Energia określa zdolność ciała do wykonania pracy

PRACA, MOC, ENERGIA

Pracą mechaniczną nazywamy iloczyn wartości siły i wartości przemieszczenia, które nastąpiło zgodnie ze zwrotem działającej siły.

Pracę obliczamy ze wzoru: 𝑊 = 𝐹 ∙ 𝑠 (iloczyn siły i przesunięcia)

Pracę mechaniczną wykonuje się również wtedy, gdy następuje odkształcenie ciała, np. przy rozciąganiu sprężyny.

Jednostką pracy mechanicznej jest 1J (dżul).

Praca ma wartość 1J, kiedy siła 1N działająca na ciało przemieszcza go o 1m, zgodnie z kierunkiem jej działania.

Mocą nazywamy iloraz pracy i czasu, w którym ta praca została wykonana.

Liczymy ją ze wzoru: 𝑃 =^𝑊

𝑡

Jednostką mocy jest 1W (wat). 1 wat to moc urządzenia wykonującego w ciągu sekundy 1J pracy.

Energia określa zdolność ciała do wykonania pracy. Jest źródłem każdego działania.

Jednostką energii jest 1J (dżul).

Gdy ciało wykonuje pracę, traci swoją energię. Gdy praca jest wykonywana nad ciałem, zyskuje ono energię. Przyrost energii ciała jest równy wykonanej nad ciałem pracy: ∆E=W.

Istnieją różne rodzaje energii.

Energię potencjalną ciężkości mają ciała wzniesione na pewną wysokość. Obliczamy ją ze wzoru:

𝐸_𝑃 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ

Energię kinetyczną mają ciała będące w ruchu. Obliczamy ją ze wzoru:

𝐸_𝐾 =𝑚 ∙ 𝑣² 2

Energię potencjalną sprężystości mają ciała, które zostały odkształcone.

Istnieje też wiele innych rodzajów energii jak np. chemiczna, wewnętrzna, jądrowa, elektryczna, promieniowania itd.

Wszystkie zjawiska zachodzą dzięki przemianom energii. Energia jednego rodzaju może się zamieniać w inną, np. podczas spadania swobodnego energia potencjalna ciężkości zamienia się w energię kinetyczną.

Sumę energii kinetycznej i potencjalnej nazywamy całkowitą energią mechaniczną. W układzie izolowanym (czyli nie wymieniającym energii z otoczeniem) całkowita energia mechaniczna nie ulega zmianie.

Stwierdzenie to jest treścią zasady zachowania energii mechanicznej.

Termodynamika

Energia wewnętrzna ciała to suma energii kinetycznych wszystkich cząsteczek, z których zbudowane jest ciało oraz energii potencjalnych związanych z wzajemnym oddziaływaniem tych cząsteczek.

Energia wewnętrzna zależy od temperatury, bo im większa temperatura, tym cząsteczki szybciej się poruszają, więc mają większe energie kinetyczne. Temperatura jest miarą energii kinetycznej cząsteczek.

Jednostką temperatury w układzie SI jest 1K (kelwin). Na co dzień używamy innych jednostek - °C (stopni Celsjusza). 0°C to temperatura zamarzania wody, 0K to tzw. zero absolutne, najniższa możliwa

temperatura. Aby stopnie Celsjusza zamienić na kelwiny, należy do nich dodać 273.

Skoro energia wewnętrzna to suma energii wszystkich cząsteczek, to ciało ma tym większą energię wewnętrzną, z im większej liczby cząsteczek się składa.

Energię wewnętrzną ciała można zwiększyć wykonując nad ciałem pracę lub dostarczając do ciała ciepło.

Ciepło to pewna ilość energii wewnętrznej przekazywanej między ciałami. Ciepło przepływa od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Ciepło może przepływać na trzy sposoby:

przewodnictwa cieplnego, promieniowania i konwekcji.

Konwekcja to proces przekazywania ciepła związany z ruchem materii w gazie lub cieczy, np. unoszenie się do góry ciepłego powietrza.

Przyrost energii wewnętrznej ciała jest równy sumie pracy wykonanej nad ciałem i dostarczonego mu ciepła.

∆U=W+Q Stwierdzenie powyższe nosi nazwę I zasady termodynamiki.

Wraz ze wzrostem temperatury ciała stałe wydłużają się. Zjawisko takie nazywamy rozszerzalnością liniową ciała. Zmiana rozmiarów ciała powoduje też wzrost jego objętości. Spowodowane jest to zwiększaniem się odległości między cząsteczkami, które w wyniku wzrostu temperatury zwiększają swoją energię (ale nie na tyle, aby uległa zniszczeniu struktura ciała stałego). Rozszerzalność liniowa musi być brana pod uwagę przy konstrukcji mostów, szyn kolejowych, linii energetycznych itp., które w czasie upałów zwiększają swoje rozmiary.

