Jadwiga Pozna ska Maria Rowi ska El bieta Zaj c

Transkrypt

1 2

2 Jadwiga Pozna ska Maria Rowi ska El bieta Zaj c

3 Spis treści * O podręczniku... 4 Wstęp... 6 I. Energia mechaniczna 1. Praca Moc Maszyny proste Energia potencjalna grawitacji Energia kinetyczna Zasada zachowania energii II. Ciepło jako forma przekazywania energii 7. Temperatura Przekazywanie energii wewnętrznej Ciepło właściwe Ciepło a praca. Zmiany energii wewnętrznej Energia wewnętrzna i zmiany stanów skupienia III. Ruch i siły 12. Ruch jednostajny prostoliniowy Bezwładność ciał Pierwsza zasada dynamiki Opory ruchu. Tarcie Ruch zmienny prostoliniowy. Przyspieszenie Ruch jednostajnie przyspieszony prostoliniowy Druga zasada dynamiki Spadanie swobodne Ruch jednostajnie opóźniony prostoliniowy Trzecia zasada dynamiki IV. Drgania i fale mechaniczne 22. Ruch drgający Drgania swobodne Przemiany energii podczas drgań Drgania wymuszone i rezonans Powstawanie fal w ośrodkach materialnych Zjawiska falowe Fale dźwiękowe Cechy dźwięków Ultradźwięki i infradźwięki Instrumenty muzyczne * V. Optyka 32. Źródła światła Zaćmienia Odbicie światła Zwierciadła wklęsłe i wypukłe Konstrukcja obrazów w zwierciadłach kulistych Załamanie światła Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia Rozszczepienie światła Soczewki Konstrukcja obrazów wytworzonych przez soczewki Budowa i działanie oka Podsumowanie Indeks rzeczowy polsko-angielski Gwiazdką oznaczono tematy * nadobowiązkowe.

4 14 1 Pierwsza zasada dynamiki Na poprzedniej lekcji zbadaliśmy, że wózek raz wprawiony w ruch po torze powietrznym nie zmienia swojego stanu ruchu porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Ruch bez oporów można na Ziemi realizować jedynie w laboratorium. W praktyce wszystkie ciała napotykają na opory ruchu, zmieniają kierunek ruchu i prędkość, a w końcu się zatrzymują. Co robi rowerzysta, aby poruszać się ruchem jednostajnym prostoliniowym? Rowerzysta (ryc. 14.1) może zrównoważyć opory ruchu, odpowiednio mocno i szybko naciskając na pedały. Gdy siła napędu F N równoważy siłę oporów ruchu FO, to rowerzysta jedzie ze stałą prędkością po torze prostoliniowym. F N F O Ryc Rowerzysta jedzie ruchem jednostajnym prostoliniowym, gdy siła napędu F N równoważy siłę oporów F O Dlaczego kaczka jest w spoczynku? Na kaczkę unoszącą się na wodzie (ryc. 14.2) działają dwie siły: ciężkości F i wyporu F W. Obie siły działają w tym samym kierunku i mają tę samą wartość, lecz są zwrócone przeciwnie. Siły te równoważą się i kaczka pozostaje w spoczynku. Ryc Ptak unosi się na nieruchomej tafli wody spoczywa F W F Gdy na ciało nie działa żadna siła lub działające siły się równoważą, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. 75

5 Ruch i siły F C F N F F O Ryc Samoloty lecą z prędkością o stałej wartości Jest to treść pierwszej zasady dynamiki Newtona, często nazywanej również zasadą bez władności. Izaak Newton zawarł w niej poglądy Galileusza na temat zjawiska bezwładności ciał. Przeanalizujmy inne przykłady jednostajnego prostoliniowego ruchu ciał. Gdy samochód porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, siła napędu silnika i siła oporów ruchu się równoważą. Jeżeli samoloty poruszają się poziomo ruchem jednostajnym prostoliniowym (ryc. 14.3), to możemy wnioskować, że działające na nie siły się równoważą. W kierunku pionowym siła nośna F N równoważy ciężar samolotu F, a w kierunku poziomym siła ciągu silników równoważy siłę oporu ruchu FO F C. AP s. 73 F W + F O F Ryc Stroboskopowa fotografia kropli wody opadającej w oleju W doświadczeniu na s. 66 badaliśmy ruch pęcherzy ka powietrza w rurce wypełnionej gliceryną. Pęcherzyk powietrza porusza się ruchem jednostajnym prosto liniowym właśnie dlatego, że działające siły: wyporu (zwróco na ku górze) oraz oporu ruchu i ciężaru pęcherzyka (zwrócone do dołu) się równoważą. Trzeba podkreślić, że ciężar pęcherzyka jest znikomo mały. Na rycinie 14.4 przedstawiono stroboskopową fotografię kropli wody opa dającej w oleju. Widzimy, że kolejne odcinki drogi przebyte przez kroplę w jed nakowych przedziałach czasu są takie same, czyli że kropla porusza się ruchem jednostajnym. Na kroplę wody działają trzy siły: ciężaru kropli F (zwrócona do dołu) oraz wyporu F W i oporu ruchu FO (zwrócone ku górze). Siły te się równoważą. W omówionych przykładach wypadkowa sił wyno si ze ro, a więc ciała zachowują się tak, jakby nie działa ła na nie żadna siła. Ciała nie zmieniają swojego stanu ruchu. 76

6 17 1 Ruch jednostajnie przyspieszony prostoliniowy Jak por usza się wózek na torze powietrznym, jeżeli do wózka doczepiony jest spadający ciężarek? Doświadczenie Na torze powietrznym ustawiamy wózek, do którego doczepiamy nitkę z niewielkim ciężarkiem. Nitkę przekładamy przez blok nieruchomy. Wzdłuż toru powietrznego mocujemy papierową taśmę, na której zaznaczamy, w równych odstępach czasu co 1 sekundę (np. według wskazań metronomu), położenia wózka w czasie ruchu (ryc. 17.1). Ruch wózka odbywa się po torze prostoliniowym. Taśmę przecinamy w zaznaczonych miejscach. blok nieruchomy ciężarek Ryc Ruch jednostajnie przyspieszony prostoliniowy wózka na torze powietrznym Pocięte w doświadczeniu kolejne odcinki taśmy to odcinki drogi przebyte przez wózek w kolejnych sekundach ruchu. Skoro np. podczas pierwszej sekun dy wózek przebył drogę 2,9 cm, to w tym przedziale czasu poruszał się z prędkością średnią 2,9 cm/s. Kolejne odcinki taśmy obrazują więc prędkość średnią w następujących po sobie sekundach ruchu. Układamy je w układzie współrzędnych, tak jak na rycinie Ryc Sporządzanie wykresu v(t) na podstawie wyników doświadczenia 87

7 Ruch i siły Łącząc środki pasków linią wychodzącą z początku układu współrzędnych (prędkość początkowa wózka v 0 = 0 cm/s), otrzymujemy wykres zależności prędkości wózka od czasu ruchu v(t). Jest nim prosta nachylona do osi czasu. Zauważ, że w kolejnych sekundach prędkość wózka rośnie o tę samą wartość (pomijamy rozrzut wyników spowodowany niepewnością pomiaru), czyli przyspieszenie wózka jest stałe. Łatwiej będzie omówić ruch wózka, gdy wyniki pomiarów zapiszemy w tabeli. Tabela 5. Wyniki pomiarów ruchu wózka Przedział czasu t (s) Odcinki drogi przebyte w kolejnych przedziałach czasu Ds (cm) 2,9 9,0 14,9 21,1 26,9 Wartość prędkości w kolejnych cm przedziałach czasu v s 2,9 9,0 14,9 21,1 26,9 cm Zmiana prędkości Dv s 6,1 5,9 6,2 5,8 Przyspieszenie w kolejnych przedziałach Dv cm 6,1 5,9 6,2 5,8 czasu a= Dt s 2 Na podstawie tabeli możemy powiedzieć, że prędkość wózka w kolejnych sekundach ruchu wzrasta w przybliżeniu o 6 cm/s, czyli przyspieszenie wózka w przybliżeniu wynosi 6 cm/s 2. Prędkość rośnie jednostajnie, a przyspieszenie jest stałe. Ruchem jednostajnie przyspieszonym prostoliniowym nazywamy taki ruch, w którym wartość prędkości jest wprost proporcjonalna do czasu trwania ruchu, a torem ruchu jest prosta. Przyspieszenie w ruchu jednostajnie przyspieszonym prostoliniowym jest stałe. AB s. 82 W ruchu jednostajnie przyspieszonym łatwo obliczyć prędkość ciała w kolejnych chwilach ruchu. Jeżeli wartość prędkości początkowej wynosi zero, to wartość prędkości w ruchu jednostajnie przyspieszonym prostoliniowym w chwili t (od rozpoczęcia ruchu) obliczamy ze wzoru: v = a t Korzystając ze wzoru, obliczymy, że wózek na torze powietrznym po czasie t = 5 s osiągnął prędkość: cm cm v= 6 5s= 30 2 s s 88

8 26 Powstawanie fal w ośrodkach materialnych Czy drgania mogą być przekazy wane? Jeżeli uderzysz w naprężoną linę, zauwa żysz, że jej odkształcenie przemieszcza się wzdłuż liny. Wprawiony w ruch element liny powoduje ruch sąsiedniego od cinka, a ten z kolei ruch następnego. Drgające części liny przekazują energię drgań kolejnym jej odcinkom. Wzdłuż liny przemieszcza się impuls falowy. Gdy rytmicznie poruszysz koniec liny w górę i w dół, czyli wykonasz kilka drgań, zaobserwujesz, jak przenoszone są one wzdłuż liny (ryc. 26.1). Części liny kolejno unoszą się i opadają. Przeanalizuj rycinę 26.2, na której przedstawiono mechanizm przekazywa nia drgań od źródła fali w punkcie A do kolejnych elementów liny. W chwili t 1 wychylamy koniec liny A z położenia równowagi ku górze, co powoduje ruch w tę samą stronę sąsiednich elementów liny. Po czasie t 2 punkt A powraca do położenia równowagi, a maksymalnie wychylony w górę jest fra gment liny B. W chwili t 3 koniec liny A wychylamy w dół; widzimy, że wtedy B powraca do położenia równowagi. Fa la przemieszcza się wzdłuż liny, a ko lejne elementy liny, do których dotarła fala, Ryc Rozchodzenie się fali w naprężonej linie, wywołane drganiem punktu A; T to okres drgań punktu A Ryc Fala powstająca na linie AB s

9 Drgania i fale mechaniczne wykonują drgania z tą samą częstotliwością i o tej samej amplitudzie co punkt A, ale w późniejszym czasie. W ten sposób w ośrodku sprężystym rozchodzi się fala mechaniczna. Cząsteczki ośrodka nie przemieszczają się, tylko wykonują drgania wokół swoich położeń równowagi. Energia drgań jest przekazywana kolejnym cząsteczkom ośrodka. Falą mechaniczną nazywamy rozchodzące się drgania ośrodka sprężystego, które przenoszą energię. W cza sie roz cho dze nia się fa li ener gia drgań jest prze ka zy wa na od źró dła fa li do ko lej nych punk tów ośrod ka. Obserwując falę na linie, widzimy, że kierunek ruchu elementów liny, czyli kierunek drgań cząsteczek ośrodka, jest prostopadły do kierunku biegu fali. Taką falę nazywamy falą poprzeczną. Fa le po przecz ne to fa le, w któ rych kie ru nek drgań ośrodka jest pro sto pa dły do kie run ku roz cho dze nia się fa li. Ryc Uderzenie kropli w powierzchnię wody wytwarza falę po przeczną Ryc Rozchodząca się w sprężynie fala podłużna Jeżeli rzucisz kamyk na dużą powierzchnię spokojnej wody, na przykład stawu, to możesz zaobserwować falę rozchodzącą się w wodzie. Zobaczysz, że w mia rę oddalania się od źródła fali, amplituda fali maleje, a więc jej energia staje się coraz mniejsza, ponieważ energia drgań rozkłada się na coraz większą po wierzchnię, a także jest zamieniana w energię wewnętrzną ośrodka. Po pew nym cza sie amplituda drgań cząsteczek ośrodka znacznie się zmniejsza, aż drga nia zupełnie ustają. Na fotografii (ryc. 26.3) widzisz zderzenie kropli z powierzchnią wody. Krop la, tak jak kamień, powoduje powstanie fali me chanicznej w wodzie. Wyraźnie widać, jak przemieszcza się początek fali nazywany czołem fali i jak powstają kolejne doliny i grzbiety fali. 128

10 Lasery Wiązka światła laserowego zabłysła po raz pierwszy w roku Pierwszym, któremu się tego dokonać udało, był amerykański naukowiec Theodore Maiman. 16 maja 1960 roku pobudził do emisji pierwszej wiązki światła laserowego pręt z rubinu, umieszczony wewnątrz potężnej lampy błyskowej. Wraz z tym jaskrawym impulsem czerwonej barwy rozpoczęła się era laserów. Najpot niejsze lasery wiata są używane przede wszystkim do badania struktury atomów i reakcji rozszczepienia. Emitują one potężne impulsy energii w zakresie terawatów (bilionów watów) impulsy te jednak są bardzo krótkie, krótsze od pikosekundy (bilionowa część sekundy). Laser VULCAN Brytyjski laser VULCAN ma moc rzędu 100 terawatów (TW), oczywiście mowa tu o bardzo krótkich impulsach rzędu pikosekund. Laser emituje wiązkę o długości 1054 nm, został on wpisany do Księgi Guinnessa.

11 Zastosowanie medycyna pomiary odległości określanie poziomu skażenia atmosfery Światło, które widzimy jako białe, w rzeczywistości jest mieszaniną wielu różnokolorowych promieni o różnych długościach fali. Natomiast światło lasera jest monochromatyczne (jednobarwne), czyli składa się wyłącznie z promieni o jednakowej długości fali i jest widoczne w postaci wiązki o bardzo czystym kolorze. biologia i chemia wskazywanie celów pociskom rakietowym produkcja światłowodów zapis dźwięku i danych na CD/DVD

12 35 Zwierciadła wklęsłe i wypukłe Jak odbija się ś wiat ło od zwierc iade ł kulist ych? a b Ryc Zwierciadło wypukłe na tramwaju i na przystanku tramwajowym Ryc Obraz tego samego przedmiotu w zwier cia dle: a wklęsłym; b wy pu kłym Zwierciadła, których powierzchnię odbijającą światło stanowi część powierzchni kuli, nazywamy zwierciadłami kulistymi. Zwier cia dło ku li ste wklę słe to takie, któ re go po wierzch nię od bi ja ją cą sta no wi część we wnętrz nej po wierzch ni ku li. Przyjrzyj się fotografii poniżej (ryc. 35.3a). Wąska wiąz ka rów no le głych pro mie ni świetl nych po od bi ciu od zwier cia dła wklę słe go prze ci na się w jed nym punk cie F, zwa nym ogniskiem zwierciadła. a b AB s. 61 oś optyczna Ryc Odbicie od zwierciadła wklęsłego promieni świetlnych biegnących równolegle do osi optycznej: a fotografia; b konstrukcja 173

13 Optyka Śro dek ku li o pro mie niu r, której część powierzchni stanowi zwierciadło, oznacza my sym bo lem O. Prosta przechodząca przez punkty O i F jest osią optycz ną zwierciadła (ryc. 35.3b). Ogniskowa zwierciadła to odległość ogniska od zwierciadła; oznaczamy ją symbolem f. Na podstawie sfotografowanego doświadczenia i doświadczenia z Dziennika badawczego można zauważyć, że ogniskowa zwierciadła f jest połową promienia krzywizny zwierciadła r: f r = 2 Je ż e l i w og n i sk u z w ier c i a d ł a wk lę s ł e go u m ie śc i my pu n k towe ź ró d ł o ś w ia t ł a, to pro mie nie św iet l ne od bi te od nie go t wo r z ą w i ą z kę prom ien i rów noleg ł yc h do osi optycznej (ryc. 35.4). Ryc Konstrukcja odbicia promieni świetlnych, gdy punktowe źródło światła jest w ognisku zwierciadła wklęsłego Zwierciadła wklęsłe ze źródłem światła umieszczonym w ognisku wykorzystujemy w konstrukcji latarek, reflektorów samochodowych, teatralnych i lotniczych w celu uzyskania ukierunkowanego, silnego strumienia światła (ryc i 35.6). Ryc Reflektor teatralny Ryc Światła latarni morskiej 174

14 Dobry sposób na egzamin! Nowy zeszyt ćwiczeń w wersji papierowej i elektronicznej na W zeszycie ćwiczeń znajdziesz zadania, które skutecznie pomogą ci przygotować się do kartkówek, sprawdzianów i egzaminu. Możesz korzystać z ćwiczeń w wersji papierowej lub elektronicznej. Ćwiczysz online, tak jak lubisz i kiedy chcesz. Zadania są zgodne z podręcznikiem i wymaganiami egzaminu gimnazjalnego. Wejdź na i sprawdź się! PRZYDA CI SIĘ TAKŻE Dziennik badawczy, dzięki któremu poznasz zjawiska i pojęcia fizyczne poprzez eksperymenty i codzienne obserwacje. WYDAWNICTWA SZKOLNE I PEDAGOGICZNE wsip.pl infolinia: