kierownicą zmienia a

n

ρ - promień

krzywizny toru

(27)

ττττ ττττ

∆φ

ρ

ττττ ∆τ ∆τ ∆τ ∆τ

Przyspieszenie styczne i normalne do toru

(28)

( ) τ τ n τ n τ n τ τ

a φ ρ v ρ 2

a s dt

/ v ds a s

dt v d a s

dt v d dt

dv dt

v

d = + = + = + = +

=

ττττ ττττ

∆φ

przyśpieszenie związane z krzywizną toru jest zawsze do toru prostopadłe!

ρ

ττττ ∆τ ∆τ ∆τ ∆τ

Przyspieszenie styczne i normalne do toru

(29)

Zasada niezaleŜności ruchów: KaŜdy ruch ciała moŜna traktować jako złoŜenie kilku niezaleŜnych ruchów

http://professor.uk.wiley.com/CGI-BIN/LANSAWEB?PROCFUN+PROF1+PRFFN21

(30)

Wektory prędkości i przyspieszenia w rzucie ukośnym

http://www.walter-fendt.de/ph14pl/

(31)

DYNAMIKA

bada związek między czynnikami wywołującymi ruch a własnościami tego ruchu

1.Dopóki wypadkowa sił działająca na fortepian nie zmienia się- fortepian nie spada.

2. Wypadkowa siła działająca na fortepian zmienia stan jego ruchu-nadaje mu przyspieszenie lub opóźnienie.

3.Działanie jednego ciała na drugie towarzyszy zwykle działanie drugiego ciała na pierwsze.

(32)

Prawa dynamiki Newtona

(33)

Zasady dynamiki Newtona

I zasada

Jeśli na ciało nie działają Ŝadne siły, lub działające siły się równowaŜą to ciało nie zmienia stanu

swojego ruchu pozostaje w spoczynku, lub

porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.

Uwagi

1. Układ, w którym spełniona jest I zasada dynamiki nazywa sięukładem inercjalnym 2. KaŜdy układ poruszający się względem układu inercjalnego ze stałąprędkością (stała

wartość i kierunek ) jest teŜukładem inercjalnym.

3. Stany spoczynku oraz ruchu jednostajnego prostoliniowego sąrównowaŜne z punktu widzenie zasad dynamiki

Czy Ziemia jest układem inercjalnym???

(1643-1727)

(34)

Winda porusza się z przyspieszeniem a do góry

ma mg

F N − =

1. W układzie obserwatora zewnętrznego (inercjalnym)

2. W układzie windy

mg F

F netto = N

a przyśpieszenie względem windy a

winda

= 0 II zasada dynamiki nie jest spełniona

winda jest układem nieinercjalnym

(35)

TRANSFORMACJE GALILEUSZA

Układ U’ porusza sięwzględem układu U ruchem jednostajnym prostoliniowym z prędkościąu x

y z

x

y’

z’

U

U’

r

r’

r0

u

' '

' 0

t a a v

u v

v

r r

r

=

=

+

= +

=

d d

t' t

= = + t

=

+

=

' u r r

a ' a

' u v

v

SIŁA

JEST NIEZMIENNIKIEM

TRANSFORMACJI GALILEUSZA (1564-1642)

(36)

u v

v = ' +

(37)

II zasada dynamiki Newtona

Zmiana pędu ciała jest proporcjonalna do siły działającej na to ciało i zachodzi wzdłuŜ kierunku jej działania.

dt p F d

r r

=

v m p r r

=

Kierunek zmiany pędu jest zgodny z kierunkiem działającej siły

WyraŜenie

F r m a r

jest słuszne tylko wtedy, gdy nie zmienia się masa ciała!!

=

(38)

III zasada dynamiki

Oddziaływanie wzajemne dwóch ciał są zawsze równe co do wielkości, ale przeciwnie skierowane

A

B

FAB

FBA

F

AB

= -F

BA

ZałoŜenie-oddziaływania przenosząsięz nieskończonąszybkością -czy to prawda??

Jeśli ciało A działa na ciało B, to ciało B oddziaływuje na A z takąsamąsiłą, ale przeciwnie skierowaną

Obraz

Updating...

Cytaty

Powiązane tematy :