FIZYKA. Tomasz Żabiński Emil Bujwid Klasa IIIB

Transkrypt

1 FIZYKA Tomasz Żabiński Emil Bujwid Klasa IIIB

2 Podstawowe jednostki M Kg s A K mol cd metr kilogram sekunda Amper Kelwin mol kandela

3 Metr jest to długość równa ,73 długości fali w próżni promieniowania odpowiadającego przejściu między poziomami 2p 10 a 5d 5 atomu Kr (krypton86). Kilogram jest to masa międzynarodowego wzorca tej jednostki masy przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar w Sevres. Sekunda jest to czas równy okresów promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego Cs (cezu 133). Amper jest to prąd elektryczny nie zmieniający się, który płynąc w dwóch równoległych prostoliniowych, nieskończenie długich przewodnikach o przekroju kołowym znikomo małym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m (metr) od siebie - wywołałby między tymi przewodnikami siłę (niutona) na każdy metr długości. Kelwin jest to 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody. Mol jest to liczność materii występująca, gdy liczba cząsteczek jest równa liczbie atomów zawartych w masie 0,012 kg (kilograma) C ( węgla 12). Kandela jest to światłość, jaką ma w kierunku prostopadłym powierzchnia 1/ m 2 promiennika zupełnego w temperaturze krzepnięcia platyny pod ciśnieniem Pa (Paskali).

4 Jednostki uzupełniające rad sr radian steradian Radian jest to kąt płaski, zawarty między dwoma promieniami koła, wycinającymi z jego okręgu łuk o długości równej promieniowi tego koła. Steradian jest to kąt bryłowy o wierzchołku w środku kuli, wycinający z jej powierzchni część równą powierzchni kwadratu o boku równym promieniowi tej kuli.

5 Jednostki wielkości fizycznych Nazwa wielkości fizycznej Symbol Jednostka Nazwa jednostki Jednostka w układzie SI Czas t s sekunda s okres T s sekunda s częstotliwość f Hz herc 1/s droga S m Metr m prędkość V m/s Metr na sekundę M/s pęd p Kg*m/s Kg razy m na s Kg*m/s przyspieszenie a m/s 2 metr na sekundę kwadrat m/s 2 masa m kg kilogram kg siła F N niuton Kg*m/s 2

6 energia E J dżul (kg*m 2 )/s 2 praca W J dżul (kg* m 2 )/s 2 moc P W wat (kg*m 2 )/s 3 ciepło Q J dżul (kg* m 2 )/s 2 ciśnienie p Pa paskal Kg/m*s 2 objętość V m 2 Metr sześcienny m 2 gęstość q Kg/m 2 Kg na metr sześcienny Kg/m 2 Temperatura t T 0C K Stopień Celcjusza kelwin 0C K

7 ładunek q Q C kulomb A s pojemność c F Farad S 4* A 2./kg*m 2 napięcie U V wolt M 2* kg/s 3* A natężenie I A amper A opór R ohm ohm M 2* kg/s 3* A 2 długość fali lambda m metr m

8 Ruch w Fizyce

9 Ruch polega na tym, że w miarę upływu czasu zmienia się położenie ciała. Ruch jest pojęciem względnym. Określając jego występowanie zawsze musimy (chociaż w myślach) zakładać, względem jakiego układu odniesienia opisujemy to zjawisko. Układ odniesienia jest to sposób określenia punktów w przestrzeni, względem których opisujemy ruch. Przy rozwiązywaniu zadań często określać będziemy ruch w układzie współrzędnych. Przy ruchach prostoliniowych wystarczy podać jedną współrzędną (oś liczbową). Przy ruchach krzywoliniowych będziemy korzystać z układu kartezjańskiego.tor jest to umowny ślad zostawiany za ciałem, które się porusza Droga to długość odcinka toru. Wektor przemieszczenia jest to wektor łączący w prostej linii położenie początkowe i końcowe ciała. Z przedstawionego rysunku widać, że długość drogi jest większa bądź równa wartości wektora przemieszczenia. Przykładem równowagi tych dwóch wielkości jest ruch prostoliniowy.prędkość jest to stosunek wektora przemieszczenia do czasu, w którym to przemieszczenie nastąpiło

10 Ruch jednostajny prostoliniowy Torem tego ruchu jest linia prosta.wartość drogi jest równa wartości przemieszczenia. Droga zmienia się jednostajnie w czasie. Wykres prędkości od czasu w ruchu jednostajnym prostoliniowym jest funkcją stałą Z wykresu prędkości dość łatwo możemy otrzymać wartość drogi przejechanej przez ciało. Droga jest polem figury zawartej między wykresem prędkości od czasu a osią czasu.

