FIZYKA. Wstęp. Dr inż. Zbigniew Szklarski. Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok

Transkrypt

1 FIZYKA Wstęp Dr inż. Zbigniew Szklarski Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka 1

2 Zasady zaliczenia przedmiotu Obecność i aktywność na zajęciach (wykłady, ćwiczenia, laboratorium) Pozytywna ocena końcowa ( 3.0) z ćwiczeń rachunkowych i laboratorium Jedno zaliczenie poprawkowe! Egzamin pisemny. Na ocenę końcową przedmiotu wpływają wszystkie oceny (egz/ćw/lab: 50/30/20) Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka 2

3 Materiały do wykładu Tekst wykładu dostępny po wykładzie na stronie: PODRĘCZNIKI: 1. D.Halliday, R. Resnick, J.Walker, Podstawy Fizyki, PWN W-wa, 2003 t. 1-5 (w skrócie HRW) 2. C.Kittel, W.D. Knight, M.A. Ruderman Mechanika, PWN W-wa E.M.Purcell, Elektryczność i magnetyzm, PWN W-wa 1971 Laboratorium: A. Zięba, Pracownia Fizyczna, WFiTJ, Skrypt Uczelniany SU 1642, Kraków Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka 3

4 PO CO FIZYKA?? NAUKA PRZYRODNICZA, ZAJMUJĄCA SIĘ BADANIEM NAJBARDZIEJ FUNDAMENTALNYCH I UNIWERSALNYCH WŁAŚCIWOŚCI MATERII I ZJAWISK W OTACZAJĄCYM NAS ŚWIECIE. BADA ELEMENTARNE SKŁADNIKI MATERII I ICH WZAJEMNE, PODSTAWOWE ODDZIAŁYWANIA. UCZY LOGICZNEGO MYŚLENIA. PRÓBUJE ODPOWIEDZIEĆ NA PODSTAWOWE PYTANIE: DLACZEGO.?. Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

5 KILKASET LAT ROZWOJU TEJ NAUKI W JEDEN ROK? KONDENSAT PRAWA OBEJMUJĄCE NASZĄ WIEDZĘ. ALE WIEMY, ŻE NIE ZNAMY JESZCZE WSZYSTKICH PRAW UCZYMY SIĘ ABY JE POPRAWIAĆ. PODSTAWOWA ZASADA: SPRAWDZIANEM WSZELKIEJ WIEDZY JEST EKSPERYMENT. (R.FEYNMAN) CO JEST ŹRÓDŁEM SAMEJ WIEDZY? WYOBRAŹNIA! NIEUSTANNA ZMIANA OBRAZU NASZEGO ŚWIATA. Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

6 IZAAK NEWTON 1687 ZASADY MATEMATYCZNE FILOZOFII NATURALNEJ (1687) PRAWO POWSZECHNEGO CIĄŻENIA m1 m2 F = G 2 r G=(6,6720±0.0041) Nm 2 kg Albert Einstein Szczególna teoria względności (1905) Ogólna teoria względności (1915) Mechanika kwantowa dla mikroświata Teoria grawitacji nauczyła mnie jeszcze jednej rzeczy: nawet z najbogatszego zbioru faktów empirycznych nie można wyprowadzać tak skomplikowanych równań. Teoria może być empirycznie potwierdzona, ale nie istnieje droga od doświadczenia do konstrukcji teorii. Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

7 FUNDAMENTALNE ODDZIAŁYWANIA W PRZYRODZIE: Oddziaływanie fundamentalne Natężenie względne Czas charakterystycz ny w sek. grawitacyjne 5, elektromagnetyczne 7, silne (jądrowe) słabe Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

