Wykłady z fizyki FIZYKA I

Transkrypt

1 POLITECHNIKA OPOLSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI I LOGISTYKI Instytut Matematyki i Fizyki Katedra Fizyki Wykłady z fizyki FIZYKA I dr Barbara Klimesz Politechnika Opolska Opole University of Technology Wydział InżynierIi Produkcji i Logistyki Faculty of Production Engineering and Logistics

2 SPRAWY ORGANIZACYJNE Warunki zaliczenia (RSPO): 1) zaliczenie wszystkich form zajęć prowadzonych w ramach danego przedmiotu (ćw. i lab.); 2) uzyskanie pozytywnej oceny (min. dst) z egzaminu. Skala ocen stosowana na uczelni: ocena słowna skrót zapis liczbowy bardzo dobry bdb 5,0 dobry plus db plus 4,5 dobry db 4,0 dostateczny plus dst plus 3,5 dostateczny dst 3,0 niedostateczny nd 2,0

3 SPRAWY ORGANIZACYJNE Składanie egzaminu: 1) wszystkie egzaminy muszą się odbyć w czasie sesji egzaminacyjnej ( r r.), określonej w szczegółowej organizacji r. akademickiego 2018/2019; 2) egzamin w formie pisemnej, proponowany termin: r. (środa), godz , s. Oz.208; 3) egzamin poprawkowy pisemny/ustny (w zależności od ilości osób), proponowany termin: r. (środa), godz , s. Oz.208. Wyniki egzaminów zostaną ogłoszone najpóźniej w ciągu 3 dni roboczych od przeprowadzenia ( 17, ust.4 RSPO). Materiały dydaktyczne dotyczące wykładów:

4 ZALECANA LITERATURA R. Resnick, D. Halliday: FIZYKA (tom 1 i 2), PWN Warszawa; J. Massalski, M. Massalska: FIZYKA DLA INŻYNIERÓW (część 1 i 2), WNT Warszawa; J. Orear: FIZYKA (tom 1 i 2), WNT Warszawa; Cz. Bobrowski: FIZYKA - KRÓTKI KURS, WNT Warszawa; M. Skorko: FIZYKA, PWN Warszawa; A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski: WSTĘP DO FIZYKI (tom 1), PWN Warszawa.

5 TEMATYKA WYKŁADÓW Kinematyka i dynamika punktu materialnego. Zasady zachowania w mechanice. Grawitacja. Elementy szczególnej teorii względności. Ruch drgający i falowy. Podstawy termodynamiki. Kinetyczna teoria gazu. Optyka geometryczna. Prawa odbicia i załamania. Fale elektromagnetyczne. Promieniowanie widzialne. Promieniowanie świetlne a zjawiska kwantowo - optyczne. Pole elektryczne i magnetyczne - ruch cząstek naładowanych w polu elektrycznym i magnetycznym.

6 EFEKTY KSZTAŁCENIA (WIEDZA) student ma wiedzę w zakresie fizyki, obejmującą mechanikę, termodynamikę, optykę, elektryczność i magnetyzm, w tym wiedzę niezbędną do zrozumienia podstawowych zjawisk i praw fizycznych występujących w elementach i układach elektronicznych oraz w ich otoczeniu (w, ć) ; student ma uporządkowaną i podbudowaną teoretycznie wiedzę z fizyki przydatną do formułowania i rozwiązywania prostych zadań z zakresu studiowanego kierunku studiów (ć).

7 EFEKTY KSZTAŁCENIA (UMIEJĘTNOŚCI) student potrafi pozyskiwać informacje z literatury i innych źródeł, integrować uzyskane informacje, dokonywać ich interpretacji, a także wyciągać wnioski oraz formułować i uzasadniać opinie (w, ć) ; student potrafi - przy formułowaniu i rozwiązywaniu zadań inżynierskich dostrzegać ich aspekty fizyczne i wykorzystywać poznane metody analityczne (ć) ; student ma umiejętność samokształcenia się (w, ć).

8 EFEKTY KSZTAŁCENIA (KOMPETENCJE SPOŁECZNE) student rozumie potrzebę ciągłego dokształcania się, potrafi inspirować i organizować proces uczenia się innych osób (w, ć) ; student potrafi współdziałać i pracować w grupie, przyjmując w niej różne role (ć) ;

9 FIZYKA JAKO NAUKA Nauka to całokształt wiedzy o przyrodzie będącej uwieńczeniem badań, odkryć, doświadczeń i mądrości wielu pokoleń ludzkich. Fizyka jest nauką przyrodniczą, bada własności świata materialnego oraz zachodzące w nim zjawiska. Zadaniem fizyki jest odkrywanie panującego w przyrodzie porządku oraz formułowanie uniwersalnych praw nim rządzących. Fizyka, opierając się zarówno na pomiarach ilościowych jak i obserwacjach doświadczalnych, zajmuje się najbardziej podstawowymi i ogólnymi właściwościami materii. Teorie fizyczne za pomocą logicznego wnioskowania (dedukcja) pozwalają przewidzieć wyniki przyszłych eksperymentów. Stosując prawa fizyki definiujemy pojęcia fizyczne, których zrozumienie jest konieczne do opisu zjawisk zachodzących w przyrodzie.

10 WIELKOŚCI FIZYCZNE Wyniki doświadczeń, teorie i prawa fizyczne formułujemy i wyrażamy językiem matematyki (ściśle określone wielkości takie jak np.: długość, masa, czas). Określenie tych wielkości polega na zdefiniowaniu pewnego odpowiedniego standardu. Dobry standard musi być zatem powszechnie dostępny i posiadać własność, która może być określona w sposób wiarygodny (pomiary tej samej wielkości robione przez różne osoby i w różnych miejscach muszą dawać ten sam wynik). W fizyce istnieje kilka systemów standardów (układów jednostek) różniących się wyborem wielkości podstawowych i ich jednostek: CGS (centymetr, gram sekunda) - fizyka teoretyczna; CGSES (elektrostatyczny CGS) CGSEM (elektromagnetyczny CGS) nauka o elektryczności Układ Gaussa (mieszany) Od lat 60-tych zaleca się powszechne i ustawowe stosowanie Międzynarodowego Układu Jednostek SI (franc. Système international d unitès).

11 UKŁAD JEDNOSTEK SI Lp. nazwa jednostka wielkość fizyczna 1. metr m długość 2. kilogram kg masa 3. sekunda s czas 4. amper A natężenie prądu elektrycznego 5. kelwin K temperatura 6. kandela cd natężenie światła 7. mol mol ilość materii 8. radian rad kąt płaski 9. steradian sr kąt bryłowy

12 JEDNOSTKI WTÓRNE przedrostek oznaczenie mnożnik eksa E penta P tera T giga G 10 9 mega M 10 6 kilo k 10 3 hekto h 10 2 deka da decy d 10-1 centy c 10-2 mili m 10-3 mikro μ 10-6 nano n 10-9 piko p femto f atto a 10-18

13 WIELKOŚCI SKALARNE I WEKTOROWE Do opisania wielkości skalarnych wystarczy podanie jedynie ich wartości i jednostki (podlegają działaniom zwykłej algebry). W przypadku wielkości wektorowych istotna jest również orientacja przestrzenna. Wektor charakteryzuje długość (wartość), kierunek (prosta na której leży wektor) i zwrot (początek czyli punkt przyłożenia i koniec czyli grot wektora) WEKTOR (definicja) AB AB A Wektorem nazywamy uporządkowaną parę punktów AB, z których pierwszy (A) to początek, drugi (B) - koniec wektora. Odległość między początkiem i końcem wektora nazywamy jego długością. zapis zapis AB AB (wektor) B (dług. wektora)

14 DODAWANIE WEKTORÓW metoda równoległoboku metoda trójkąta a b c b c a dodawanie wektorów jest przemienne a + b = c = b + a

15 dodawanie wektorów jest łączne a + (b + c)= (a + b) + c c c b + c b a + b b a a nie jest ważne w jakiej kolejności dodajemy i jak grupujemy wektory - w obu przypadkach suma jest jednakowa

16 ODEJMOWANIE WEKTORÓW a b c -b odejmowanie wektora to dodawanie wektora przeciwnego a - b = c = a + (-b)

17 SKŁADOWE WEKTORA Dodawanie wektorów metodą graficzną może być trudne; wygodniej jest dodawać wektory po rzutowaniu ich na osie układu współrzędnych (rozkład na składowe). y r y j i φ r r x x r x = r cos φ i r y = r sin φ gdzie: r r 2 2 r x r y (długość wektora) ry tg rx (kąt φ określa kierunek i zwrot wektora) r = ir x + jr y wektor położenia (na płaszczyźnie)

18 W przestrzeni trójwymiarowej (kartezjański układ współrzędnych) każdy dowolny wektor może być zapisany jako suma trzech jego składowych: r = ir x + jr y + kr z z kr z r WERSOR (wektor jednostkowy) - wektor bezwymiarowy o wartości 1 x ir x jr y y i j k 1

19 Dodawanie (odejmowanie) analityczne dowolnych wektorów polega na zsumowaniu (odejmowaniu) współrzędnych przy odpowiednich wektorach kierunkowych. PRZYKŁAD: Znaleźć sumę (różnicę) wektorów a i b opisanych w następujący sposób: a = ia x + ja y + ka z zatem: b = ib x + jb y + kb z c = a ± b = i a x ± b x + j a y ± b y + k a z ± b z

20 ILOCZYN SKALARNY (definicja) Wynikiem mnożenia skalarnego dwóch wektorów jest skalar (liczba). a b = a b cos a, b = c Jeżeli wektory a i b są opisane następująco: a = ia x + ja y + ka z z to: b = ib x + jb y + kb z a b = a x b x + a y b y + a z b z x i k j y przypadki szczególne: gdy φ = 0 o, cosφ = 1, a b = ab (wartość maksymalna); gdy φ = 90 o, cosφ = 0, a b = 0.

21 ILOCZYN WEKTOROWY (definicja) W wyniku mnożenia wektorowego dwóch wektorów otrzymujemy nowy wektor, którego kierunek i zwrot określa reguła prawej ręki lub śruby prawoskrętnej. a b = a b sin a, b = c Jeżeli wektory a i b są opisane: a = ia x + ja y + ka z to: b = ib x + jb y + kb z a b = i a y b z a z b y + j a z b x a x b z + k a x b y a y b x = c przypadki szczególne: gdy φ = 0 o, sinφ = 0, a b = 0; gdy φ = 90 o, sinφ = 1, a b = ab (wartość maksymalna).

22 RUCH (podstawowe pojęcia) Kinematyka dział mechaniki zajmujący się opisem samego ruchu ciał (bez wnikania w przyczyny, które ruch ciał spowodował). Punkt materialny - ciało obdarzone masą, ale nie posiadające objętości, a więc takie, które nie może obracać się ani wykonywać drgań własnych (bardzo użyteczne uproszczenie). Ruch jest to zmiana położenia ciała względem jakiegoś układu odniesienia (pojęcie względne). AB - przemieszczenie s - droga krzywoliniowa

23 PRĘDKOŚĆ ŚREDNIA Prędkość punktu materialnego definiujemy jako zmianę położenia tego punktu w czasie. Prędkość jest wielkością wektorową, ma zatem określoną wartość liczbową i kierunek zgodny z kierunkiem wektora Δr. Wartość liczbowa prędkości wyrażona jest w jednostkach długości podzielonych przez jednostki czasu (np. m/s lub km/h). Prędkość średnia punktu w przedziale czasu t jest zdefiniowana: gdzie: V śr = r t = r 2 r 1 t 2 t 1 = r - wektor przemieszczenia c. przemieszczenie c. czas r 1 i r 2 - wektory położenia w chwili t 1 i t 2

24 PRĘDKOŚĆ CHWILOWA Jeżeli punkt materialny porusza się ze zmienną prędkością (zmienia się wartość, kierunek lub obie te cechy jednocześnie) konieczne jest określenie jego prędkości w dowolnej chwili czasu. Prędkość chwilową liczymy jako: r V ch = lim t 0 t = dr dt = r w ujęciu matematycznym jako pochodną dr/dt Wartość prędkości chwilowej jest zawsze liczbą dodatnią, równą: V V ch dr dt dr Δr

25 PRZYSPIESZENIE ŚREDNIE Przyspieszenie punktu materialnego informuje nas o szybkości zmian jego prędkości w czasie. Przyspieszenie średnie definiujemy jako stosunek zmiany prędkości do odpowiadającego jej przedziału czasu: aśr V t V t Wartość przyspieszenia wyrażana jest w jednostkach prędkości dzielonych przez jednostki czasu (np. m/s 2 lub cm/s 2 ). 2 2 V t 1 1 y A ν 1 t 1 B t 2 ν = ν 2 ν 1 ν 2 ν 2 ν 1 Przyspieszenie jest wielkością wektorową, ma kierunek zgodny z kierunkiem wektora ΔV. x

26 PRZYSPIESZENIE CHWILOWE Jeżeli przyspieszenie punktu materialnego nie jest jednakowe (zmienia się wartość, kierunek lub obie te cechy jednocześnie) należy określić jego przyspieszenie w dowolnej chwili czasu. Przyspieszenie chwilowe liczymy jako granicę właściwą z ilorazu: V a ch = lim t 0 t = dv dt = V w ujęciu matematycznym jako pochodną dv/dt Wartość przyspieszenia chwilowego jest równa: a a ch dv dt UWAGA!!! a ch = a śr, gdy a = const. (prędkość zmienia się jednostajnie w czasie) a = 0, gdy V = const. (wartość i kierunek prędkości są stałe)