Wydział Fizyki konsultacje: Gmach Mechatroniki, pok. 333; środa i po umówieniu mailowym

Transkrypt

1 Fizyka I Podstawy fizyki dr hab. inż. Wojciech Wróbel Wydział Fizyki wrobel.studia@gmail.com konsultacje: Gmach Mechatroniki, pok. 333; środa i po umówieniu mailowym 1

2 Zasady zaliczenia Fizyka 0 (zajęcia wyrównawcze) Na zajęciach odbędzie się 14 krótkich (5-10min.) kartkówek, ocenianych po 1pkt za kartkówkę. Każda kartkówka składać się będzie z jednego krótkiego zadania, związanego z tematem poprzednich zajęć. W ciągu semestru, regularnie przygotowując się do zajęć, można więc uzyskać 14pkt. Nie przewiduje się popraw kartkówek liczy się SYSTEMATYCZNOŚĆ Dodatkowe punkty można uzyskać za rozwiązanie zadania przy tablicy ale nie więcej niż 4pkt w sumie. 2

3 Zasady zaliczenia W semestrze odbędą się 2 kolokwia połówkowe na wykładach (około 7-8 tygodnia zajęć i na ostatnich zajęciach) po 12 pkt każde. Wymagane jest uzyskanie przynajmniej 5pkt z każdego kolokwium. UWAGA! Na kolokwium nie można korzystać z żadnych pomocy (jak to było w poprzednich latach), ale podczas kolokwium będzie wyznaczony czas ok.5 min, kiedy będzie można korzystać z dowolnych ściąg i przypomnieć sobie wzory. Punkty uzyskane z Fizyki 0 (max. 14pkt) sumują się z punktami uzyskanymi z kolokwiów na wykładach (max. 24pkt). Do zaliczenia przedmiotu należy uzyskać 19 pkt z 38 możliwych. 3

4 Zasady zaliczenia EGZAMIN W SESJI W sesji zimowej odbędzie się egzamin z Fizyki1, który będzie miał formę poprawy 1 i/lub 2 kolokwium z wykładów. Będzie również część zadaniowa gdzie będzie można poprawić punktację z Fizyki0. UWAGA! Punkty uzyskane podczas sesji ZASTĘPUJĄ punkty zdobyte w ciągu semestru! Punktacja: Ocena

5 Bibliografia David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Podstawy fizyki tom 1,2,3,4,5, Wydaw. Naukowe PWN,2005. Władysław Bogusz, Jerzy Garbarczyk, Franciszek Krok, Podstawy Fizyki, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997 (lub wydanie nowsze) B.M Jaworski, A.A. Dietłaf, Fizyka - poradnik encyklopedyczny, Wydaw. Naukowe PWN,1997 (lub nowsze). Jay Orear fizyka tom 1,2, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1990,2004 Fizyka. Repetytorium. Wzory i Prawa z Objaśnieniami Kazimierz Sierański, Piotr Sitarek, Krzysztof Jezierski Fizyka. Repetytorium. Zadania z Rozwiązaniami Krzysztof Jezierski, Kazimierz Sierański, Izabela Szlufarska Fizyka. Zadania z Rozwiązaniami. Część I i Część II Krzysztof Jezierski, Bogumił Kołodka, Kazimierz Sierański Skrypt dostępny na stronie 5

6 Program 1) Wiadomości wstępne; wielkości fizyczne, układ jednostek SI; układ współrzędnych, operacje na wektorach. Rachunek na jednostkach, szacowanie wielkości fizycznych. 2) Podstawy dynamiki. Równania ruchu. Przemieszczenie, droga, prędkość, przyśpieszenie. 3) Definicja pędu. Zasady dynamiki Newtona. Praca i energia. Definicja i obliczanie pracy 4) Energia potencjalna pola grawitacyjnego i sił sprężystych. Energia kinetyczna. Zasady zachowania energii i pędu w mechanice 5) Ruch obrotowy. Związek wielkości występujących w opisie ruchu obrotowego i postępowego. Zasada zachowania momentu pędu. Energia ruchu obrotowego. 6) Podstawy hydrostatyki. Pojęcie ciśnienia. Prawo Pascala zastosowania w urządzeniach hydraulicznych. Prawo Archimedesa, areometr. 7) Podstawy hydrodynamiki, przepływ cieczy, równanie ciągłości i równanie Bernoulliego sondy prędkości i ciśnienia, pompa wodna, skrzydło. Własności płynów rzeczywistych - opór dynamiczny i współczynnik oporu, efekt Magnusa. 8) Podstawy termodynamiki. Teoria kinetyczna gazu. Temperatura, ciepło, zasady termodynamiki. Podstawowe przemiany termodynamiczne. Równanie stanu gazu. Cykle termodynamiczne, entropia. 9) Mechanizmy przekazywania ciepła, opór cieplny, zastosowania w izolacji termicznej. Rozszerzalność cieplna ciał stałych i cieczy. 6