8 CHARAKTERYSTYKA ODDZIAŁYWAŃ ODDZIAŁYWANIE GRAWITACYJNE: ŹRÓDŁEM POLA GRAWITACYJNEGO JEST MASA GRAWITACYJNA. JEST NAJSŁABSZE ZE WSZYSTKICH ODDZIAŁYWAŃ LECZ DŁUGOZASIĘGOWE. ODGRYWA DECYDUJĄCĄ ROLĘ W ZJAWISKACH ASTRONOMICZNYCH DUŻEJ SKALI (W MAKROŚWIECIE), TWORZY UKŁADY ZWIĄZANE: PLANETARNE, GROMADY GWIAZD, GALAKTYKI. Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

9 CHARAKTERYSTYKA ODDZIAŁYWAŃ ODDZIAŁYWANIE ELEKTROMAGNETYCZNE: WYSTĘPUJE POMIĘDZY ŁADUNKAMI ELEKTRYCZNYMI LUB POMIĘDZY MOMENTAMI MAGNETYCZNYMI. JEST STOSUNKOWO SILNE I DŁUGOZASIĘGOWE. ODGRYWA DECYDUJĄCĄ ROLĘ W MIKROŚWIECIE, W ZJAWISKACH, TAKICH JAK EMISJA I ABSORPCJA ŚWIATŁA, SPRĘŻYSTOŚĆ, TARCIE, SPÓJNOŚĆ; LEŻY U PODSTAW PROCESÓW CHEMICZNYCH I BIOLOGICZNYCH; JEST ODPOWIEDZIALNE ZA WIĄZANIE JĄDER ATOMOWYCH I ELEKTRONÓW W TRWAŁE UKŁADY: ATOMY, CZĄSTECZKI, KRYSZTAŁY. Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

10 PORÓWNANIE: ODDZIAŁYWANIA GRAWITACYJNE ELEKTROSTATYCZNE F g = G m 1 m r 2 2 F e = k q 1 q r 2 2 = q 1 q r 2 2 G=(6,6720±0.0041) Nm 2 kg -2 k 8, Nm 2 C -2 ; 0 =8, C 2 N -1 m -2 UWAGA: stosunek siły oddziaływania elektrostatycznego do siły oddziaływania grawitacyjnego między dwoma elektronami wynosi około !!! Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

11 G=(6,6720±0.0041) Nm 2 kg -2 Przykład k 8, Nm 2 C -2 ; Rozważmy dwie kulki żelazne o masie 1 g każda, umieszczone w odległości 1 m od siebie. Siła oddziaływania grawitacyjnego: F g = 6, N Przypuśćmy, że w obu kulek usuwamy co miliardowy elektron, wobec czego kulki uzyskują pewien ładunek dodatni. Z jaką siłą będą się odpychały kulki? N = /cm 3 ; d = 7,87 g/cm 3 m 1 Objętość kulki V = = = 0,127cm 3 Ilość elektronów w kulce d 7,87 23 n e = N V = 0, n 13 Ilość zabranych elektronów nz = e = 1, Q = n z e = 1, ,6 10 = 2,03 10 C FC = 5, F C = 8, ,03 10 = 37,05 10 Fg ( ) N Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

12 CHARAKTERYSTYKA ODDZIAŁYWAŃ ODDZIAŁYWANIE SILNE (JĄDROWE): WYSTĘPUJE POMIĘDZY SĄSIEDNIMI NUKLEONAMI. JEST KRÓTKOZASIĘGOWE (10-15 M). POWODUJE WIĄZANIE NUKLEONÓW W TRWAŁE STRUKTURY JĄDRA ATOMOWE. POLEGA NA WYMIANIE GLUONÓW MIĘDZY KWARKAMI W HADRONIE (NEUTRONIE LUB PROTONIE). Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

13 CHARAKTERYSTYKA ODDZIAŁYWAŃ ODDZIAŁYWANIE SŁABE: ODPOWIADA ZA ROZPAD (I RADIOAKTYWNOŚĆ). JEST KRÓTKOZASIĘGOWE (<10-18 M). (ODDZ. SILNE:10-15 M) JEST 10 9 RAZY SŁABSZE OD ODDZIAŁYWANIA SILNEGO neutron bozon W - elektron Rozpad β W neutronie zamiana kwarku dolnego na górny i emisja bozonu rozpadającego się na e i ത e proton antyneutrino Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

