Podstawy fizyki Fizyka I

(1)

1

Fizyka I

Podstawy fizyki

dr hab. inż. Wojciech Wróbel Wydział Fizyki

e-mail: wrobel.studia@gmail.com konsultacje:

Gmach Mechatroniki, pok. 324; po umówieniu mailowym

http://www.if.pw.edu.pl/~wrobel/simr_f1_2019.html

(2)

2

Fizyka 1

Wróbel Wojciech

Przykład

Zdefiniuj przemieszczenie i drogę. Podaj jednostki. Zaznacz na rysunku

przemieszczenie i drogę podczas ruchu ciała z pkt. A do pkt. B.

B

A

(3)

3

Fizyka 1

Przykład

Narysuj poprawnie wszystkie siły działające na kulkę o masie m i promieniu R toczącą się po

równi pochyłej nachylonej pod kątem α

uwzględniając tarcie (współ. tarcia f ). Napisz poprawnie równania II zasady dynamiki dla tej

kulki (ruchu postępowego i obrotowego)

g

R

(4)

4

Fizyka 1

Przykłady

Są pytania o definicje – bo fizyka jest nauką ścisłą Są pytania o zastosowanie w prostych przykładach – bo zastosowanie tego ścisłego języka i

sformułowanych praw fizycznych pozwala opisać

otaczający nas świat!

(5)

5

Fizyka 1

„po co nam fizyka na studiach… ”

• Poznać, zrozumieć otaczający nas świat – nauki podstawowe

• Wykorzystać tę wiedzę o otaczającym nas świecie – nauki stosowane (technika)

Działy fizyki Nauki techniczne

mechanika mechanika (techniczna),...

elektrodynamika elektrotechnika…

termodynamika silniki cieplne, lodówki, procesy chemiczne,...

optyka lasery, holografia, światłowody,...

fizyka jądrowa reaktory atomowe, medycyna (radioterapia),…

mechanika kwantowa szyfrowanie kwantowe, kropki kwantowe,…

fizyka ciała stałego elektronika, półprzewodniki, nadprzewodniki, przewodniki superjonowe, magnetyki,…

(6)

6

Fizyka 1

Nauka - technika

(7)

7

Fizyka 1

„po co nam fizyka na studiach… ”

• Poznać, zrozumieć otaczający nas świat – nauki podstawowe

• Wykorzystać tę wiedzę o otaczającym nas świecie – nauki stosowane (technika)

Działy fizyki Nauki techniczne

mechanika mechanika (techniczna),...

elektrodynamika elektrotechnika…

termodynamika silniki cieplne, lodówki, procesy chemiczne,...

optyka lasery, holografia, światłowody,...

fizyka jądrowa reaktory atomowe, medycyna (radioterapia),…

mechanika kwantowa szyfrowanie kwantowe, kropki kwantowe,…

fizyka ciała stałego elektronika, półprzewodniki, nadprzewodniki, przewodniki superjonowe, magnetyki,…

Przykłady…

Maszyny proste…

Zabawki mechaniczne…

Jak działają, jakie zjawiska czy prawa fizyczne pozwalają

opisać czy zrozumieć?

kolokwium?

(8)

8

Fizyka 1

Zasady zaliczenia

Fizyka 0 (zajęcia wyrównawcze)

Na zajęciach odbędzie się 14 krótkich (5-10min.) kartkówek, ocenianych po 1pkt za kartkówkę.

Każda kartkówka składać się będzie z jednego krótkiego zadania, związanego z tematem poprzednich zajęć.

W ciągu semestru, regularnie przygotowując się do zajęć, można więc uzyskać 14pkt.

Nie przewiduje się popraw kartkówek – liczy się SYSTEMATYCZNOŚĆ

Dodatkowe punkty można uzyskać za rozwiązanie zadania przy tablicy

ale nie więcej niż 4pkt w sumie.

(9)

9

Fizyka 1

Zasady zaliczenia

Fizyka 1

W semestrze odbędą się 2 kolokwia „połówkowe” na wykładach (około 7-8 tygodnia zajęć i na ostatnich zajęciach) po 12 pkt każde.