Rozszerzalność objętościową wykazują również ciecze i gazy. Zjawisko to wykorzystuje się w termometrach.

Rozszerzalność temperaturowa ciał jest różna w zależności od rodzaju substancji. Największą rozszerzalnością odznaczają się gazy, najmniejszą ciała stałe.

Gdy ciało pobiera ciepło, zwiększa się jego energia wewnętrzna. Ilość ciepła, jaką trzeba dostarczyć ciału o masie m, aby ogrzać je o ∆T, obliczamy ze wzoru:

Q=m∙cw∙∆T Współczynnik cw nazywa się ciepłem właściwym.

Ilość pobranego przez ciało ciepła jest proporcjonalna do przyrostu temperatury ciała i do masy ciała.

Ciepło właściwe określa ilość energii, jaką trzeba dostarczyć, aby zwiększyć temperaturę 1kg danej substancji o 1K (1°C).

Jeśli w układzie izolowanym ciepło przepływa miedzy dwoma ciałami, to możemy zastosować tzw. bilans cieplny, zgodnie z którym ciepło oddane przez ciało o wyższej temperaturze jest równe ciepłu pobranemu przez ciało o niższej temperaturze.

Ta sama substancja może występować w stanie stałym, ciekłym lub gazowym. Stan substancji może się zmieniać w zależności od warunków zewnętrznych.

Topnieniem nazywamy proces przemiany ciała stałego w ciecz. Odwrotne zjawisko nazywamy

krzepnięciem. Temperatura, w której zachodzi proces topnienia nazywa się temperaturą topnienia. Jest ona różna dla różnych substancji. W stałej temperaturze topią się ciała krystaliczne. Podczas topnienia ciał bezpostaciowych ich temperatura ciągle wzrasta, nie widać wtedy wyraźnie granicy zmiany jednego stanu skupienia w drugi. Podczas topnienia ciało pobiera ciepło, a podczas krzepnięcia oddaje je. Dostarczana w czasie topnienia energia jest wykorzystywana do rozrywania wiązań między cząsteczkami (sieci

krystalicznej). Ilość ciepła potrzebną na stopienie ciała obliczamy ze wzoru:

Q=m∙ct

ct to tzw. ciepło topnienia. Ciepłem topnienia nazywamy ilość ciepła potrzebną na stopienie 1 kg substancji.

Parowaniem nazywamy proces przemiany cieczy w gaz, odwrotny proces to skraplanie. Parowanie

zachodzi w każdej temperaturze. Ciecz paruje na swojej powierzchni. W pewnej temperaturze ciecz paruje w całej swojej objętości. Taki proces nazywamy wrzeniem, a temperaturę w której taki proces zachodzi – temperaturą wrzenia.

Podczas parowania ciało pobiera ciepło, podczas skraplania oddaje je. Dostarczane ciepło powoduje wzrost energii cząsteczek, które odrywają się od powierzchni cieczy. Ilość ciepła potrzebną do wyparowania cieczy obliczamy ze wzoru:

Q=m∙cp

cp to tzw. ciepło parowania. Ciepłem parowania nazywamy ilość ciepła potrzebną do wyparowania 1 kg substancji.

Szybkość parowania zależy od rodzaju cieczy, temperatury, ruchu powietrza w otoczeniu parującej cieczy, wilgotności powietrza, wielkości powierzchni swobodnej cieczy.

Ciało stałe może od razu przejść w stan gazowy. Taki proces to sublimacja. Zamiana gazu w ciało stałe to resublimacja.

WŁAŚCIWOŚCI I BUDOWA MATERII

Wszystkie ciała fizyczne znajdują się w jednym z trzech stanów skupienia:

stałym, ciekłym lub gazowym.

W miarę wzrostu temperatury ciało stałe zmienia się w ciecz, a następnie w gaz.

Ciało stałe poznajemy po tym, że ma ustalony kształt i objętość.

Ciecze mają ustaloną objętość i podobnie jak gazy przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują.

Gazy nie mają kształtu, wypełniają całe naczynie, w którym się znajdują.

Wszystkie ciała zbudowane są z atomów – podstawowych składników materii. Atom to najmniejsza część pierwiastka chemicznego, która zachowuje jego właściwości.

Atomy łączą się ze sobą tworząc cząsteczki. Cząsteczki mogą składać się z atomów tego samego pierwiastka lub w atomów różnych pierwiastków.

Jednym z dowodów na istnienie atomów i cząsteczek jest mieszanie się substancji lub rozpuszczanie się substancji stałych w cieczach. Mniejsze cząsteczki wchodzą wtedy w puste miejsca między większymi cząsteczkami drugiej substancji.

Mieszaninę dwóch (lub więcej) substancji, w której gołym okiem nie da się rozróżnić składników nazywamy roztworem.

Proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek nazywamy dyfuzją. Jest ona wynikiem zderzania się cząsteczek będących w chaotycznym ruchu. Najszybciej zachodzi ona w gazach, a najwolniej w ciałach stałych.

Cząsteczki ciał stałych, cieczy i gazów oddziałują na siebie. Takie oddziaływanie nazywamy oddziaływaniem międzycząsteczkowym.

Siły spójności to siły działające między cząsteczkami tej samej substancji. Siły przylegania to siły działające między czekami różnych substancji. Siły spójności i przylegania działają, gdy cząsteczki są w niewielkich odległościach od siebie.

Kleje to substancje, których cząsteczki bardzo silnie oddziałują z cząsteczkami ciał stałych.

Gdy siły przylegania między cząsteczkami cieczy i naczynia są większe od sił spójności między cząsteczkami cieczy, tworzy się menisk wklęsły.

Gdy siły spójności są większe od sił przylegania, powstaje menisk wypukły.

Na powierzchni cieczy istnieje błona powierzchniowa utrzymująca powierzchnię swobodną cieczy.

Powstawanie takiej błony nazywamy napięciem powierzchniowym.

Wśród ciał stałych wyróżniamy ciała sprężyste, plastyczne i kruche.

Sprężystość polega na tym, że jeśli przestaniemy działać siłą, która odkształca ciało, to wróci ono do pierwotnego kształtu.

Plastyczność polega na tym, że ciało nie wraca do pierwotnego kształtu po ustaniu działania siły odkształcającej.

Kruchość polega na tym, że pod wpływem działającej siły ciało ulega zniszczeniu – rozpada się na drobne kawałki.

Odporność ciała na odkształcanie i zarysowania nazywamy twardością.

Właściwości ciał zależą od temperatury – ciała, które są w niższych temperaturach np. kruche, mogą być w wyższych temperaturach ciałami plastycznymi.

Ciała stałe mogą być dobrymi przewodnikami ciepła (np. metale) lub złymi (np. styropian, szkło).

Ciała stałe mogą być dobrymi przewodnikami elektryczności (np. metale) lub izolatorami elektrycznymi (np. porcelana, guma).

Atomy i cząsteczki mogą być uporządkowane przestrzennie, tworząc sieć krystaliczną. Trudno jest zmienić kształt takiego kryształu. Pojedyncze, duże kryształu nazywamy monokryształami, a skupiska złączonych monokryształów nazywamy polikryształami. Gdy cząsteczki nie są uporządkowane ciało stałe nazywamy ciałem bezpostaciowym.

Ciecze nie mają ustalonego kształtu, mają określoną objętość. Trudno jest zmienić objętość cieczy – są mało ściśliwe. Są na ogół złymi przewodnikami ciepła. Elektrolity to ciecze przewodzące prąd elektryczny.

Gazy są złymi przewodnikami ciepła i elektryczności. Łatwo zmienić objętość gazów – można je łatwo sprężać i rozprężać.

Teoria kinetyczno – cząsteczkowa mówi, że cała otaczająca nas materia składa się z atomów i cząsteczek.

Cząsteczki są w ciągłym ruchu. Szybkość ruchu cząsteczek zależy od temperatury.

W ciałach stałych ruch ten ogranicza się do drgań cząsteczek, gdyż oddziaływania między cząsteczkami są bardzo silne.

W cieczach i gazach ruch cząsteczek jest chaotyczny. Siły oddziaływań międzycząsteczkowych w ciałach ciekłych są o wiele mniejsze niż w ciałach stałych, a w gazach są one bardzo słabe. Cząsteczki cieczy i gazów ciągle zderzają się ze sobą.

Masa to wielkość fizyczna, która mówi jak łatwo jest ciało zatrzymać lub wprowadzić w ruch. Określa ona ilość substancji wchodzącej w skład ciała. Jest wielkością niezmienną.

Jednostką masy w układzie SI jest 1kg (kilogram). Przyrządem służącym do pomiaru masy jest waga.

Każde ciało jest przyciągane przez Ziemię siłą grawitacji. Siłę tą nazywamy ciężarem.

Ciężar obliczamy wzorem 𝐹 = 𝑚 ∙ 𝑔

Jednostką ciężaru jest 1 N

Współczynnik g nazywamy przyspieszeniem ziemskim. Ma on wartość w przybliżeniu 𝑔 = 10_𝑘𝑔^𝑁 Gęstość to wielkość fizyczna, która mówi jak bardzo skoncentrowane są cząsteczki. Obliczamy ją jako stosunek masy ciała do jego objętości, czyli ze wzoru:

𝑑 =𝑚 𝑉

Jednostką gęstości jest 1_𝑚^𝑘𝑔₃ (kilogram podzielony przez metr sześcienny).

Gęstość ciał zależy od temperatury, gdyż wraz ze wzrost

Hydrostatyka i aerostatyka

Ciecze i gazy naciskają na ścianki naczynia i na ciała, które się w nich znajdują.

