Upload
vobao
View
229
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
FIZYKA I - Podstawy Fizyki
Wykład:Rajmund Bacewicz, prof. dr hab. p. 325, tel 8628, [email protected]://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
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