Wymagane jest uzyskanie przynajmniej 5pkt z każdego kolokwium.

UWAGA! Podczas kolokwium będzie wyznaczony czas ok. 3-5 min., kiedy

będzie można korzystać ze „ściąg” i „przypomnieć” sobie wzory (

może w środku, może na początku jak zobaczycie pytania

). W tym roku tylko własnoręcznie

zrobione notatki!

Punkty uzyskane z „Fizyki 0” (max. 14pkt) sumują się z punktami uzyskanymi z kolokwiów na wykładach (max. 24pkt).

Do zaliczenia przedmiotu „Fizyka 1” należy uzyskać 19 pkt z 38 możliwych.

(10)

10

Fizyka 1

Zasady zaliczenia

EGZAMIN W SESJI

W sesji zimowej odbędzie się egzamin z Fizyki1, który będzie miał formę poprawy 1 i/lub 2 kolokwium z wykładów. Będzie również część

zadaniowa gdzie będzie można poprawić punktację z Fizyki0.

UWAGA! Punkty uzyskane podczas sesji ZASTĘPUJĄ punkty zdobyte w ciągu semestru!

Punktacja: Ocena

0 - 19 2.0

19.1 - 22.7 3.0

22.8 - 26.6 3.5

26.7 - 30.5 4.0

30.6 - 34.4 4.5

34.5 - 38.0 5.0

(11)

11

Fizyka 1

Bibliografia

• David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Podstawy fizyki tom 1,2,3,4,5 , Wydaw. Naukowe PWN,2005.

• Władysław Bogusz, Jerzy Garbarczyk, Franciszek Krok, Podstawy Fizyki , Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997 (lub wydanie nowsze)

• B.M Jaworski, A.A. Dietłaf, Fizyka - poradnik encyklopedyczny, Wydaw. Naukowe PWN,1997 (lub nowsze).

• Jay Orear fizyka tom 1,2 , Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1990,2004

• Fizyka. Repetytorium. Wzory i Prawa z Objaśnieniami Kazimierz Sierański, Piotr Sitarek, Krzysztof Jezierski

• Fizyka. Repetytorium. Zadania z Rozwiązaniami Krzysztof Jezierski, Kazimierz Sierański, Izabela Szlufarska

• Fizyka. Zadania z Rozwiązaniami. Część I i Część II Krzysztof Jezierski, Bogumił Kołodka, Kazimierz Sierański

•

Skrypt dostępny na stronie

(12)

12

Fizyka 1

Program – Fizyka 1

1) Wiadomości wstępne; wielkości fizyczne, układ jednostek SI; układ współrzędnych, operacje na wektorach. Rachunek na jednostkach, szacowanie wielkości fizycznych.

2) Podstawy dynamiki. Równania ruchu. Przemieszczenie, droga, prędkość, przyśpieszenie.

3) Definicja pędu. Zasady dynamiki Newtona. Praca i energia. Definicja i obliczanie pracy

4) Energia potencjalna pola grawitacyjnego i sił sprężystych. Energia kinetyczna. Zasady zachowania energii i pędu w mechanice

5) Ruch obrotowy. Związek wielkości występujących w opisie ruchu obrotowego i postępowego.

Zasada zachowania momentu pędu. Energia ruchu obrotowego.

6) Podstawy hydrostatyki. Pojęcie ciśnienia. Prawo Pascala – zastosowania w urządzeniach hydraulicznych. Prawo Archimedesa, areometr.

7) Podstawy hydrodynamiki, przepływ cieczy, równanie ciągłości i równanie Bernoulliego – sondy prędkości i ciśnienia, pompa wodna, skrzydło. Własności płynów rzeczywistych - opór dynamiczny i współczynnik oporu, efekt Magnusa.

8) Podstawy termodynamiki. Teoria kinetyczna gazu. Temperatura, ciepło, zasady termodynamiki.

Podstawowe przemiany termodynamiczne. Równanie stanu gazu. Cykle termodynamiczne, entropia.

9) Mechanizmy przekazywania ciepła, opór cieplny, zastosowania w izolacji termicznej.