11 Przyspieszenie Punkt materialny, jak wynika z nazwy ruchu, przyśpiesza Przyśpieszenie jest to wielkość fizyczna wektorowa, określająca przyrost prędkości punktu materialnego do czasu, w którym ten przyrost nastąpił. W ruchu jednostajnie zmiennym wektor przyśpieszenia nie zmienia się. Wynika to z tego, że w jednakowych odstępach czasu prędkość punktu materialnego wzrasta (maleje) o tę samą wartość. Wykres przyśpieszenia od czasu przedstawia się następująco:

12 Ruch po okręgu Ruch po okręgu jest przykładem ruchu zachodzącego w dwóch wymiarach. Jest on zazwyczaj znacznie bardziej skomplikowany od ruchu prostoliniowego. Gdyby chcieć dokładnie opisywać położenie punktu poruszającego się po okręgu posługując się kartezjańskim układem XY, wtedy trzeba użyć funkcji trygonometrycznych sinus i kosinus. Funkcje te są dość skomplikowane w użytku i niewygodne, dlatego rzadko stosuje się te współrzędne do opisu ruchów obrotowych.. Na szczęście w związku z tym, że tor poruszającego się punktu jest całkowicie wyznaczony kształtem okręgu, można tak zmienić sposób opisu, że będzie on prostszy. Dodatkową zaletą opisu w układzie biegunowym, jest fakt, że dla całkowitego przekazania informacji o położeniu wystarczy tylko jedna zmienna (plus najczęściej stały promień okręgu R). Prędkość kątowa Nazwa ruchu mówi nam, że torem, po którym porusza się punkt materialny jest okrąg. Prędkością kątową nazywać będziemy wielkość wektorową równą stosunkowi kąta do czasu, w którym ten kąt został zakreślony. Tą dobrą zmienną może być np. długość drogi przebytej wzdłuż okręgu L, lub (co się częściej stosuje) - kąt obrotu α.

13 Rzut pionowy W rzucie pionowym mamy do czynienia z lotem ciała wyrzuconego pionowo do góry z poziomu zerowego (wysokość początkowa = 0). Ciału jest nadawana pozioma prędkość początkowa o wartości v 0. W przypadku gdy nie musimy uwzględniać oporu powietrza opis ruchu jest następujący początkowo ciało wznosi się po linii prostej do góry ruchem jednostajnie opóźnionym z opóźnieniem równym g. na ułamek sekundy zatrzymuje się w momencie osiągnięcia maksymalnej wysokości by następnie ruchem jednostajnie przyspieszonym opadać na ziemię z przyspieszeniem równym g.

14 Rzut poziomy W rzucie poziomym mamy do czynienia z lotem ciała wyrzuconego na pewnej wysokości H 0 nad poziomem zerowym. Ciału jest nadawana pozioma prędkość początkowa o wartości v 0. Ciało porusza się łukiem, by po pewnym czasie opaść na ziemię. W przypadku gdy nie musimy uwzględniać oporu powietrza, torem ruchu ciała jest parabola, a ruch ciała rozkłada się na dwa ruchy prostsze: ruch w poziomie odbywający się ze stałą prędkością o wartości prędkości początkowej v 0 ruch w pionie będący w istocie spadkiem swobodnym, czyli ruchem jednostajnie przyspieszonym z przyspieszeniem równym g i z prędkością początkową równą zero. Ho Vo g Z

15 Rzut ukośny W rzucie ukośnym mamy do czynienia z lotem ciała wyrzuconego z poziomu zerowego (y 0 = 0). Ciału jest nadawana prędkość o wartości v 0, skierowana pod kątem α do poziomu. Ciało porusza się łukiem, by po pewnym czasie opaść na ziemię. Wygodnie jest umieścić rysunek rzutu ukośnego w układzie współrzędnych, co ułatwia orientację w nazwach zmiennych i pozwala na wyprowadzenie równania toru. Odległość jaką przebywa ciało w poziomie do momentu upadku na poziom początkowy nazwiemy zasięgiem (Z) rzutu ukośnego.

16 Zasady dynamiki Newtona I zasada dynamiki Jeżeli na ciało działają siły, których wypadkowa jest równa zero, to ciało to pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem prostoliniowym jednostajnym. II zasada dynamiki Jeżeli na ciało działają siły niezrównoważone (wypadkowa sił jest różna od zera, ale stała), to ciało porusza się ruchem jednostajnie zmiennym (przyśpieszonym lub opóźnionym) z przyśpieszeniem wprost proporcjonalnym do działającej siły wypadkowej. III zasada dynamiki Jeżeli ciało A działa na ciało B pewną siłą, to ciało B działa na ciało A siłą równą co do wartości, o takim samym kierunku, lecz przeciwnie skierowaną. Umownie możemy to zjawisko nazywać wzajemnością oddziaływań. Siłę tarcia dzielimy na: siłę tarcia dynamicznego siłę tarcia statycznego Siły

17 Pęd Wszędzie tam gdzie jedno ciało uderza w drugie, lub jedno ciało dzieli się w ruchu na dwa mniejsze, istotną rolę grają przemiany pędu. Sam pęd można by rozumieć jako coś w rodzaju "ilości" ruchu lub "siły" ruchu. Pęd definiujemy jako iloczyn masy i prędkości ciała ZASADA ZACHOWANIA PĘDU Jeżeli na jakiś układ ciał nie działają siły z zewnątrz, wtedy układ ten ma stały pęd Pęd jest wielkością wektorową, ma zwrot, kierunek i wartość Rozpędzony parowóz ma duży pęd, a stojący parowóz ma pęd zero Lecąca mucha ma mniejszy pęd niż biegnący z tą samą prędkością sprinter

18 Praca jest iloczynem skalarnym siły F i przesunięcia ciała, wywołanego działającą siłą. Moc jest to stosunek pracy do czasu, w którym ta praca została wykonana. Moc jest wielkością skalarną. Praca i Moc

19 Pojęcie energii jest fundamentalne dla całej fizyki. Właściwie trudno jest wymyślić inną wielkość o podobnie dużym znaczeniu. Energia łączy ona ze sobą różne zjawiska i procesy - jest jakby wspólnym mianownikiem pozwalającym porównywać ze sobą przemiany chemiczne, cieplne i elektryczne, promieniowanie, i ruch dużych obiektów, grawitację, i rozpady cząstek elementarnych. ZASADA ZACHOWANIA ENERGII Całkowita energia izolowanego układu jest taka sama przed, jak i po wystąpieniu przemian w tym układzie. Energia

20 E pot_ciezk = m g h Rodzaje energii Potencjalna Słowo potencjalna oznacza tu, że jest ona związana z położeniem i oddziaływaniem, czyli jest jakby energią statyczną, nie związaną z ruchem. Ogólnie, cechą charakterystyczną energii potencjalnej jest to, że jest ona przypisana do położenia ciała np. bliżej źródła oddziaływania może być większa jak to jest dla oddziaływań wytwarzanych przez centrum siły.. Kinetyczna Wartość energii kinetycznej jest równa pracy, jaką trzeba włożyć, aby rozpędzić ciało. Po wykonaniu tej pracy rozpędzone ciało będzie posiadało energię ruchu - zgromadzoną pracę rozpędzania. Energię tę można z kolei wykorzystać na wykonanie zmian w otoczeniu np. rozpędzona kula kamienna wystrzelona ze średniowiecznego działa może zburzyć mur, kula tocząca się po torze rozrzuca kręgle, Sprężystości Jednym z rodzajów energii potencjalnej jest energia sprężystości W celu rozciągnięcia sprężyny trzeba wykonać pracę, z kolei sprężyna kurcząc się będzie nam tę pracę oddawać. Tak więc w rozciągniętej sprężynie jest zgromadzona energia sprężystości (równoważna pracy użytej do jej praca jej rozciągania), zaś uwolnienie tej energii pozwala na odzyskanie włożonej poprzednio pracy

21 Akustyka Cechy dźwięku Wysokość - wielkość zależna od częstotliwości dźwięku. Im większa częstotliwość, tym wyższe dźwięki. Barwa - cecha określająca, co wydaje dźwięk, często określana jako brzmienie. Głośność - wielkość wyrażona w fonach określająca "siłę" dźwięku zależna również od częstotliwości dźwięku. Ton - dźwięk wydawany przez źródło drgające ruchem harmonicznym. Echo - fala dźwiękowa powstająca przez odbicie od przeszkody, docierająca do źródła dźwięku z pewnym opóźnieniem Dudnienie - zjawisko periodycznej zmiany amplitudy w wyniku nakładania się fal o podobnych częstotliwościach. Fala dźwiękowa nie rozchodzi się w próżni - brak ośrodka. Zjawisko Dopplera Polega ono na pozornej zmianie wysokości dźwięku (częstotliwości) wysyłanego przez źródło w wyniku względnego ruchu obserwatora i źródła.

22 Pola w Fizyce

23 Prawo powszechnego ciążenia Na ciała posiadające masę działa siła grawitacyjna, która jest wprost proporcjonalna do iloczynu ich mas, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ich środkami. G - stały współczynnik, zwany stałą grawitacji Oddziaływanie grawitacyjne jest oddziaływaniem słabym, stąd nie trudno jest nam zauważyć jego działanie dla małych mas. Pole grawitacyjne to cecha przestrzeni polegająca na tym, że na ciała posiadające masę działają siły grawitacyjne. Umownie pole grawitacyjne przedstawiamy graficznie za pomocą linii pola grawitacyjnego. Linie pola grawitacyjnego są to linie będące odzwierciedleniem torów, po których porusza się ciało pod działaniem siły grawitacyjnej. Pole grawitacyjne jest polem centralnym, tzn. takim, że źródło tego pola znajduje się w jego środku, a linie pola schodzą się promieniście do środka masy ciała wywołującego to pole. Pole grawitacyjne jest też polem zachowawczym, tzn. takim, że praca wykonana przy przesuwaniu ciał nie zależy od drogi, a jedynie od przemieszczenia tego ciała. Pole grawitacyjne Natężenie pola grawitacyjnego Natężeniem pola grawitacyjnego w danym punkcie pola nazywamy stosunek siły grawitacyjnej działającej w tym punkcie na masę m ciała próbnego do wartości tej masy. Wartość natężenia pola grawitacyjnego jest równa przyśpieszeniu ziemskiemu działającemu na masę m ciała umieszczoną w punkcie, gdzie obliczamy natężenie. Natężenie jest wektorem charakteryzującym pole grawitacyjne (określa punkt w przestrzeni), przyspieszenie ziemskie określa cechę mechaniczną masy ciała m znajdującego się w danym punkcie pola. Natężenie grawitacyjne powstaje od masy będącej w środku kuli, na powierzchni której analizujemy wartość natężenia. Potencjał pola grawitacyjnego jest równy stosunkowi energii potencjalnej w danym punkcie pola do masy, jaka w tym punkcie się znajduje.

24 Rodzaje ładunków elektrycznych W przyrodzie występują dwa rodzaje ładunków elektrycznych: ładunki dodatnie i ładunki ujemne. Ładunki jednoimienne odpychają się, a różnoimienne przyciągają się. Podstawowym ładunkiem, tzw. elementarnym, jest ładunek jednego elektronu. Umownie zaznaczamy go jako e. Pozostałe ładunki są jego wielokrotnością i zaznaczamy je q lub Q. Często mówi się, że ciało naelektryzowane jest dodatnio - ma większą ilość ładunków dodatnich ponad ilość swobodnych ładunków ujemnych (elektronów) lub ujemnie - ma większą ilość elektronów niż liczba ładunków dodatnich (protonów). Przy równej liczbie protonów i elektronów mówimy, że ciało jest nienaelektryzowane. Są trzy rodzaje elektryzowania ciał: przez pocieranie, w czasie którego dochodzi do zetknięcia powierzchni obu ciał, umożliwiającego przechodzenie elektronów lub jonów z jednego ciała do drugiego; po rozłączeniu oba ciała są naładowane różnoimiennie. przez dotyk ciało naelektryzowane ujemnie dotknięte do innego ciała nienaelektryzowanego przekazuje połowę swojego ładunku przez indukcję (wpływ); zachodzi pod wpływem pola elektrycznego; następuje przesuwanie ładunków swobodnych z jednego końca ciała na drugi, przez co na jednym końcu jest np. ładunek dodatni, a na drugim ładunek ujemny Prawo Coulomba q1(-) F12 r F21 q2(+) Siła wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ich środkami

25 Pole elektrostatyczne Polem elektrycznym nazywamy własność przestrzeni polegającą na tym, że na ładunki umieszczone w tej przestrzeni działają siły elektrostatyczne. Pole elektrostatyczne jest polem źródłowym. Źródłem pola są ładunki elektryczne. Ładunki o małej wartości w porównaniu z ładunkami wytwarzającymi pole elektrostatyczne nazywają się ładunkami próbnymi. Umownie przyjmujemy, że posiadają one ładunki dodatnie. Liniami pola elektrostatycznego nazywamy umowne linie, po których poruszałby się ładunek próbny umieszczony w tym polu, a kierunek jego ruchu wyznaczałby zwrot linii pola. Natężenie pola elektrostatycznego Natężeniem pola elektrostatycznego nazywamy stosunek siły elektrycznej działającej na ładunek próbny znajdujący się w danym punkcie pola do wartości tego ładunku. Natężenie jest to wielkość wektorowa charakteryzująca pole elektrostatyczne. Kierunek i zwrot natężenia jest taki sam, jak kierunek i zwrot siły określanej w danym punkcie pola.

