FIZYKA FZP Pytania do wykładów. W1-2. Zasady dynamiki Newtona. Zasada zachowania pędu

Transkrypt

1 FIZYKA FZP Tematy wykładów W. 1 Sprawy organizacyjne. 1h W. 1, 2 Zasady dynamiki Newtona. Zasada zachowania pędu. 2h W. 2,3 Praca i energia mechaniczna. Zasada zachowania energii mechanicznej. 2h W. 3,4 Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej. Zasada zachowania momentu pędu. 2h W. 4 Drgania harmoniczne, tłumione, wymuszone 1h W. 5, 6 Ruch falowy 3h W. 6, 7 Pierwsza i druga zasada termodynamiki. 3h W. 8, 9 Oddziaływania grawitacyjne i elektrostatyczne. 3h W. 9 Magnetostatyka 1h W. 10 Indukcja elektromagnetyczna. Fale elektromagnetyczne. Równania Maxwella 2h W. 11 Kinematyka i dynamika relatywistyczna. 2h W. 12,13 Elementy fizyki kwantowej, fizyki atomu i fizyka jądra atomowego 3h W. 13,14 Wybrane zagadnienia fizyki ciała stałego 3h W. 15 Fizyka cząstek elementarnych; elementy astrofizyki. 2h Pytania do wykładów W1-2. Zasady dynamiki Newtona. Zasada zachowania pędu 1. Podaj ścisłe definicje prędkości chwilowej i przyspieszenia chwilowego dla ruchu w trzech wymiarach (3D). 2. Jakie są podstawowe rodzaje ruchu w jednym wymiarze (1D). 3. Napisz zależności położenia, prędkości i przyspieszenia w funkcji czasu dla ruchu jednostajnego i jednostajnie przyspieszonego w 1D. 4. Wyjaśnij różnicę między pojęciami: układ współrzędnych i układ odniesienia. 5. Sformułuj I Zasadę Dynamiki Newtona nie używając pojęcia siły. 6. Korzystając z I Zasady Dynamiki podaj definicję nieinercjalnego układu odniesienia. 7. Podaj definicję siły. 8. Sformułuj II i III Zasadę Dynamiki Newtona. 9. Wymień podstawowe oddziaływania w przyrodzie i uszereguj je ze względu na zasięg; podaj przykłady ich występowania. 10. Co to są siły kontaktowe (podaj przykłady)? które z oddziaływań podstawowych odpowiedzialne są za siły kontaktowe? 11. Co to jest równanie ruchu punktu materialnego i na czym polega rozwiązanie tego równania (podaj przykłady). 12. Co to jest wykres ciała swobodnego w analizie układu mechanicznego (podaj przykłady). 13. Podaj definicję pędu. 14. Sformułuj II Zasadę Dynamiki używając pojęcia pędu. 15. Sformułuj Zasadę Zachowania Pędu dla układu dwóch punktów materialnych. 16. W jaki sposób Zasada Zachowania Pędu wynika z III Zasady Dynamiki. 17. Podaj definicję środka masy układu dwóch punktów materialnych w 1D. 18. Opisz fizykę doskonale niesprężystego, centralnego zderzenia dwóch ciał. W2-3. Praca i energia mechaniczna. Zasada zachowania energii mechanicznej. 1. Podaj definicję pracy elementarnej oraz ogólną definicję pracy na pewnej drodze. 2. Co to jest energia kinetyczna oraz zasada równości pracy siły wypadkowej i zmiany energii kinetycznej. 3. W jakich okolicznościach można stosować pojęcie energii potencjalnej i jak wówczas definiujemy energię potencjalną? 4. Sformułuj zasadę zachowania energii mechanicznej oraz zasadę równości pracy siły zewnętrznej i zmiany energii mechanicznej. 5. Jaką funkcją jest energia potencjalna w jednorodnym polu sił (np. w polu grawitacyjnym przy powierzchni ziemi)? 6. Jaką funkcją jest energia potencjalna w polu siły centralnej 1/r 2 (np. w polu grawitacyjnym Ziemi) 7. Jaką funkcją jest energia potencjalna siły sprężystości F = kx? 8. Opisz fizykę doskonale sprężystego, centralnego zderzenia dwóch ciał. 9. Czy satelita okrążający Ziemię po orbicie ma cały czas taka samą energię mechaniczną? 10. Pokaż jak, korzystając z zasady zachowania energii mechanicznej można obliczyć: prędkość przy powierzchni ziemi ciała spadającego z wieży o wysokości H,

2 prędkość przy powierzchni ziemi ciała spadającego z kosmosu (gdzie miało prędkość 0 względem Ziemi), prędkość w punkcie równowagi kulki zawieszonej na nici o długości l i wychylonej z położenia równowagi o kąt α, prędkość narciarza zjeżdżającego ze stoku o długości l i kącie nachylenia α, prędkość w punkcie równowagi kulki przymocowanej do sprężyny o stałej sprężystość k i wychylonej z punktu równowagi o x. W3-4. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej. Zasada zachowania momentu pędu. 1. Podaj przykłady zjawisk/układów, w których występuje ruch obrotowy. 2. Podaj ogólne definicje momentu siły i momentu pędu. 3. Jak można zapisać II zasadę dynamiki korzystając z wielkości: moment siły i moment pędu (dla pojedynczej cząstki i dla układu cząstek). 4. Sformułuj zasadę zachowania momentu pędu. 5. Podaj przykłady zjawisk, w których ujawnia się zasada zachowania momentu pędu. 6. Podaj przykłady wykorzystania zasady zachowania momentu pędu w technice. 7. Wyjaśnij związek między istnieniem pór roku a zasadą zachowania momentu pędu. 8. Podaj definicję bryły sztywnej. 9. Zdefiniuj moment bezwładności bryły sztywnej względem sztywnej osi. 10. Pokaż analogie między opisem ruchu, dynamiki i energii kinetycznej punktu materialnego w jednym wymiarze i bryły sztywnej wokół sztywnej osi. 11. Na szczycie równi pochyłej ustawiono 3 obiekty: klocek, pełny walec, pusty walec, a następnie uwolniono je. Klocek zsuwa się bez tarcia a walce staczają bez poślizgu. W jakiej kolejności dotrą do końca równi (odpowiedź uzasadnij). W4. Drgania harmoniczne, tłumione, wymuszone 1h 1. Podaj przykłady zjawisk periodycznych w fizyce. 2. Podaj przykłady oscylatorów mechanicznych 0D, 1D, 2D i 3D. 3. Napisz podstawową funkcję opisującą oscylacje i wyjaśnij znaczenie występujących w niej parametrów. 4. Napisz równanie różniczkowe oscylatora harmonicznego. 5. Przeanalizuj układy spełniające równanie różniczkowe oscylatora harmonicznego: masa na sprężynie, wahadło, obwód elektryczny LC. 6. Napisz równanie różniczkowe drgań tłumionych (z siłą tłumiącą proporcjonalną do szybkości) i przedyskutuj (jakościowo) rozwiązania. 7. Podaj przykłady oscylatorów tłumionych. 8. Napisz równanie różniczkowe drgań wymuszonych i przedyskutuj (jakościowo) rozwiązania. 9. Wyjaśnij na czym polega zjawisko rezonansu. 10. Podaj przykłady sytuacji, w których zjawisko rezonansu odgrywa destruktywną rolę. 11. Podaj przykłady zastosowań zjawiska rezonansu w technice. 12. Wyjaśnij znaczenie pojęcia analiza harmoniczna oscylacji. Co to są składowe harmoniczne. W5-6. Ruch falowy 3h 1. Podaj najbardziej ogólną definicję fali. 2. Podaj przykłady fal wraz z opisem ich podstawowych cech. 3. Napisz podstawową funkcję opisującą falę rozchodzącą się w jednym wymiarze i wyjaśnij znaczenie występujących w niej parametrów (amplituda, częstość kołowa, liczba falowa). 4. Co to jest prędkość fazowa fali? 5. Napisz równanie różniczkowe fali w jednym wymiarze. 6. Co mówi zasada superpozycji fal? 7. Jaki jest wynik superpozycji fal biegnących w tym samym kierunku lecz różniących się niewiele częstością? Co to jest prędkość grupowa fali? 8. Jaki jest wynik superpozycji identycznych fal w 1D rozchodzących się w przeciwnych kierunkach? Podaj przykłady takich sytuacji w przyrodzie i technice. 9. Co to jest fala stojąca? Podaj przykłady występowania/wykorzystania zjawiska fali stojącej. 10. Wyjaśnij nas czym polega zjawisko interferencji fal. Co to jest interferencja konstruktywna i destruktywna? 11. Jaki dwa warunki muszą być spełnione aby mogło zajść zjawisko interferencji? 12. Omów doświadczenie Younga, które ujawniło falową naturę światła. 13. Jaka jest różnica między interferencją przez podział czoła fali a interferencją przez podział amplitudy (podaj przykłady).

