FIZYKA I - Podstawy Fizyki

Wykład:Rajmund Bacewicz, prof. dr hab. p. 325, tel 8628, 7267bacewicz@if.pw.edu.plhttp://www.if.pw.edu.pl/~bacewicz/

Ćwiczenia rachunkowe:prof. dr hab. Małgorzata Igalsondr inŜ. Anna Pietnoczkamgr inŜ. Andrzej Kubiaczykdr inŜ. Paweł Zabierowski

PROGRAM WYKŁADU1. 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

Literatura:1.D. Halliday, R. Resnick, J.Walker – „Podstawy Fizyki” PWN 20032. W. Bogusz, J. Garbarczyk, F. Krok, „Podstawy fizyki”, Oficyna

Wydawnicza PW, Warszawa 19993. 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.

Zasady zaliczania:Ćwiczenia rachunkowe z fizyki – 40 pkt.Egzamin - 60 pkt.

Ocena:punkty ocenaΣ 51 - 60 3Σ 61 - 70 3.5Σ 71 - 80 4Σ 81 - 90 4.5Σ 91 - 100 5

Wykład 1Wykład 1

1. WstępCzym zajmuje się fizyka ?

2. Opis ruchu3. Prawa dynamiki

Wykład 1

współautorstwo prezentacji dr hab. Krystyna Pękała

Czym jest fizyka?

Obserwacja i pomiar (doświadczenie) Prawa fizyki – wnioski z obserwacji Modele matematyczne - opis teoretyczny.

Fizyka to podstawowa nauka przyrodnicza. Zajmuje siębadaniem właściwości materii i zjawisk zachodzących we Wszechświecie oraz wykrywaniem ogólnych praw, którym tezjawiska podlegają.

Fizyka jest matką techniki

Jednostki podstawowe układu SI

błąd realizacji wzorca

Wzorce (standardy) jednostek

Kilogram

84 rzędy wielko ści

82 rzędy wielko ści

Jednostki pochodne układu SI

wzorce kwantowe V, Ω

Przedrostki w układzie SI

Analiza wymiarowa

Przykład:

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

βα rva ∝Jakie są wartości wykładników α i β ?

lewa strona prawa strona

[a] = ms−2, (m/s)αmβ = mα+β sβ

→ α + β = 1 i − α = −2.α = 2, β = −1 i a ∼ v2R−1

Wymiary strony lewej i prawej poprawnie sformułowanej równości między wielkościami fizycznymi powinny być takie same

Fundamentalne stałe fizyczne

mierzone z coraz wi ększą dokładno ścią

Językiem fizyki jest matematyka

Wielkości skalarne i wektorowe

Wektory• połoŜenie• prędkość• przyśpieszenie• siła• pęd• moment pędu• itd……

Skalary• droga• masa• czas• energia

Do określenia połoŜenia przestrzeni potrzeba trzech współrzędnych

Wersory (wektory jednostkowe)

[ ]zyx

zyx

zyx

A,A,A

ˆAˆAˆA

ˆAˆAˆAA

=

++=

++=

A

kjiA

kjir

RównowaŜne zapisy wektoraTipler

prostokątny (kartezjański) układ współrzędnych)

Kinematykadział 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.

Wektor poło Ŝenia

Równanie ruchu

r1

r2

∆r12=r2-r1

x

y∆s

Gdy ∆t 0, ∆r12 ∆s

)]t(z),t(y),t(x[)t(r =r

Wektor pr ędkości

],v,v[vdt

dz,

dt

dy,

dt

dx

dt

rdv zy x =

==r

r

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

Warto ść (moduł) wektora prędkości :

Tę wielkość wskazuje prędkościomierz w samochodzie

2z

2y

2x vvvvv ++==r

τrrvv = toru dostyczny wektor gdzieτr

Wektor przyspieszenia

[ ]zyxzyx a,a,a

dt

dv,

dt

dv,

dt

dv

dt

vda ===

rr

W ruchu jednostajnie zmiennym:

consta =r dtavdrr = ∫=∫

t

0

v

vdta

0

vd rr

tav(t)v0

rrr +=v

t

Droga = odległość wzdłuŜ toru

równania toru

h(x,y)zg(x,z)yf(y,z)x

===

Ruch jednostajny prostoliniowy:

vtt

0vdts =∫=

Ruch jednostajnie zmienny :