26 Magnesy trwałe Z polem magnetycznym spotykamy się już w dzieciństwie, kiedy uczymy się rozpoznawać strony świata za pomocą kompasu czy busoli. Wtedy poznajemy pierwszy rodzaj magnesu trwałego - igłę magnetyczną. Okazuje się, że Ziemia wytwarza pole magnetyczne o takim kształcie jakby w jej środku znajdował się magnes. pole magnetyczne Ziemi jest polem bezźródłowym. Kolejnym przykładem magnesu trwałego jest magnes sztabkowy. Każdy magnes trwały posiada dwa bieguny. Gdybyśmy np. przecięli w połowie magnes sztabkowy to otrzymamy dwa magnesy posiadające po dwa bieguny. Takie występowanie parami biegunów magnetycznych nosi nazwę dipola magnetycznego. Rodzaje magnesu Kolejny magnes trwały to magnes podkowiasty. Cechą charakterystyczną tego magnesu jest fakt, że między jego ramionami otrzymujemy pole jednorodne, tzn. takie, w którym linie pola magnetycznego ustawiają się równolegle między sobą, a wartości wektorów charakteryzujących pole są stałe.

27 Pole magnetyczne Indukcja magnetyczna Oscyloskop jest urządzeniem do badania wiązki elektronów poruszających się w polu magnetycznym. Gdy tego pola nie ma lub gdy linie pola magnetycznego są równoległe do kierunku prędkości elektronów, nie obserwujemy odchylenia ruchu wiązki elektronów. W przeciwnym jednak razie występuje znaczne odchylenie od pierwotnego kierunku. Wartością indukcji magnetycznej nazywamy stosunek wartości maksymalnej siły działającej na ładunek q poruszający się prostopadle do kierunku linii sił pola, do iloczynu tego ładunku i wartości prędkości, z jaką się porusza. Prawo Gaussa Wyobraźmy sobie linie pola magnetycznego wokół magnesu sztabkowego, czy wokół solenoidu Widać, że linie pola magnetycznego są liniami zamkniętymi, to oznacza, że tyle samo linii wpływa do obszaru objętego daną powierzchnią, co wypływa, więc strumień przechodzący przez tę powierzchnię jest równy 0.

28 Pole elektromagnetyczne Zjawisko indukcji elektromagnetycznej Faradaya Wyobraźmy sobie magnes, który wsuwamy do cewki indukcyjnej. Wskazówka amperomierza gwałtownie odchyla się w jedną stronę, po czym wraca do poprzedniego położenia. Gdy magnes wysuwamy, sytuacja się powtarza, ale wskazówka wychyla się w drugą stronę. Gdy zmienimy położenie biegunów magnesu i powtórzymy doświadczenie, wskazówka znów będzie się wychylała, ale odwrotnie niż w pierwszej sytuacji. Prąd indukowany (indukcyjny) w obwodzie powstaje poprzez powstanie siły elektromotorycznej. Siła elektromotoryczna (w skrócie SEM) indukowana jest w obwodzie, w którym występuje zmienne w czasie pole magnetyczne. Reguła Lenza Prąd indukcyjny ma zawsze taki kierunek, że wytworzone przez niego pole magnetyczne przeciwdziała przyczynie, która go wywołuje. Podczas zbliżania do cewki magnesu biegunem N, w cewce wzbudza się prąd indukcyjny, który ma taki kierunek, że wytwarza pole magnetyczne biegunem N w kierunku magnesu, chcąc go odepchnąć.

29 Prąd stały Prąd elektryczny Prąd elektryczny jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Nośnikami energii elektrycznej w przewodnikach są elektrony. W cieczach mogą to być jony dodatnie lub ujemne. Warunkiem płynięcia prądu jest różnica potencjałów w przewodnikach. Przyjęto, że prąd w przewodnikach płynie od wyższego do niższego potencjału. W metalach przepływ prądu jest to uporządkowany ruch elektronów (ładunek ujemny). Za kierunek płynięcia prądu przyjmujemy kierunek odwrotny czyli od + do -. Natężenie prądu elektrycznego jest to stosunek ładunku, jaki przepłynął przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu, w jakim ten przepływ nastąpił. Elektroliza Elektroliza to przepływ prądu elektrycznego przez elektrolit, któremu towarzyszą różne procesy chemiczne. Elektrolity to wszystkie związki chemiczne, które przy zastosowaniu rozpuszczalnika przewodzą prąd elektryczny. Dysocjacja elektrolityczna to rozpad cząsteczek kwasów, zasad i soli na jony pod wpływem rozpuszczalnika. Ogniwo galwaniczne to układ dwu elektrod wykonanych z różnych związków chemicznych tak dobranych, że po zanurzeniu w elektrolicie przewodzą prąd elektryczny. Prawa elektrolizy Faradaya I prawo Masa substancji wydzielonej na elektrodzie jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu płynącego przez elektrolit i do czasu trwania elektrolizy (iloczyn natężenia prądu i czasu to ładunek). II prawo Określa równoważnik elektrochemiczny

30 Prawa Ohma i Kirchhoffa Prawo Ohma Włączając opornik, amperomierz i woltomierz do obwodu prądu stałego możemy dla danego opornika zmierzyć zależność natężenia prądu od napięcia. Prawa Kirchhoffa I prawo Suma natężeń prądów wpływających do danego węzła sieci równa jest sumie natężeń prądów wypływających z węzła sieci. II prawo Suma wszystkich sił elektromotorycznych i spadków napięć w oczku sieci jest równa zeru. Łączenie oporników: szeregowe I = I 1 = I 2 = I 3 = const U = U 1 + U 2 + U 3 z prawa Ohma możemy wstawić U = R I otrzymujemy RI = R 1 I 1 + R 2 I 2 + R 3 I 3 dzielimy stronami przez (stałe) I R = R 1 + R 2 + R 3 równoległe Z I prawa Kirchoffa I = I 1 + I 2 + I 3 U = U 1 = U 2 = U 3 = const z prawa Ohma możemy wstawić otrzymujemy dzielimy stronami przez (stałe) U

31 Drgania mechaniczne Ruch harmoniczny Ruchem harmonicznym jest taki ruch okresowy, w którym położenie ciała zmienia się w funkcji czasu sinusoidalnie. Ruch harmoniczny możemy analizować w oparciu o ruch po okręgu. Prędkość w ruchu harmonicznym Wahadło matematyczne Wahadłem matematycznym nazywamy niewielką ciężką kulkę zawieszoną na długiej, nierozciągliwej i nieważkiej nici. Przyspieszenie w ruchu harmonicznym Siła w ruchu harmonicznym Siła sprężystości jest wprost proporcjonalna do wychylenia, przy czym współczynnikiem proporcjonalności jest

32 Elektryczny obwód drgający Elektryczny obwód drgający składa się z kondensatora o pojemności c i zwojnicy o indukcji L. Ładunek płynący przez ten obwód zmienia się w czasie sinusoidalnie. W obwodzie okresowo zmieniają się również energie. Energia pola elektrycznego kondensatora rośnie wtedy, gdy energia pola magnetycznego zwojnicy maleje. Łatwo jest porównać drgania mechaniczne z drganiami elektrycznymi Drgania mechaniczne Drgania elektryczne m k L

33 Kondensatory Pojemność elektryczna Pojemnością elektryczną C przewodnika nazywamy stosunek ładunku Q zgromadzonego na przewodniku do potencjału V, jaki ten przewodnik wytwarza. Jest to wielkość stała dla danego przewodnika. Kondensator płaski Kondensatory służą do gromadzenia ładunku elektrycznego. Kondensator płaski to układ dwóch metalowych płytek o polu powierzchni s oddalonych od siebie o odległość d, z których jedna wpływa na wzrost pojemności drugiej. Pojemność kondensatora płaskiego zależy od jego parametrów. Pojemnością kondensatora nazywamy stosunek zgromadzonego na nim ładunku Q do różnicy potencjałów U między jego okładkami.

34 Ośrodki ciągłe Prawo Hook a Przypuśćmy, że mamy do rozciągnięcia kawałek gumy.możemy zaobserwować, że jej wydłużenie zależy od długości początkowej, działającej siły i jej grubości. Zależności są następujące: wydłużenie jest tym większe, im większa jest długość początkowa (zależność wprost proporcjonalna) im większa jest działająca siła wydłużenie maleje wraz ze wzrostem grubości gumki (grubość gumki jest w tym przypadku potocznym określeniem pola przekroju gumki) Stosunek siły działającej na ciało stałe do pola powierzchni tego ciała nazywamy naprężeniem wewnętrznym. Naprężenie wewnętrzne odpowiada względnemu przyrostowi długości ciała spowodowanemu działaniem siły F. Współczynnikiem proporcjonalności jest w tym przypadku moduł Younga Moduł Younga jest to wartość naprężenia, dla którego wydłużenie równa się długości początkowej (długość końcowa jest dwa razy większa niż długość początkowa). Widzimy więc, że jest to w praktyce niemożliwe dla większości ciał stałych. Energia sprężystości Energię sprężystości mają ciała sprężyste, które pod działaniem siły sprężystości nieznacznie się odkształcają.

35 Zakładamy, że wszystkie omawiane niżej procesy zachodzą przy stałym ciśnieniu. Topnienie jest to proces polegający na przejściu substancji ze stanu stałego w stan ciekły. Proces ten zachodzi w stałej (dla ciał krystalicznych) temperaturze, zwanej temperaturą topnienia, charakterystyczną dla danej substancji. Ciepło topnienia jest to wartość ciepła, jaką trzeba dostarczyć do jednego kilograma danej substancji, aby ją stopić. Krzepnięcie jest to proces odwrotny do topnienia. Polega on na przejściu substancji ze stanu ciekłego w stan stały. Podobnie jak topnienie, proces ten zachodzi w charakterystycznej dla danej substancji temperaturze i jest to temperatura topnienia danej substancji. Parowanie i wrzenie to procesy polegające na przejściu cieczy w gaz. parowanie zachodzi w każdej temperaturze im wyższa temperatura i większa powierzchnia swobodna, tym parowanie zachodzi szybciej proces zachodzi na powierzchni cieczy Przemiany fazowe Wrzenie zachodzi w ściśle określonej temperaturze charakterystycznej dla danej substancji, zwanej temperaturą wrzenia proces zachodzi w całej objętości cieczy Skraplanie to proces odwrotny do parowania. Polega on na przejściu substancji ze stanu lotnego w stan ciekły przy odebraniu od układu ciepła. Sublimacja to proces zmiany stanu skupienia z stałego w lotny. Pomijana jest w tym przypadku faza ciekła. Proces ten możemy zaobserwować przy otwarciu zamrażalnika lodówki (suchy lód). Resublimacja to proces zmiany stanu skupienia z lotnego w stały. Pomijana jest w tym przypadku faza ciekła. Jest to proces odwrotny do sublimacji.

36 Prawa gazu doskonałego Ciśnienie jest to wielkość fizyczna określająca stosunek parcia (wypadkowa wszystkich sił działających na daną powierzchnię) do pola tej powierzchni. Wyobraźmy sobie sześcian o boku l, wewnątrz którego znajduje się N cząsteczek Jaką siłę parcia wywołuje jedna cząsteczka poruszająca się z prędkością V poziomo? Prawo Avogadra określa, że jeden mol gazu w warunkach normalnych (0 o C i ciśnienie 1013,25 hpa) zajmuje objętość 22,4 dm 3 i zawiera 6,02*10 23 cząsteczek tego gazu.

37 Przemiany gazowe Przemiana izotermiczna W przemianie izotermicznej w stałej masie gazu stała jest jeszcze temperatura gazu. T 1 =T 2 T=const W przemianie izotermicznej ciśnienie danej masy gazu doskonałego jest odwrotnie proporcjonalne do objętości tego gazu. Prawo to nosi nazwę Boyle a-mariotte a Zależność p = f (V) w przemianie izotermicznej jest hiperbolą o nazwie izoterma. Przemiana izobaryczna Tym razem oprócz masy gazu stałe jest ciśnienie gazu: p 1 =p 2 p=const W przemianie izobarycznej objętość danej masy gazu doskonałego jest wprost proporcjonalna do temperatury gazu. Prawo to nosi nazwę Gay-Lussaca Półprostą będącą wykresem p = f (V) w

38 Przemiana izochoryczna Tym razem oprócz masy gazu stała jest objętość gazu: V 1 =V 2 V=const W przemianie izochorycznej ciśnienie danej masy gazu doskonałego jest wprost proporcjonalne do temperatury gazu. Prawo to nosi nazwę Charlesa. Półprostą będącą wykresem p = f (T) w przemianie izochorycznej nazywa się izochorą. Przemiana adiabatyczna Jest to przemiana, w której brak jest wymiany ciepła z otoczeniem. Taki warunek może być spełniony, gdy przemiana zachodzi bardzo szybko lub gdy gaz izolowany jest od otoczenia Równanie określające przemianę adiabatyczną nosi nazwę równania Poissona. Współczynnik kappa określa stosunek ciepła molowego przy stałym ciśnieniu do ciepła molowego przy stałej objętości. Z wykresu widać, że krzywa adiabaty jest bardziej stroma niż krzywa izotermy.

39 I zasada termodynamiki Zmiana energii wewnętrznej układu jest równa algebraicznej sumie ciepła wymienionego między układem a otoczeniem i pracy wykonanej przez układ lub siłę zewnętrzną. Gdy na układ działają siły zewnętrzne, praca W > 0 Gdy układ wykonuje pracę, W < 0. Gdy do układu jest dostarczane ciepło, Q > 0 Gdy układ oddaje ciepło, Q < 0. W przemianie izotermicznej energia wewnętrzna gazu nie ulega zmianie. Z I zasady termodynamiki wynika: 0 = W - Q dla sprężania gazu 0 = -W + Q dla rozprężania gazu Podczas ogrzewania gazu przy p=const (przemiana izobaryczna) gaz pobiera ciepło i wykonuje pracę Podczas oziębiania gazu przy p=const, gaz oddaje ciepło, a siły zewnętrzne wykonują nad układem pracę Przy sprężaniu energia wewnętrzna rośnie Przy rozprężaniu energia wewnętrzna maleje

40 II zasada termodynamiki Maszyna cieplna nie może mieć sprawności 100%, tzn. ciepło pobrane nie może w całości zmienić się w wykonaną pracę. gdzie: Q 1 - ciepło pobrane z grzejnicy Q 2 - ciepło oddane do chłodnicy W - praca użyteczna Sprawność tak obliczaną podajemy w postaci ułamka. Gdy powyższe wzory pomnożymy razy 100%, otrzymamy wartość sprawności obliczaną w %.

41 Fale w Fizyce

42 Fale mechaniczne Podstawowe wiadomości o falach Fala jest to zaburzenie równowagi powstające w ośrodku sprężystym, które się rozchodzi na inne cząsteczki przekazując im energię. Zaburzenie jest to wytrącenie pewnego miejsca przestrzeni z położenia równowagi. W sytuacji, gdy w ośrodku rozchodzi się pojedyncze odkształcenie, nosi ono nazwę impulsu falowego. faza początkowa - początkowe odchylenie od stanu równowagi Powierzchnia falowa - powierzchnia zawierająca wszystkie cząsteczki drgające w tej samej fazie. Czoło fali - najdalej od źródła fali wysunięta powierzchnia falowa. Rodzaje fal: ze względu na kierunek drgań fale poprzeczne - cząsteczki fali drgają prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali fale podłużne - cząsteczki fali drgają równolegle do kierunku rozchodzenia się fali ze względu na kierunki rozchodzenia się fali płaska - zaburzenie rozchodzi się w jednym kierunku kolista - zaburzenie rozchodzi się po płaszczyźnie kulista - zaburzenie rozchodzi się w przestrzeni

43 Fala harmoniczna Fala harmoniczna (sinusoidalna) to fala, w której drgania rozchodzą się sinusoidalnie w czasie. Prędkość fali możemy określić wzorem długość fali - odległość między dwoma najbliższymi punktami, które są zgodne w fazie T - okres - czas, po którym cząsteczka drgająca wykona jedno pełne drganie f - częstotliwość - ilość pełnych drgań cząsteczki w jednostce czasu Oprócz tych wielkości prędkość fali zależy od rodzaju ośrodka, w jakim fala się rozchodzi. Zasada Huygensa Każdy punkt ośrodka, do którego dociera fala, staje się źródłem nowej fali kulistej. Prawo odbicia Każda fala rozchodząca się w ośrodku po dotarciu do przeszkody (innego ośrodka) może ulec odbiciu. Kąt padania równa się kątowi odbicia, przy czym wszystkie trzy promienie (promień padania, normalna i promień odbicia) leżą w jednej płaszczyźnie.

44 Prawo załamania Fala, dochodząc do innego ośrodka, nie tylko może się odbić od granicy ośrodków; może również wniknąć do ośrodka i wtedy ulega załamaniu Sinus kąta padania do sinusa kąta załamania jest równy stosunkowi prędkości V 1 rozchodzenia się fali w ośrodku pierwszym do prędkości V 2 rozchodzenia się fali w ośrodku drugim. Wszystkie trzy promienie leżą w jednej płaszczyźnie. Kąt graniczny Jest to taki kąt padania, dla którego kąt załamania równa się 90 0 Jest to przykład załamania. od normalnej.