14 Elektryczność Magnetyzm Światło Rozpad beta Neutrina Protony Neutrony Piony Grawitacja Ziemi Mechanika Nieba 1864 Maxwell Elektromagnetyzm Elektrosłabe oddziaływ. Słabe oddziaływania 1965 Feynman,Gell-Mann 1935 Yukawa Silne oddziaływania Uniwersalna Grawitacja Czasoprzestrzeń Model Standardowy 1973 Gross,Politzer,Wilczek (Nobel 2004) 1687 (Newton) 1971Glashow,Salam,Weinberg 1976 Glashow,Georgi GUT 1916 (Einstein) Ogólna Teoria Względności? Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

15 CZĄSTKI ELEMENTARNE W MODELU STANDARDOWYM W tym modelu mamy: 6 leptonów, 6 kwarków 4 cząstki pośredniczące (messenger particles): wirtualny foton γ, gluon g ciężkie bozony: W (80.4 GeV/c2,±e) Z (91.2 GeV/c2, 0).. Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

16 4 nośniki oddziaływania odpowiadają trzem z czterech fundamentalnych oddziaływań: elektromagnetyczne - wirtualne fotony elektrosłabe bozony W i Z silne oddziaływanie pomiędzy kwarkami, które wiąże hadrony gluony (bez masy) Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

17 Dlaczego cząstki mają masę? Model Standardowy zakłada istnienie kwantowego pola, którego kwantem jest tzw. bozon Higgsa. Masa cząstek jest miarą ich oddziaływania z polem Higgsa. Cząstka Higgsa ma masę ok. 130 m p i jest bardzo nietrwała o jej istnieniu mogą tylko świadczyć produkty jej rozpadu. Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

18 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

19 POMIAR FIZYKA OPIERA SIĘ NA POMIARACH WIELKOŚCI FIZYCZNYCH. KAŻDĄ WIELKOŚĆ FIZYCZNĄ MIERZYMY PORÓWNUJĄC JĄ ZE WZORCEM. MIERZONĄ WIELKOŚĆ WYRAŻAMY W OKREŚLONYCH JEDNOSTKACH. JEDNOSTKA TO NAZWA MIARY DANEJ WIELKOŚCI. Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

20 MIĘDZYNARODOWY UKŁAD JEDNOSTEK SI W 1971 R., NA XIV KONFERENCJI OGÓLNEJ DS. MIAR I WAG DOKONANO WYBORU SIEDMIU PODSTAWOWYCH WIELKOŚCI FIZYCZNYCH (NADAJĄC IM JEDNOSTKĘ), TWORZĄC W TEN SPOSÓB UKŁAD SI (FR. SYSTÈME INTERNATIONALE): DŁUGOŚĆ (METR) CZAS (SEKUNDA) MASA (KILOGRAM) NATĘŻENIE PRĄDU ELEKTRYCZNEGO (AMPER) TEMPERATURA TERMODYNAMICZNA (KELWIN) ILOŚĆ SUBSTANCJI (MOL) ŚWIATŁOŚĆ (KANDELA) Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

21 JEDNOSTKI POCHODNE ZA POMOCĄ JEDNOSTEK PODSTAWOWYCH DEFINIUJE SIĘ WIELE JEDNOSTEK POCHODNYCH: NIUTON (1N), DŻUL (1J), WAT (1W), KULOMB (1C), ITD. Przykład - sprowadzanie jednostek pochodnych do podstawowych : [J] =? na podstawie wzoru: W = F S; z kolei: F = m a więc W = m a S [J] = kg m/s 2 m = kg m 2 /s 2 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