Parcie to siła nacisku wywierana w kierunku prostopadłym na daną powierzchnię.

Ciśnienie to iloraz wartości siły nacisku i pola powierzchni, na którą ta siła działa.

p=F/S

Jednostką ciśnienia w układzie SI jest 1 Pa (paskal). 1 paskal to ciśnienie, jakie wywiera siła 1N naciskająca na powierzchnię 1 m².

1Pa to mała wartość ciśnienia, dlatego często stosujemy jednostki pochodne: hektopaskal 1hPa=100Pa, kilopaskal 1kPa=1000Pa, megapaskal 1MPa=1000000Pa.

Ciśnienie hydrostatyczne to ciśnienie powodowane ciężarem cieczy. Obliczamy je ze wzoru:

p=d∙g∙h

Ciśnienie hydrostatyczne zależy od gęstości cieczy ρ i wysokości słupa cieczy h.

Ciśnienie atmosferyczne to ciśnienie wywierane przez atmosferę na powierzchnię Ziemi. Im wyżej, tym ciśnienie atmosferyczne jest coraz mniejsze. Do pomiaru ciśnienia atmosferycznego służy barometr.

Naczynia połączone to naczynia, w których ciecz może swobodnie przepływać. Poziom jednorodnej cieczy we wszystkich ramionach naczyń połączonych jest zawsze taki sam. Fakt ten wykorzystuje się w wieżach ciśnień, rurkach wodowskazowych, przy budowie śluz.

Prawo Pascala mówi, że ciśnienie wywierane z zewnątrz na ciecz lub gaz jest przekazywane jednakowo we wszystkich kierunkach. Związane jest to z wewnętrzną budową cieczy i gazów. Cząsteczki naciskają na sąsiadujące, te przekazują dalej nacisk swoim sąsiadom i w ten sposób ciśnienie rozchodzi się w całej objętości.

Im bardziej sprężamy gaz tym bardziej rośnie jego ciśnienie.

Maszyną wykorzystującą prawo Pascala jest prasa hydrauliczna (podnośnik hydrauliczny). Naciskając małym tłokiem na ciecz niewielką siłą, można uzyskać dużą siłę działającą na duży tłok.

F1/S1 =F2/S2

Prawo Pascala wykorzystuje się też w hamulcach hydraulicznych, po naciśnięciu pedału hamulca płyn hamulcowy jest tłoczny w stronę tarcz i dociska hamulce do kół.

Jeśli jakieś ciało zanurzymy w cieczy to będzie na niego działać siła wyporu. Nie zależy ona od kształtu ciała, ani od rodzaju materiału, z którego jest wykonane. Ciało zanurzone w cieczy powoduje wyparcie pewnej ilości cieczy (podniesienie jej poziomu). Objętość wypartej cieczy jest taka sama jak objętość zanurzonego ciała.

Prawo Archimedesa mówi, że na każde ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu, która jest zwrócona pionowo w górę i równa co do wartości ciężarowi wypartej cieczy.

Siłę wyporu obliczamy wzorem: Fw=d∙g∙V.

ρ oznacza gęstość cieczy, w której jest zanurzone ciało, V – objętość ciała, która jest zanurzona (czyli objętość wypartej cieczy).

Jeśli gęstość ciała jest większa od gęstości cieczy, ciało tonie. Jeśli gęstość ciała jest mniejsza niż gęstość cieczy, ciało wypływa na powierzchnię. Jeśli gęstość ciała jest równa gęstości cieczy, ciało pływa (tkwi) całkowicie zanurzone pod powierzchnią cieczy.

Prawo Archimedesa obowiązuje również dla gazów.

ELEKTRYCZNOŚĆ

Prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch swobodnych ładunków elektrycznych. Warunkiem przepływu prądu w ośrodku jest istnienie napięcia elektrycznego.

Napięciem elektrycznym nazywamy różnicę potencjałów między dwoma punktami, U=∆V.

Potencjał elektryczny to wielkość fizyczna, która charakteryzuje punkt pola elektrycznego. Potencjał elektryczny jest równy ilorazowi energii potencjalnej ładunku umieszczonego w tym punkcie do wartości tego ładunku:

V = Ep/q

Jednostką potencjału i napięcia elektrycznego jest 1V (wolt). Między dwoma punktami jest napięcie 1V, jeśli przemieszczenie ładunku 1C miedzy tymi punktami wymaga wykonania pracy równej 1J.

Swobodnymi ładunkami – nośnikami prądu elektrycznego – mogą być zarówno ładunki ujemne, jak i dodatnie. W metalach są to elektrony, w cieczach i gazach jony.

Przyjęto umownie, że kierunek prądu jest zgodny z ruchem ładunków dodatnich, czyli od „plusa” do

„minusa”.