7 Uwaga Materiały zamieszczane na stronie to jest tylko materiał pomocniczy i to głównie dla mnie w prowadzeniu wykładu! Na kolokwium obowiązywać będzie całokształt omawianych zagadnień: + to co było na slajdach + to co mówiłem + to co na tablicy 7

8 Co to jest fizyka If it smells it s chemistry If it s green or it wriggles it s biology If it doesn t work it s physics 8

9 po co nam fizyka na studiach FIZYKA - system nauk o budowie i właściwościach materii i o oddziaływaniach Poznać, zrozumieć otaczający nas świat Wykorzystać tę wiedzę o otaczającym nas świecie - TECHNIKA Działy fizyki mechanika elektrodynamika termodynamika optyka fizyka jądrowa mechanika kwantowa fizyka ciała stałego Nauki techniczne mechanika (techniczna),... elektrotechnika silniki cieplne, lodówki, procesy chemiczne,... lasery, holografia, światłowody,... reaktory atomowe, medycyna (radioterapia), szyfrowanie kwantowe, kropki kwantowe, elektronika, półprzewodniki, nadprzewodniki, przewodniki superjonowe, magnetyki, 9

10 Metodologia Eksperymenty często dają informacje jedynie o pewnej własności badanego obiektu 10

11 Metodologia Staramy się opisać nie tylko te poszczególne cechy, właściwości obiektu ale również połączyć różne cechy w jeden spójny obraz, model tego obiektu oraz jeżeli możliwe zaproponować wyjaśnienie tych właściwości. 11

12 Metodologia Problem Hipoteza EKSPERYMENT JAKO NARZĘDZIE WERYFIKACJI 12

13 Podstawy fizyki Fizyka opiera się na obserwacjach doświadczalnych oraz na pomiarach ilościowych. 13

14 Podstawy fizyki Fizyka opiera się na obserwacjach doświadczalnych oraz na pomiarach ilościowych. 14

15 Pomiary w fizyce właściwość wielkość fizyczna Jednostka rozmiar długie krótkie czas długo krótko stan termiczny ciepłe - zimne prąd elektryczny duży mały wysokość dźwięku niski - wysoki długość l czas t temperatura T natężenie prądu I częstość f metr [m] sekunda [s] kelwin [K] amper [A] hertz [Hz] wielkości fizyczne opisują właściwości poprzez porównanie ze wzorcem pozwalają również ilościowo określić tę właściwość 15

16 Fizyka wielkości fizyczne opisują właściwości obiektów i pozwalają również ilościowo porównać te właściwości prawa fizyczne formułuje się na podstawie doświadczeń wielkością fizyczną jest każda wielkość, która daje się mierzyć czyli porównywać ze wzorcem jednostki tej wielkości w definicji wielkości fizycznej zawarte są informacje dotyczące jej pomiaru fizyka stosuje matematyczny opis zjawisk ( matematyka jest językiem fizyki ) empirycznie wielkości fizyczne dokładnie ( ściśle ) zdefiniowane Fizyka jest nauką ścisła i empiryczną 16

17 Fizyka W fizyce istnieje pewna liczba podstawowych wielkości fizycznych, a pozostałe wielkości są wielkościami zależnymi, pochodnymi. Istnienie zasad i praw szczegółowych powoduje wzajemne powiązanie wielkości fizycznych. Fizyka opiera się na pewnej minimalnej liczbie praw podstawowych o charakterze pewników zasady fizyczne. Inne szczegółowe prawa fizyczne wyprowadzamy z zasad fizyki za pomocą modeli fizycznych opisywanych zjawisk. Wzorce jednostek fizycznych potrzebne tylko dla wielkości podstawowych. 17

18 Wielkości fizyczne 18

19 Pomiary Pomiar porównanie ilościowe ze wzorcem Każdy pomiar dowolnej wielkości jest zawsze obarczony niepewnością pomiarową (błędem pomiarowym). niepewność 1mm niepewność 0.01mm 19

20 Niepewność Każdy pomiar dowolnej wielkości jest zawsze obarczony niepewnością pomiarową (błędem pomiarowym). niepewność względna 0.05%; 5*10-4 W niektórych pomiarach udaje się osiągnąć niepewności rzędu Stałe fizyczne szczególnie ważne wielkości fizyczne Istotne szczególnie dla weryfikacji praw fizycznych 20

21 Stałe fizyczne Względna niepewność Nazwa stałej Symbol Wartość Jednostka Prędkość światła w próżni c m s -1 (dokładnie) Stała grawitacji G 6,674 28(67) m 3 kg 1 s 2 1, Stała Plancka h 6, (33) J s 5, Ładunek elementarny e 1, (40) C 2, Masa elektronu m e 9, (45) kg 5, Masa protonu m p 1, (83) kg 5, Masa neutronu m n 1, (84) kg 5, Stała Avogadra N A 6, (30) mol 1 5,