Rozszerzalność cieplna ciał stałych i cieczy.

(13)

13

Fizyka 1

Uwaga

Materiały zamieszczane na stronie to jest tylko materiał pomocniczy i to głównie dla mnie w prowadzeniu wykładu!

Na kolokwium obowiązywać będzie całokształt omawianych zagadnień:

+ to co było na slajdach + to co mówiłem

+ to co na tablicy

(14)

14

Fizyka 1

Metodologia

Eksperymenty często

dają informacje jedynie o pewnej własności

badanego obiektu

(15)

15

Fizyka 1

Metodologia

Staramy się opisać nie tylko te poszczególne cechy,

właściwości obiektu ale również połączyć różne cechy w jeden spójny obraz, model tego

obiektu oraz jeżeli możliwe

zaproponować wyjaśnienie tych

właściwości.

(16)

16

Fizyka 1

Metodologia

Problem Hipoteza

EKSPERYMENT JAKO NARZĘDZIE

WERYFIKACJI

(17)

17

Fizyka 1

Fizyka opiera się na obserwacjach doświadczalnych oraz na pomiarach ilościowych.

Podstawy fizyki

(18)

18

Fizyka 1

Fizyka opiera się na obserwacjach doświadczalnych oraz na pomiarach ilościowych.

Podstawy fizyki

(19)

19

Fizyka 1

Każdy pomiar dowolnej wielkości jest zawsze obarczony

niepewnością pomiarową (błędem pomiarowym).

niepewność 1mm niepewność 0.01mm

Pomiary

Pomiar – porównanie ilościowe ze wzorcem

(20)

20

Fizyka 1

Każdy pomiar dowolnej wielkości jest zawsze obarczony niepewnością pomiarową (błędem pomiarowym).

Niepewność

**niepewność względna 0.05%; 5*10**

^-4

W niektórych pomiarach udaje się osiągnąć niepewności rzędu 10

^-16

Stałe fizyczne

szczególnie ważne wielkości fizyczne

Istotne szczególnie dla weryfikacji praw fizycznych

(21)

21

Fizyka 1

Stałe fizyczne

Nazwa stałej

^Symbol

Wartość

^Jednostka _niepewność^Względna

Prędkość światła w

próżni c 299 792 458

^m·s^-1 (dokładnie)

Stała grawitacji G 6,674 28(67)·10

⁻¹¹ ^m³^·kg⁻¹^·s⁻² ^1,0·10⁻⁴

Stała Plancka h 6,626 068 96(33)·10

⁻³⁴ ^J·s ^5,0·10⁻⁸

Ładunek elementarny e 1,602 176 487(40)·10

⁻¹⁹ ^C ^2,5·10⁻⁸

Masa elektronu m

_e

9,109 382 15(45)·10

⁻³¹ ^kg ^5,0·10⁻⁸

Masa protonu m

_p

1,672 621 637(83)·10

⁻²⁷ ^kg ^5,0·10⁻⁸

Masa neutronu m

_n

1,674 927 211(84)·10

⁻²⁷ ^kg ^5,0·10⁻⁸

Stała Avogadra N

_A

6,022 141 79(30)·10

²³ ^mol⁻¹ ^5,0·10⁻⁸

… … …

^… ^…

(22)

22

Fizyka 1

Oszacuj ilość kroków z Warszawy do Krakowa.

Szacowanie

Szacunkowa odległość z

Warszawy do Krakowa to 300km.

Szacunkowa długość kroku to 80cm.

Dzieląc odległość Warszawa- Kraków przez długość kroku otrzymujemy:

300000m/0.8m=375000=3.75×10⁵ kroków

10

⁵

kroków

(23)

23

Fizyka 1

Oszacuj liczbę stroicieli pianin w Warszawie

1 osoba na 100 ma pianino

w Warszawie mieszka 2×10⁶ osób czyli liczba pianin jest rzędu 2×10⁴

jeden stroiciel może nastroić 3 pianina/dzień czyli około 10³ pianin/rok

średnio pianino stroi się 1 raz/rok liczba stroicieli:

(liczba pianin do nastrojenia)/(liczba pianin, które stroiciele mogą nastroić w ciągu roku) =2×10⁴/ 10³ , czyli 20

Szacowanie

(24)

24

Fizyka 1

Oszacuj liczbę stroicieli pianin w Warszawie 1 osoba na 100 ma pianino

w Warszawie mieszka 2×10⁶ osób czyli liczba pianin jest rzędu 2×10⁴ jeden stroiciel może nastroić 3 pianina/dzień czyli około 10³ pianin/rok średnio pianino stroi się 1 raz/rok

liczba stroicieli: (liczba pianin do nastrojenia)/(liczba pianin, które stroiciele mogą nastroić) =2×10⁴/ 10³ , czyli 20

Szacowanie

(25)

25

Fizyka 1

Pomiary w fizyce

właściwość wielkość fizyczna Jednostka rozmiar

długie – krótkie długość l metr [m]

czas

długo – krótko czas t sekunda [s]

stan termiczny

ciepłe - zimne temperatura T kelwin [K]

prąd elektryczny

duży – mały natężenie prądu I amper [A]

wysokość dźwięku

niski - wysoki częstość f hertz [Hz]

… … …

wielkości fizyczne

• opisują właściwości

• poprzez porównanie ze wzorcem pozwalają

również ilościowo określić tę właściwość

(26)

26

Fizyka 1

Fizyka

• wielkości fizyczne opisują właściwości obiektów i pozwalają również ilościowo porównać te właściwości

• prawa fizyczne formułuje się na podstawie doświadczeń

• wielkością fizyczną jest każda wielkość, która daje się mierzyć czyli porównywać ze wzorcem jednostki tej wielkości

• w definicji wielkości fizycznej zawarte są informacje dotyczące jej pomiaru

• fizyka stosuje matematyczny opis zjawisk („matematyka jest językiem fizyki”)

wielkości fizyczne

dokładnie („ściśle”) zdefiniowane

„empirycznie”

Fizyka jest nauką ścisła i empiryczną

(27)

27

Fizyka 1

• W fizyce istnieje pewna liczba podstawowych wielkości

fizycznych, a pozostałe wielkości są wielkościami zależnymi, pochodnymi.

• Istnienie zasad i praw szczegółowych powoduje wzajemne powiązanie wielkości fizycznych.

• Fizyka opiera się na pewnej minimalnej liczbie praw

podstawowych o charakterze pewników – zasady fizyczne.

• Inne szczegółowe prawa fizyczne wyprowadzamy z zasad fizyki za pomocą modeli fizycznych opisywanych zjawisk.

• Wzorce jednostek fizycznych potrzebne tylko dla wielkości podstawowych.

Fizyka

(28)

28

Fizyka 1

Wielkości fizyczne

Wielkości fizyczne przykłady

Skalarne (są liczbami) Masa m, czas t, temperatura T, energia E, objętość V,

praca W, …

Wektorowe (są wektorami) Położenie 𝒓, prędkość 𝒗, siła 𝑭, …

Tensorowe (są macierzami) Tensor momentu

bezwładności, tensor naprężeń,…

Ԧ

𝑝 = 𝑚 Ԧ 𝑣; 𝐿 = Ԧ𝑟 × Ԧ 𝑝; ΔW=ΔU+Q

(29)

29

Fizyka 1

Wielkości wektorowe

Dodawanie i odejmowanie wektorów

• wektor prędkości łodzi względem brzegu jest sumą wektorów prędkości łodzi względem wody i wektora prędkości wody względem brzegu

• ruch łodzi jest złożeniem dwóch ruchów – ruchu łodzi względem wody i ruchu wody względem brzegu

• będziemy poszukiwać czy da się analizować różne złożone ruchy jako złożenie ruchów prostych

(30)

30

Fizyka 1

Układ odniesienia,

układ współrzędnych

Układ kartezjański (prostokątny) Ԧ𝑟=(x,y) (2D)

Ԧ𝑟=(x,y,z) (3D)

Układ biegunowy (2D) Ԧ𝑟=(r,φ)

Układ sferyczny (3D) Ԧ𝑟=(r,φ,θ)