Natężeniem prądu nazywamy iloraz ładunku przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu, w którym ten ładunek przepłynął:

I=q/t

Jednostką natężenia prądu jest 1A (amper). Natężenie prądu jest równe 1A, gdy przez poprzeczny przekrój przewodnika przepływa w ciągu 1s ładunek 1C.

Przyrządem służącym do pomiaru natężenia prądu jest amperomierz. Amperomierz zawsze włączamy w obwód szeregowo.

Przyrządem służącym do pomiaru napięcia elektrycznego jest woltomierz. Woltomierz zawsze włączamy równolegle z elementem, na końcach którego mierzymy napięcie.

Aby w przewodniku płynął prąd trzeba zbudować zamknięty obwód elektryczny. Niezbędnym elementem takiego obwodu jest urządzenie będące źródłem napięcia elektrycznego, np. ogniwo, bateria, akumulator itp.

Obwód elektryczny przedstawiamy graficznie w postaci schematu elektrycznego, rysując jego poszczególne elementy za pomocą specjalnych symboli.

Każdy przewód elektryczny w obwodzie nazywamy gałęzią obwodu, a punkt do którego dochodzą co najmniej 3 przewody – węzłem.

I prawo Kirchhoffa mówi, że suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów z niego wypływających.

Prąd elektryczny może płynąć nie tylko w ciałach stałych, ale też w cieczach i gazach. Swobodnymi ładunkami, których przepływ stanowi prąd elektryczny w cieczach i gazach są jony.

Ciecz przewodzącą prąd nazywamy elektrolitem. Elektrolity to wodne roztwory kwasów, zasad i soli. Pod wpływem wody, związki te ulegają dysocjacji, czyli rozpadają się na jony dodatnie (kationy) i ujemne (aniony).

Elektrolity można wykorzystać do budowy ogniw. Ogniwo to układ złożony z dwóch płytek zanurzonych w elektrolicie. Wskutek pewnych procesów chemicznych, między płytkami (elektrodami) wytwarza się różnica potencjałów, zatem ogniwo może stanowić źródło napięcia w obwodach elektrycznych.

Akumulator to ogniwo, które po rozładowaniu (zamianie energii chemicznej w elektryczną) można ponownie naładować (zamieniając energię elektryczną w chemiczną).

Aby w gazach płynął prąd, gaz ten musimy zjonizować, czyli wytworzyć w nim jony. Czynnikiem jonizującym gaz może być np. wysoka temperatura, wysokie napięcie elektryczne, promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie kosmiczne. Przykładem przepływu ładunków elektrycznych przez gaz jest wyładowanie atmosferyczne (piorun) zachodzące w czasie burzy.

Przepływ prądu w gazach wykorzystywany jest w świetlówkach.

Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia między jego końcami.

Stwierdzenie to nosi nazwę prawa Ohma.

Oporem elektrycznym (rezystancją) przewodnika nazywamy iloraz napięcia przyłożonego do jego końców i natężenia prądu płynącego przez przewodnik.

R=U/I

Jest to wielkość fizyczna, określająca zdolność ciała do „przeciwstawiania się” przepływowi prądu.

Jednostką oporu elektrycznego jest 1Ω (om). Przewodnik ma opór 1Ω, jeśli przyłożone do jego końców napięcie 1V wywołuje przepływ prądu o natężeniu 1A.

Opór elektryczny zależy od rodzaju substancji, z której zbudowany jest przewodnik, jego długości (im dłuższy przewodnik tym ma większy opór) oraz pola przekroju poprzecznego (im grubszy przewodnik tym mniejszy jest jego opór). Nie zależy od przyłożonego napięcia.

R=ρ∙l/s

Współczynnik ρ nazywa się oporem właściwym i jest wielkością stałą w danej temperaturze dla danego materiału.

Opór elektryczny zależy też od temperatury (opór przewodników rośnie wraz ze wzrostem temperatury).

Energię elektryczną można otrzymać z różnych form energii, np. z energii chemicznej (ogniwa,

akumulatory), słonecznej (fotoogniwa), kinetycznej (turbina obracająca prądnicę), potencjalnej (spadająca woda w elektrowni wodnej), wewnętrznej (termoogniwo).

Prąd elektryczny płynący w przewodniku wykonuje pracę. Obliczamy ją ze wzoru: W=U∙I∙t.

W różnych urządzeniach ta praca zamienia się na różne formy energii: ciepło (żelazko, grzałka), pracę mechaniczną (silnik elektryczny), energię promieniowania (żarówki). Ilość zużytej przez urządzenie energii elektrycznej (pracy wykonanej przez prąd w tym urządzeniu) zwykle podaje się w kWh (kilowatogodzinach).

1kWh = 3 600 000 J.

Moc urządzenia pobierającego energię elektryczną można wyliczyć ze wzoru: P=U∙I.

Odbiorniki energii elektrycznej (oporniki) można ze sobą łączyć szeregowo lub równolegle.

Przy łączeniu szeregowym, przez wszystkie odbiorniki płynie prąd o takim samym natężeniu. Napięcie między końcami całego układu jest równe sumie napięć między końcami poszczególnych oporników.

Całkowity opór układu, zwany oporem zastępczym, jest równy sumie oporów poszczególnych elementów.

Przy łączeniu równoległym, napięcie między końcami poszczególnych elementów jest takie samo.

Natężenie prądu płynącego w głównym przewodzie jest sumą natężeń prądów płynących przez

poszczególne odbiorniki. Odwrotność oporu zastępczego oporników jest równa sumie odwrotności poszczególnych oporów.

W domowej sieci elektrycznej jest tzw. napięcie przemienne, które ulega ciągłej, cyklicznej zmianie od – 325V do 325V. Prąd płynący w odbiornikach włączonych do takiej sieci ma moc taką, jakby były one włączone do sieci napięcia stałego wynoszącego 230V. Wartość tą nazywamy napięciem skutecznym.

Odbiorniki energii w sieci domowej połączone są równolegle. Aby zapobiegać zwarciom, przepaleniom się przewodów, w domowej instalacji stosuje się bezpieczniki. Przerywają one dopływ prądu w

niebezpiecznych sytuacjach.

Prąd elektryczny może być groźny dla człowieka. Przy kontakcie ciała człowieka z dużym napięciem może nastąpić przepalenie skóry, skurcze mięśni, wzrost ciśnienia krwi i porażenie układu oddechowego, co może prowadzić do śmierci. Dlatego należy zachować szczególną ostrożność przy obchodzeniu się z urządzeniami elektrycznym.

Optyka

Światło jest falą elektromagnetyczną o długości od 380 do 780 nm, czyli o częstotliwości od 3,8•10¹⁴ Hz do 7,9•10¹⁴ Hz. Fale różniące się długością różnią się barwą. Najkrótsze fale świetlne mają barwę fioletową, najdłuższe – czerwoną. Prędkość światła w próżni, którą oznaczamy literą c, jest największą znaną prędkością we Wszechświecie.

Promieniowanie elektromagnetyczne (więc również i światło) przenosi energię. Źródłem światła są wszystkie ciała wysyłające promieniowanie widzialne. Mogą to być źródła naturalne (Słońce, gwiazdy, błyskawica) oraz sztuczne, wytworzone przez człowieka (żarówka, świeczka).

W jednorodnym optycznie ośrodku światło rozchodzi się prostoliniowo. Linię wyznaczającą kierunek rozchodzenia się światła nazywamy promieniem światła.

Skutkiem prostoliniowego rozchodzenia się światła jest zjawisko cienia i półcienia.

Cień to obszar oświetlanej powierzchni, do której nie dochodzi światło. Na drodze wiązki światła znajduje się nieprzezroczysta przeszkoda uniemożliwiająca promieniom świetlnym dotarcie do danej powierzchni.

Jeśli na przedmiot pada światło z dwóch źródeł lub źródło światła ma duże rozmiary, to za tym przedmiotem jest obszar oświetlony tylko przez jedno źródło lub część źródła. Taki obszar nazywamy półcieniem.

Zaćmienie Księżyca ma miejsce, gdy Słońce, Ziemia i Księżyc ustawią się w jednej linii. Ziemia przesłania wtedy promienie słoneczne i nie docierają one do Księżyca. Gdy Księżyc znajdzie się w cieniu Ziemi, obserwujemy całkowite zaćmienie Księżyca.

Zaćmienie Słońca ma miejsce, gdy Słońce, Księżyc i Ziemia ustawią się w jednej linii tak, że Księżyc przesłoni część promieni słonecznych docierających do Ziemi. Pewien obszar na powierzchni Ziemi znajdzie się wtedy w cieniu Księżyca – na tym obszarze obserwowane będzie całkowite zaćmienie Słońca, a w obszarze

półcienia –zaćmienie częściowe.

Światło ulega odbiciu, gdy natrafi na jakąś przeszkodę. Najlepiej odbijają światło gładkie, wypolerowane powierzchnie.

Kątem padania nazywamy kąt między promieniem padającym na powierzchnię odbijającą, a prostą prostopadłą (normalną) do tej powierzchni.

Kątem odbicia nazywamy kąt między promieniem odbitym od powierzchni odbijającej, a prostą prostopadłą (normalną) do tej powierzchni.

Prawo odbicia mówi, że kąt padania jest równy kątowi odbicia i promień padający, odbity oraz normalna leżą w jednej płaszczyźnie.

Jeśli światło pada na nierówną, chropowatą powierzchnię, to promienie (zgodnie w prawem odbicia) odbijają się każdy w innym kierunku. Światło ulega wtedy rozproszeniu.