22 PRZEDROSTKI DO TWORZENIA NAZW I SYMBOLI JEDNOSTEK KROTNYCH Mnożnik Przedrostek Symbol Mnożnik Przedrostek Symbol 0,1 = 10-1 decy- d 10 = 10 1 deka- da 0,01 = 10-2 centy- c 100 = hekto h 0,001 = 10-3 mili- m 1000 = 10 3 kilo- k 0,000001=10-6 mikro μ =10 6 mega- M 10-9 nano n 10 9 giga- G piko p tera- T Polecam tabelę 1.2, str.3 HRW I Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

23 CYFRY ZNACZĄCE ZAOKRĄGLAJĄC LICZBĘ 12,3456 DO TRZECH CYFR ZNACZĄCYCH OTRZYMUJEMY: 12,3 taką samą LICZBY 3,14 I 3, MAJĄ ILOŚĆ CYFR ZNACZĄCYCH CZYM RÓŻNIĄ SIĘ LICZBY? 35,6 3,56 0,00356 MAJĄ TĘ SAMĄ LICZBĘ CYFR ZNACZĄCYCH ALE SĄ RÓŻNEGO RZĘDU Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

24 RZĄD WIELKOŚCI RZĄD WIELKOŚCI WYKŁADNIK POTĘGI LICZBY 10 GDY DANĄ WIELKOŚĆ WYRAŻAMY W TEN SPOSÓB, ŻE PRZED POTĘGĄ STOI CYFRA Z ZAKRESU , LICZBY A I B (NP. A>B) SĄ TEGO SAMEGO RZĘDU GDY : A/B < 10 NP. LICZBA LUDNOŚCI POLSKI (38 MLN) I NIEMIEC (82 MLN) SĄ TEGO SAMEGO RZĘDU. ŚREDNICA ATOMU AL (2, M) I JĄDRA (7, M) RÓŻNIĄ SIĘ O.. 5 rzędów wielkości Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

25 PODSUMOWANIE FIZYKA TO WIELKIE TEORIE ALE RÓWNIEŻ EKSPERYMENTY I POMIARY, A WYNIKI POMIARÓW PODAJEMY JAKO ROZSĄDNĄ LICZBĘ, Z ODPOWIEDNIĄ DOKŁADNOŚCIĄ I JEDNOSTKĄ. Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

26 EKSPERYMENT CZYLI LABORATORIUM FIZYCZNE DLA STUDENTÓW Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

27 Cele laboratorium: dydaktyczne: umiejętność samodzielnych pomiarów praktyczne zastosowanie wiedzy oswojenie z nową metodą pracy przygotowanie do prac dyplomowych wychowawcze: samodzielność i jednocześnie praca zespołowa odpowiedzialność umiejętność pracy w zespole Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

28 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

29 Nr Opis ćwiczenia 0 Pomiar rezystancji - wyznaczanie niepewności pomiarowej 1 Współczynnik załamania światła dla ciał stałych 2 Mostek pojemnościowy 3 Rezonans akustyczny 4 Temperaturowy współczynnik rezystancji 5 Efekt Halla 6 Badanie zależności mocy użytecznej od obciążenia 7 Drgania harmoniczne sprężyny 8 Indukcyjność cewki 9 Poziomy energetyczne atomu wodoru. Stała Rydberga 10 Drgania tłumione w obwodzie RLC Instrukcje do ćwiczeń, konspekty, regulamin i harmonogram są dostępne on-line pod adresem: 11 Badanie zjawiska dyfrakcji i polaryzacji światła 12 Współczynnik lepkości Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

30 Samodzielne przygotowanie się do ćwiczenia: Instrukcja zagadnienia teoretyczne związane z wykonywanym ćwiczeniem. Konspekt Ikoną - oznaczone są zagadnienia teoretyczne do samodzielnego przygotowania przed zajęciami Samodzielne wykonanie ćwiczenia: Instrukcja Opis aparatury, wykonania ćwiczenia i opracowania wyników. Konspekt Tabele do wpisania zmierzonych wartości i pola do wpisania obliczonych zgodnie z instrukcją wielkości. Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