3 14. Co to jest siatka dyfrakcyjne i jakie ma zastosowania. 15. Wyjaśnij na czym polega zjawisko dyfrakcji fal. Na czym polega negatywny wpływ zjawiska dyfrakcji na działanie przyrządów optycznych? W6-7. Pierwsza i druga zasada termodynamiki. 3h 1. Określ klasę (podaj przykłady) zjawisk/układów, którymi zajmuje się termodynamika. 2. Zdefiniuj liczbę Avogadro. 3. Wyjaśnij sens podstawowych koncepcji termodynamiki: układ, układ izolowany, parametry stanu (objętość, ciśnienie, temperatura), stan równowagi, równanie stanu, funkcja stanu, kontakt termiczny, równowaga termiczna, proces kwazistatyczny (odwracalny). 4. Sformułuj zerową zasadę termodynamiki; podaj definicję temperatury. 5. Podaj fenomenologiczną definicję energii wewnętrznej. 6. Sformułuj I zasadę termodynamiki. 7. Podaj fenomenologiczną definicję entropii, sformułuj II zasadę termodynamiki. 8. Podaj definicję gazu doskonałego. 9. Scharakteryzuj podstawowe przemiany gazu doskonałego z punktu widzenia I zasady termodynamiki. 10. W jakiej przemianie gazu doskonałego entropia nie zmienia się (przemiana izoentropowa)? 11. W jakiej przemianie gazu doskonałego energia wewnętrzna nie zmienia się? 12. W jakiej przemianie gazu doskonałego układ wymienia energię z otoczeniem tylko w postaci ciepła? 13. W jakiej przemianie gazu doskonałego układ wymienia energię z otoczeniem tylko w postaci pracy mechanicznej? 14. Opisz przemiany energii i temperatury przy adiabatycznym rozprężaniu gazu doskonałego do próżni. W8-9. Oddziaływania grawitacyjne i elektrostatyczne. 3h 1. Podaj przyklady zjawisk/doświadczeń, w których ujawnia się oddziaływanie grawitacyjne. 2. Sformułuj prawo powszechnego ciążenia. 3. Opisz ideę pomiaru stałej grawitacyjnej wykonanego przez Cavendisha. 4. Jakie są możliwe trajektorie satelit (planet, komet, asteroid) w polu grawitacyjnym Słońca? 5. Jak korzystając z prawa powszechnej grawitacji oraz znajomości stałej grawitacyjnej można wyznaczyć masę Słońca czy masę Ziemi? 6. Co mówi zasada równoważności? 7. Co mówi zasada superpozycji? 8. Jakim wzorem wyraża się energia potencjalna pola grawitacyjnego planety (gwiazdy)? 9. Jaka jest różnica między siłą grawitacji a ciężarem? Co to jest stan nieważkości, w jakich okolicznościach występuje (podaj przykłady)? 10. Podaj przyklady zjawisk/doświadczeń, w których ujawniają się oddziaływania elektrostatyczne. 11. Sformułuj prawo Coulomba. 12. Na czym polega podobieństwo praw: Coulomba i powszechnego ciążenia? 13. Z jaką siłą (w przybliżeniu) działają na siebie dwa odważniki, każdy o masie 1kg, oddalone od siebie o 1m, a z jaką dwa ładunki 1C oddalone od siebie o 1m? 14. Jaką nazwę nosi jednostka ładunku w układzie SI i jak jest definiowana? 15. Jaka jednostka podstawowa w układzie SI związana jest z elektromagnetyzmem i jak (ogólnie, opisowo) jest definiowana? 16. Podaj definicję wektora pola elektrycznego; czy pole elektryczne to czysto matematyczna konstrukcja czy byt materialny? 17. Podaj wzór na gęstość energii pola elektrycznego. 18. Co to są linie sił pola elektrycznego? W jaki sposób można je wyznaczyć? Czy linie sił pola istnieją w rzeczywistości (czyli istnieją miejsca gdzie linia jest a w innym miejscu jej nie ma)? 19. Jak definiujemy strumień elektryczny? W9. Magnetostatyka 1h 1. Podaj przykłady kilku zjawisk związanych z polem magnetycznym. 2. Co jest klasycznym źródłem pola magnetycznego (w fizyce klasycznej)? 3. W jaki sposób pole magnetyczne powstaje w magnesach trwałych (ferromagnetykach)? 4. Jak siła działa na ładunek poruszający się w polu magnetycznym? Jaki najprostszy argument świadczy o relatywistycznym charakterze pola magnetycznego? 5. Po jakim torze (ogólnie) może poruszać się ładunek w polu magnetostatycznym? 6. Jak siła działa na na element przewodnika z prądem? 7. Jak definiowana jest jednostka pola magnetycznego w układzie SI (Tesla).

4 8. Sformułuj prawo Biota-Savarta. 9. Co to znaczy, że pole magnetyczne jest bezźródłowe i wirowe (wyjaśnij korzystając z pojęcia linii sił pola). 10. Czy pole magnetostatyczne może wykonać pracę nad poruszającym się w nim ładunkiem? 11. Gdzie znajduje się ( w przybliżeniu) południowy biegun magnetyczny Ziemi? 12. Jak zorientowany jest i jaką ma wartość wektor indukcji magnetycznej w pobliżu nieskończonego prostoliniowego przewodnika z prądem? 13. Jaką siłą działają na siebie dwa równoległe prostoliniowe nieskończone przewodniki z prądem? 14. Jak w układzie SI definiuje się jednostkę prądu elektrycznego (opisz ideę wzorca). 15. Jakim wzorem wyraża się pole magnetyczne w nieskończenie długim solenoidzie. W10. Indukcja elektromagnetyczna. Fale elektromagnetyczne. Równania Maxwella. 2h 1. Podaj przykłady zjawisk, w których ujawnia się indukcja elektromagnetyczna. 2. Podaj definicję strumienia magnetycznego. 3. Co to jest siła elektromotoryczna. 4. Sformułuj prawo Faradaya. 5. Co mówi reguła Lenza. 6. Opisz zasadę działania generatora prądu. 7. Opisz zasadę działania transfromatora. 8. Co to są prądy wirowe. 9. Opisz zjawisko lewitacji magnetycznej, jaki ma ono związek z regułą Lenza. 10. Co to jest prąd przesunięcia? 11. Zdefiniuj pojęcia strumienia pola, strumienia pola przez zamkniętą powierzchnię oraz cyrkulacji wektora. 12. Korzystając z pojęcia strumienia pola przez zamkniętą powierzchnię sformułuj prawo Gaussa dla pola elektrycznego. 13. Korzystając z pojęcia strumienia pola przez zamkniętą powierzchnię sformułuj analog prawa Gaussa dla pola magnetycznego. 14. Stosując pojęcie cyrkulacji wektora dla pola magnetycznego sformułuj prawo Ampere a. 15. Stosując pojęcie cyrkulacji wektora dla pola elektrycznego sformułuj prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya. 16. Wyjaśnij sens stwierdzeń: pole elektrostatyczne jest źródłowe i bezwirowe a pole magnetyczne jest jest bezźródłowe i wirowe. 17. Czy pole elektryczne może być wirowe? W11. Kinematyka i dynamika relatywistyczna. 2h 1. Opisz ideę eksperymentu Michelsona-Morleya oraz wyjaśnij jaki był cel tego eksperymentu. 2. Na jakich postulatach oparta jest szczególna teoria względności (postulaty Einsteina)? 3. Wyjaśnij koncepcje czasoprzestrzeni i zdarzenia. 4. Napisz transformacje Lorenza i pokaż jak w granicy małych prędkości przechodzą w transformacje Galileusza. 5. Opisz zjawiska skrócenia Lorenza oraz dylatacji czasu? 6. Wyjaśnij dlaczego zjawisko dylatacji czasu nie łamie zasady względności (pozorny paradoks - bliźniąt). 7. Pokaż na wybranym przykładzie, że przy relatywistyczne składaniu prędkości prędkość światła nie zależy od wyboru układu odniesienia. 8. Jak w szczególnej teorii względności wyrażamy energię całkowitą i pęd relatywistyczny cząstki? 9. Jak w szczególnej teorii względności energia całkowita cząstki zależy od jej pędu i masy spoczynkowej? Jak zależność ta wygląda dla dwóch granicznych przypadków zerowej masy spoczynkowej (foton) i zerowego pędu (energia spoczynkowa)? 10. Wyjaśnij sens energii spoczynkowej oraz równoważności masy i energii w szczególnej teorii względności. W Elementy fizyki kwantowej, fizyki atomu i fizyka jądra atomowego. 3h 1. Na czym polegało załamanie fizyki klasycznej w zjawiskach: widmo promieniowania ciała doskonale czarnego, zewnętrzny efekt fotelektryczny, liniowe widma promieniowania wodoru (i innych pierwiastków). 2. Na jakich założeniach opiera się kwantowa teoria światła (Einsteina) i w jaki sposób tłumaczy zewnętrzny efekt fotoelektryczny oraz widmo promieniowania ciała doskonale czarnego? 3. W jaki sposób odkryte zostało jądro atomowe (eksperyment Rutheforda, 1909)? 4. W jaki sposób odkryto ziarnistość ładunku (ładunek elektronu), (eksperyment Millikana, 1910)? 5. Opisz pierwsze modele atomu. 6. Na jakich postulatach opierał się model atomu wodoru Bohra? 7. Czego dotyczyła hipoteza de Broglie a i jak została potwierdzona doświadczalnie?

5 8. Opisz główne idee mechaniki kwantowej na przykładzie dyfrakcji elektronów na podwójnej szczelinie. 9. Co to jest funkcja falowa i co mówi interpretacja probabilistyczna Borna? 10. Co mówi zasada nieoznaczoności? 11. Napisz równanie Schrödingera niezależne od czasu, co stanowi rozwiązanie takiego równania? 12. Jak jakościowo wyglądają rozwiązania równania Schrödingera dla nieskończonej studni potencjału? 13. Jak jakościowo wyglądają rozwiązania równania Schrödingera dla skończonej studni potencjału, układu dwóch studni, układu wielu studni? 14. Co to jest spin elektronu? 15. Jakie liczby kwantowe opisują elektron w atomie wodoru, i jakie wielkości fizyczne reprezentują? 16. Przedstaw ideę opisu atomu wieloelektronowego, co mówi zakaz Puliego? 17. Na czym polega związek budowy atomu wieloelektronowego z układem okresowym pierwiastków? 18. Z jakich cząstek złożone jest jądro atomowe? 19. Wyjaśnij czym są: liczba atomowa, liczba masowa. 20. Wyjaśnij znaczenie symbolu A Z X (nuklid). 21. Co to są izotopy danego pierwiastka? 22. Ile znanych jest pierwiastków chemicznych, ile izotopów trwałych a ile nietrwałych (promieniotwórczych)? 23. Dlaczego jądro atomowe nie rozpada się mimo silnego odpychania dodatnich protonów? 24. Co to są przemiany jądrowe (promieniotwórczość naturalna sztuczna)? Scharakteryzuj 3 typy przemian jądrowych: α, β, γ. 25. Co to są reakcje jądrowe? 26. Co to są reakcje egzotermiczne i endotermiczne? 27. Na czym polega reakcja rozszczepienia jąder ciężkich np.: U n Ba Kr n + Q lub U n Xe Sr n + Q? 28. Podaj przykłady wykorzystania reakcji rozszczepienia jąder. 29. Na czym polega reakcja termojądrowa, np.: 2 1D T 4 2 He n n eV? 30. Czy reakcje termojądrowe występują w sposób naturalny w przyrodzie? 31. Czy potrafimy sztucznie wywołać reakcję termojądrową, w sposób kontrolowany? W Wybrane zagadnienia fizyki ciała stałego. 3h 1. Jak jest różnica między ciałem amorficznym a krystalicznym? 2. Co to jest monokryształ i polikryształ? 3. Jakie znasz typy wiązań atomów w sieci krystalicznej? Podaj ich krótką charakterystykę. 4. Wyjaśnij jakościowo mechanizm powstawania elektronowej struktury pasmowej w krysztale? 5. Wyjaśnij sens pojęć: pasmo energetyczne, energia wzbroniona elektronów w krysztale. 6. Na czym polega różnica między metalami, półprzewodnikami i dielektrykami z punktu widzenia elektronowej struktury pasmowej. 7. Jakiego typu nośniki prądu występują w półprzewodnikach? 8. Wyjaśnij co to jest półprzewodnik typu n i półprzewodnik typu p. 9. Wyjaśnij co wyraża formuła: σ = enµ e + epµ p, oraz znaczenie symboli w niej występujących? 10. Dlaczego typowo przewodnictwo właściwe półprzewodników rośnie z temperaturą a metali maleje? 11. Dlaczego przewodnictwo półprzewodnika może wzrosnąć pod wpływem oświetlenia? 12. Jakie zjawiska w półprzewodniku są podstawą działania baterii słonecznej i detektora światła? 13. Jakie zjawiska w półprzewodniku są podstawą działania diody świecącej (LED) i lasera półprzewodnikowego? 14. Dlaczego szyba jest przeźroczysta a wypolerowana powierzchnia aluminium tworzy lustro?