Zwierciadłem nazywamy gładką powierzchnię odbijającą światło. Ze względu na kształt wyróżniamy zwierciadła płaskie i kuliste.

W zwierciadłach płaskich zawsze powstają obrazy tej samej wielkości, proste i pozorne. Obrazu pozornego nie da się otrzymać na ekranie. Powstaje w wyniku przecięcia się przedłużeń promieni odbitych od

powierzchni zwierciadła.

Zwierciadło kuliste to takie, którego powierzchnia odbijająca jest częścią powierzchni kuli. Jeśli promienie odbijają się od wewnętrznej powierzchni kuli to zwierciadło nazywamy wklęsłym, jeśli od zewnętrznej – wypukłym.

Jeśli na zwierciadło kuliste wklęsłe pada wiązka promieni równoległych do osi optycznej, to po odbiciu wszystkie promienie przecinają się w jednym punkcie zwanym ogniskiem zwierciadła (oznaczamy go literą F). Punkt ten leży w połowie promienia zwierciadła. Odległość ogniska od zwierciadła nazywamy

ogniskową zwierciadła (f)

f=r/2

Zwierciadło kuliste daje obrazy rzeczywiste lub pozorne w zależności od położenia przedmiotu. Obraz rzeczywisty powstaje na przecięciu się promieni odbitych od zwierciadła. Można zobaczyć go na ekranie.

Obraz może być powiększony lub pomniejszony. Powiększeniem nazywamy iloraz wielkości obrazu do wielkości przedmiotu. Można go też policzyć ze wzoru: p=y/x , gdzie

x – odległość przedmiotu od zwierciadła y – odległość obrazu od zwierciadła W zwierciadłach kulistych wklęsłych:

– jeśli przedmiot jest w odległości większej niż promień krzywizny (x>r), to otrzymujemy obraz rzeczywisty, odwrócony i pomniejszony,

– jeśli przedmiot jest w odległości większej niż ogniskowa, ale mniejszej niż promień krzywizny (r>x>f), to otrzymujemy obraz rzeczywisty, odwrócony i powiększony,

– jeśli przedmiot jest w ognisku (x=f), to obraz nie postaje,

– jeśli przedmiot jest w odległości mniejszej niż ogniskowa (x<f), to otrzymujemy obraz pozorny, prosty i powiększony.

W zwierciadłach wypukłych, które wiązkę promieni zamieniają po odbiciu w wiązkę rozbieżną, zawsze powstaje obraz pozorny, prosty i pomniejszony.

Załamanie światła to zmiana kierunku rozchodzenia się światła przy przejściu z jednego do drugiego ośrodka. Kąt między promieniem padającym a prostopadłą do granicy ośrodków nazywamy kątem padania, kąt między promieniem załamanym a prostopadłą do granicy ośrodków nazywamy kątem załamania. Kąt padania i kąt załamania nie są sobie równe. Promień padający, promień załamany i prosta prostopadła do granicy ośrodków leżą w jednej płaszczyźnie.

Jeśli światło przechodzi do ośrodka optycznie gęstszego to kąt załamania jest mniejszy od kąta padania (promień załamuje się do normalnej).

Jeśli światło przechodzi do ośrodka optycznie rzadszego, to kąt załamania jest większy od kąta padania (promień załamuje się od normalnej). Przy pewnym kącie padania, kąt załamania może być równy 90°. Taki kąt padania nazywamy kątem granicznym. Gdy kąt padania jest większy od granicznego, promień nie przechodzi do drugiego ośrodka, tylko ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. Zjawisko to wykorzystuje się m.in. w światłowodach.

Światło nie załamuje się padając prostopadle na granice ośrodków.

Światło przechodząc do innego ośrodka zmienia swoją prędkość i długość, nie zmienia się natomiast jego częstotliwość. Iloraz prędkości rozchodzenia się światła w obu ośrodkach nazywamy współczynnikiem załamania drugiego ośrodka względem pierwszego: n(2,1)=V1/V2 .

Pryzmat to bryła z przezroczystego materiału w kształcie graniastosłupa o podstawie trójkątnej. Światło przechodząc przez pryzmat ulega dwukrotnemu załamaniu na jego ściankach.

Światło lasera jest światłem monochromatycznym (jednobarwnym), o jednej określonej długości. Światło białe składa się z wielu barw, przypisanych falom o różnych długościach. Gdy światło białe przechodzi przez pryzmat ulega rozszczepieniu. Fale o różnych długościach, które w próżni mają taką samą prędkość, w innym ośrodku mają różne prędkości, dlatego załamują się pod różnymi kątami. Najbardziej załamuje się fala fioletowa, najmniej czerwona.