22 Podstawowe wielkości Układ SI (Systeme International) Wielkość Nazwa Symbol Długość metr m Masa kilogramkg Czas sekunda s Natężenieprąduelektrycznego amper A Temperaturatermodynamicznakelwin K Ilość materii mol mol Światłość kandela cd Jednostki uzupełniająceużywanewukładziesi Kąt płaski radian rad Kąt bryłowy steradiansr 22

23 Wielkości pochodne Jednostki pochodne v s t v Δx Δt 23

24 Wielkości i jednostki pochodne Wielkości fizyczne można przedstawić jako kombinację kilku wielkości podstawowych Jednostki wielkości pochodnych odzwierciedlają ich relację z jednostkami podstawowymi wygodniej redukcjonizm 24

25 Przeliczanie jednostek miar 25

26 Jednostki - przedrostki 26

27 Wzorce sekunda Międzynarodowy Układ Jednostek Miar (1967) okresów promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego 2 S 1/2 atomu cezu 133 Cs w stanie podstawowym w temperaturze 0 K. Poprzednio sekundę definiowano jako 1/ ,9747 część roku zwrotnikowego 1900 lub 1/86400 część doby. 27

28 Wzorce sekunda Aktualnie niepewność pomiaru czasu to 1s na 70mln lat!!! 28

29 Wzorce maksymalna dokładność i powszechność, uniwersalność metr długości mierzonej wzdłuż południka paryskiego od równika do bieguna odległość między odpowiednimi kreskami na wzorcu, równą 0, ćwiartki południka ziemskiego długość równa ,73 długości fali promieniowania w próżni odpowiadającego przejściu między poziomami 2p 10 a 5d 5 atomu 86 Kr kryptonu 86. Generalna Konferencja Miar i Wag (1983) Odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/ s 29

30 Wzorce metr Odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/ s 30

31 Wzorce kilogram I Generalna Konferencja Miar (1889) Masa wzorca (walca o wysokości i średnicy podstawy 39 mm wykonanego ze stopu platyny z irydem) przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar w Sèvres koło Paryża. W przybliżeniu masa 1 litra wody w temperaturze 4 stopni Celsjusza przy ciśnieniu normalnym. 31

32 Wzorce amper Międzynarodowy Kongres Elektryczny, Chicago, 1893 Generalna Konferencja Miar i Wag 1946 Stały prąd elektryczny, który płynąc w dwóch równoległych, prostoliniowych, nieskończenie długich przewodach o znikomo małym przekroju kołowym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m od siebie, spowodowałby wzajemne oddziaływanie przewodów na siebie z siłą równą N na każdy metr długości przewodu. 32

33 Wzorce kelwin Generalna Konferencja Miar i Wag /273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody. Skala Kelwina to skala termodynamiczna 0K oznacza zero absolutne, najniższą teoretycznie możliwą temperaturę, jaką może mieć kryształ doskonały, w którym ustały wszelkie drgania cząsteczek. Woda używana w określeniu wzorca to woda oceaniczna (Vienna Standard Mean Ocean Water) posiadające punkt potrójny w 0.01ºC, przy ciśnieniu Pa. Woda słodka i deszczowa zawierają więcej izotopów lekkich, które ulegają szybszemu parowaniu. 33

34 Wzorce mol Generalna Konferencja Miar i Wag 1971 Jeden mol jest to liczność materii układu zawierającego liczbę cząstek równą liczbie atomów w masie 12 gramów izotopu węgla 12 C. W jednym molu znajduje się ok. 6, (10) cząstek. Liczba ta jest nazywana stałą Avogadra (liczbą Avogadra). Równocześnie z licznością musi być podawany rodzaj cząstek (cząsteczki, atomy, jony, elektrony itp.) Definicja alternatywna: Liczność substancji, przy której masa wyrażona w gramach jest jednakowa z masą atomową. Masa atomowa: liczba określająca ile razy jeden reprezentatywny atom danego pierwiastka chemicznego jest cięższy od 1/12 izotopu 12 C Jednostką pochodną jest masa molowa (masa jednego mola) Masa molowa wodoru H 2 wynosi około 2g/mol 34

35 Wzorce kandela Generalna Konferencja Miar i Wag 1979 Światłość, z jaką świeci w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o częstotliwości Hz, i którego natężenie w tym kierunku jest równe 1/683 W/sr 1948: światłość 1/ m² ciała doskonale czarnego w temperaturze topnienia platyny pod ciśnieniem 1 atmosfery fizycznej. Częstotliwość odpowiada światłu zielonemu, na które ludzkie oko jest najbardziej czułe. 35

36 Modele w fizyce Uproszczenie problemów Tworzenie prostych modeli, pojęć i operowanie nimi 36

37 Układ odniesienia, układ współrzędnych 37