( ) 2at2

1t0v

t

0dtat0vs +=∫ +=

s

t

dtvvvdtvst

0

2z

2y

2x

t

0∫ ++=∫= r

przykład: winda

Ruch jednostajny po okręgu –przyśpieszenie dośrodkowe

W ruchu jednostajnym krzywoliniowym:

przyspieszenie anzwiązane ze zmianą kierunkuwektora v

Ruch przyspieszony krzywoliniowyprzyspieszenie styczne i normalne do toru

as

an

r(t)

τ - wersor styczny do torun - wersor normalny do toru

ρ

2

n

s

ns

va

dt

dva

aa

=

=

+= nτa

x

y

Kiedy kierowca naciska pedał gazu lub hamulca

zmienia as, kiedy kręci kierownicą zmienia an

ρ - promieńkrzywizny toru

ττττττττ’

∆φ

ρ

ττττ∆τ∆τ∆τ∆τ

Przyspieszenie styczne i normalne do toru

( )nτnτnτ

ττ

τa

ρρφ 2v

sadt

/dsvsa

dt

dvsa

dt

dv

dt

dv

dt

vd +=+=+=+==

ττττττττ’

∆φ

przyśpieszenie związane z krzywizną toru jest zawsze do toru prostopadłe!

ρ

ττττ∆τ∆τ∆τ∆τ

Przyspieszenie styczne i normalne do toru

Zasada niezale Ŝności ruchów : KaŜdy ruch ciała moŜna traktować jako złoŜenie kilku niezale Ŝnych ruchów

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

Wektory pr ędkości i przyspieszenia w rzucie uko śnym

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

DYNAMIKAbada 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 przyspieszenielub opóźnienie.

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

Prawa dynamiki Newtona

Zasady dynamiki Newtona

I zasada

Jeśli na ciało nie działaj ą Ŝadne siły, lub działaj ące siły si ę równowa Ŝą to ciało nie zmienia stanu swojego ruchu pozostaje w spoczynku, lub porusza si ę ruchem jednostajnym prostoliniowym.

Uwagi1. Układ, w którym spełniona jest I zasada dynamiki nazywa si ę układem inercjalnym2. KaŜdy układ poruszaj ący si ę względem układu inercjalnego ze stał ą prędkością (stała

warto ść i kierunek ) jest te Ŝ układem inercjalnym.3. Stany spoczynku oraz ruchu jednostajnego prostoli niowego s ą równowa Ŝne z punktu

widzenie zasad dynamiki

Czy Ziemia jest układem inercjalnym???

(1643-1727)

Winda porusza się z przyspieszeniem a do góry

mamgFN =−

1. W układzie obserwatora zewnętrznego (inercjalnym)

2. W układzie windy

mgFF Nnetto −=a przyśpieszenie względem windy awinda= 0

II zasada dynamiki nie jest spełniona

winda jest układem nieinercjalnym

TRANSFORMACJE GALILEUSZA

Układ U’ porusza się względem układu U ruchem jednostajnym prostoliniowym z prędkością u

x

y

z

x’

y’

z’

U

U’

r

r’

r0

u

'

'

'0

atv

a

uvv

rrr

==

+=

+=

d

d

t'tt

=+=

=+=

u'rr

'aau'vv

SIŁA JEST NIEZMIENNIKIEM TRANSFORMACJI GALILEUSZA

(1564-1642)

uvv ' +=

II zasada dynamiki Newtona

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

dt

pdF

rr

=

vmprr =

Kierunek zmiany p ędu jest zgodny z kierunkiem działaj ącej siły

WyraŜenie jest słuszne tylko wtedy, gdy nie zmienia si ę masa ciała!!amFrr

=

III zasada dynamikiOddziaływanie wzajemne dwóch ciał są zawsze równe co do wielkości, ale przeciwnie skierowane

A

B

FAB

FBA

FAB = -FBA

ZałoŜenie-oddziaływania przenoszą się z nieskończoną szybkością-czy to prawda??

Jeśli ciało A działa na ciało B, to ciało B oddziaływu je na A z tak ą samą siłą, ale przeciwnie skierowan ą