Oglądając świat dostrzegamy przedmioty w różnych kolorach. Dzieje się tak dlatego, że ciała odbijają tylko fale określonej barwy, a resztę pochłaniają. Ciało białe odbija wszystkie barwy, ciało niebieskie odbija tylko falę niebieską, ciało czarne pochłania wszystkie barwy, ciało przezroczyste przepuszcza światło.

Barwy: czerwona, zielona i niebieska są przyjmowane za barwy podstawowe. Nakładając światła o tych barwach możemy trzymać inne, dowolne barwy. Barwy dopełniające to dwie barwy, które połączone ze sobą dadzą kolor biały.

Soczewka to przyrząd służący do skupiania lub rozpraszania światła. Promień świetlny przechodząc przez soczewkę ulega dwukrotnemu załamaniu.

Ze względu na kształt wyróżniamy soczewki: dwuwypukłe, płasko-wypukłe, wklęsło-wypukłe, dwuwklęsłe, płasko-wklęsłe i wypukło-wklęsłe.

Soczewki grubsze pośrodku niż na brzegach są skupiające, a grubsze na brzegach niż pośrodku są rozpraszające.

Równoległa wiązka światła przechodząc przez soczewkę skupiającą, skupia się w jednym punkcie zwanym ogniskiem (F). Odległość ogniska od soczewki to ogniskowa (f). Soczewka ma dwa ogniska leżące

symetrycznie po obu jej stronach.

W zależności od położenia przedmiotu, w soczewce mogą powstawać różne obrazy:

– jeśli przedmiot jest w odległości większej niż podwojona ogniskowa (x>2f), to otrzymujemy obraz rzeczywisty, odwrócony i pomniejszony,

– jeśli przedmiot jest w odległości większej niż ogniskowa, ale mniejszej niż podwojona ogniskowa (2f>x>f), to otrzymujemy obraz rzeczywisty, odwrócony i powiększony,

– jeśli przedmiot jest w ognisku (x=f), to obraz nie postaje,

– jeśli przedmiot jest w odległości mniejszej niż ogniskowa (x<f), to otrzymujemy obraz pozorny, prosty i powiększony.

Podobnie jak w przypadku zwierciadeł powiększenie liczymy ze wzoru: p=y/x.

Soczewka rozpraszająca ma dwa ogniska pozorne. Przecinają się w nich przedłużenia promieni załamanych w soczewce, które przed przejściem przez soczewkę biegły równolegle. Ogniskową soczewki rozpraszającej przyjmujemy za ujemną.

W soczewkach rozpraszających zawsze powstaje obraz pozorny, prosty i pomniejszony.

Zdolność skupiająca soczewki to odwrotność ogniskowej: Z=1/f. Jednostką zdolności skupiającej jest 1D (dioptria). Soczewki rozpraszające mają zdolność skupiającą ujemną.

Zdolność skupiającą układu cienkich soczewek położonych bardzo blisko siebie obliczamy jako sumę zdolności skupiających poszczególnych soczewek.

Częścią oka człowieka jest soczewka. Skupia ona promienie świetlne tak, aby obraz powstał na siatkówce.

Jest to obraz odwrócony i pomniejszony.

Soczewka oka ludzkiego ma zdolność do akomodacji, czyli zmiany ogniskowej. Umożliwia to ostre widzenie przedmiotów zarówno bardziej jak i mniej odległych od oka.

Wadami wzroku jest krótkowzroczność i dalekowzroczność. W oku krótkowidza ostry obraz powstaje przed siatkówką, więc na siatkówce jest nieostry. Wzrok krótkowidza koryguje się soczewkami

rozpraszającymi (o ujemnej zdolności skupiającej). W oku dalekowidza ostry obraz powstaje za siatkówką.

Dalekowzroczność koryguje się soczewkami skupiającymi (o dodatniej zdolności skupiającej).

Soczewki wykorzystywane są w różnych przyrządach optycznych. Najpopularniejsze to lupa, luneta i mikroskop.

Lupa to soczewka o niewielkiej ogniskowej służąca do oglądania małych przedmiotów. Oglądany przedmiot umieszcza się tuż przed ogniskiem lupy.

Luneta służy do oglądania bardzo odległych przedmiotów. Składa się z dwóch soczewek: obiektywu i okularu ustawionych tak, aby pokrywały się ogniskami. Obraz w obiektywie powstaje w takim miejscu, aby jego odległość była mniejsza od jego ogniskowej okularu. Okular działa zatem jak lupa.

Mikroskop służy do oglądania bardzo małych przedmiotów. Podobnie jak luneta składa się z obiektywu i okularu. Przedmiot ustawia się tuż za ogniskiem obiektywu. Powiększony i odwrócony obraz tworzony przez obiektyw, zostaje dodatkowo powiększony przez okular.

PROSZĘ ZAPOZNAĆ SIĘ Z OBRAZAMI POWSTAJĄCMI W SOCZEWKACH I W ZWIERCIADŁACH!

(PODRĘCZNIK)