31 Instrukcja Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

32 Konspekt Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

33 Model: instrukcja + konspekt Większość prac teoretycznych (wyprowadzanie wzorów, obliczenia niepewności) przed zajęciami Jednolity poziom sprawdzanej wiedzy Lepsze przygotowanie do wykonania ćwiczenia Opracowanie wyników na zajęciach (większa samodzielność) ponoszenie konsekwencji (braku) przygotowania Obsługa pakietu Open Office (darmowy Excel) Brak sprawozdań Samodzielność przygotowania odpytywanie (krótkie) na zajęciach Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

34 ĆWICZENIA Z PODSTAW MECHANIKI, AKUSTYKI I OPTYKI Współczynnik załamania światła dla ciał stałych Nabyte umiejętności: Przeprowadzenie pomiarów Analiza błędów -obliczenia niepewności pomiarowej Współczynnik lepkości Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

35 Drgania harmoniczne sprężyny Rezonans akustyczny Nabyte umiejętności: Analiza błędów -prawo przenoszenia niepewności Przedstawienie wyników wykresy Dopasowanie modelu teoretycznego metoda regresji liniowej Interpretacja wykresów Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

36 Badanie zjawiska dyfrakcji i polaryzacji światła Zagadnienia: fale elektromagnetyczne interferencja fal ugięcie fal polaryzacja fali E-M Nabyte umiejętności: dopasowanie modelu do wyników eksperymentu przedstawienie wyników i modelu na wspólnym wykresie analiza błędów systematycznych Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

37 Ćwiczenia badań własności elektrycznych materiałów Temperaturowy współczynnik rezystancji Nabyte umiejętności: obsługa multimetru (termopara), zasilacza (tryb stałoprądowy) wyznaczanie TWR z definicji przy pomocy analizy danych Cel ćwiczenia: Wyznaczenie temperaturowego współczynnika rezystancji dla: Drut miedziany Rezystor (idealny) Termistor NTC (Fe 2 O 3 ) Zagadnienia: Prawo Ohma Regresja liniowa Termopara Przewodność dla metali i półprzewodników Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

38 Badanie zależności mocy użytecznej od obciążenia Nabyte umiejętności: Obsługa karty pomiarowej (NI) Cel ćwiczenia: badanie nieidealnego źródła SEM wyliczenie oporności wewnętrznej źródła pomiar mocy użytecznej Zagadnienia: Prawo Kirchhoffa Moc wydzielana na obciążeniu Sprawność układu Dopasowanie rezystancyjne Analiza danych przy pomocy pakietu Open Office regresja liniowa, graficzna prezentacja danych Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

39 ĆWICZENIA Z BADANIA WŁASNOŚCI ELEKTROMAGNETYCZNYCH Indukcyjność cewki Nabyte umiejętności: Cel ćwiczenia: Wyznaczanie indukcyjności cewki Pomiar impedancji i rezystancji układu Zagadnienia: Prawo indukcji Faradaya, prawo Ampera (transformator) Zależności prąd-napięcie w rezystorze i cewce, przesunięcie fazowe R, Z, X L, X C, G, S, A Pomiar charakterystyki prąd-napięcie DC i AC Obliczenie reaktancji układu Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

40 Efekt Halla Cel ćwiczenia: Wyznaczenie koncentracji i ruchliwości nośników Zagadnienia: Siła Lorentza, prąd, elektromagnes, hallotrony Nabyte umiejętności: pomiar metodą stałoprądową, analiza zależności liniowych, wyznaczanie stałych materiałowych półprzewodników Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

41 ĆWICZENIE Z FIZYKI ATOMU Poziomy energetyczne atomu wodoru. Stała Rydberga Cel ćwiczenia: Wyznaczenie energii jonizacji atomu wodoru Zagadnienia: widmo emisyjne, skwantowanie poziomów energetycznych atomu Nabyte umiejętności: związki między barwą światła, jego długością i energią, pomiar przy pomocy spektrometru światłowodowego Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka

42 Sam pomiar to za mało! Ważne jest: -opracowanie uzyskanych danych oraz -określenie niepewności pomiarowej. Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka