FIZYKA I - Podstawy Fizyki

Transkrypt

1 FIZYKA I - Podstawy Fizyki Wykład: Rajmund Bacewicz, prof. dr hab. p. 325, tel 8628, 7267 bacewicz@if.pw.edu.pl Ćwiczenia rachunkowe: prof. dr hab. Małgorzata Igalson dr inŝ. Anna Pietnoczka mgr inŝ. Andrzej Kubiaczyk dr inŝ. Paweł Zabierowski

2 PROGRAM WYKŁADU 1. Przedmiot fizyki. 2. Niektóre zagadnienia mechaniki: Opis ruchu. Zasady dynamiki. Inercjalne i nieinercjalne układy odniesienia, zasada względności i transformacja Galileusza, prawa zachowania (energii, pędu i momentu pędu), siły centralne, grawitacja. 3. Termodynamika i fizyka statystyczna: Energia wewnętrzna i ciepło. I prawo termodynamiki. Procesy transferu ciepła: przewodnictwo cieplne, konwekcja, promieniowanie. Kierunek przemian termodynamicznych - II prawo termodynamiki. Entropia. Elementy fizyki statystycznej. Gaz doskonały, rozkład Maxwella- Boltzmanna. Entropia w fizyce statystycznej. 4. Elektromagnetyzm: pole elektryczne, prawo Gaussa, przewodniki i dielektryki, polaryzacja, energia pola elektrycznego, przewodnictwo elektryczne metali, pole magnetyczne w próŝni, prawo Biota-Savarta, prawo Ampere a, siła Lorentza, wektor namagnesowania, diamagnetyzm, paramagnetyzm, ferromagnetyzm, indukcja elektromagnetyczna, energia pola magnetycznego, równania Maxwella. Fale elektromagnetyczne, prędkość fazowa i grupowa, zasada Fermata, dyspersja, interferencja i dyfrakcja fal, polaryzacja światła

3 5. Mechanika relatywistyczna: postulaty Einsteina, doświadczenie Michelsona-Morleya, transformacja Lorentza, dynamika relatywistyczna, zasada równowaŝności Einsteina. 6. Niektóre zagadnienia fizyki współczesnej : Efekt fotoelektryczny, efekt Comptona, tworzenie par. Postulat de Broglie a, fale materii, zasada nieoznaczoności Heisenberga. Oddziaływania fundamentalne. Literatura: 1.D. Halliday, R. Resnick, J.Walker Podstawy Fizyki PWN W. Bogusz, J. Garbarczyk, F. Krok, Podstawy fizyki, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa J.Orear, Fizyka t.1,2 - WNT 1999

4 Zasady zaliczania: Ćwiczenia rachunkowe z fizyki 40 pkt. Egzamin - 60 pkt. Ocena: punkty ocena Σ Σ Σ Σ Σ

5 Wykład 1 1. Wstęp Czym zajmuje się fizyka? 2. Opis ruchu Wykład 1 3. Prawa dynamiki współautorstwo prezentacji dr hab. Krystyna Pękała

6 Czym jest fizyka? Fizyka to podstawowa nauka przyrodnicza. Zajmuje się badaniem właściwości materii i zjawisk zachodzących we Wszechświecie oraz wykrywaniem ogólnych praw, którym te zjawiska podlegają. Obserwacja i pomiar (doświadczenie) Prawa fizyki wnioski z obserwacji Modele matematyczne - opis teoretyczny.

7 Fizyka jest matką techniki

8 Jednostki podstawowe układu SI błąd realizacji wzorca

9 Wzorce (standardy) jednostek

10 Kilogram 84 rzędy wielkości

11 82 rzędy wielkości

12 Jednostki pochodne układu SI wzorce kwantowe V, Ω

13 Przedrostki w układzie SI

14

15 Przykład: Analiza wymiarowa Wymiary strony lewej i prawej poprawnie sformułowanej równości między wielkościami fizycznymi powinny być takie same W ruchu po okręgu szukamy zaleŝności przyśpieszenia dośrodkowego od prędkości i promienia okręgu. ZałóŜmy, Ŝe: Jakie są wartości wykładników α i β? α r β a v lewa strona [a] = ms 2, prawa strona (m/s) α m β = m α+β s β α+ β = 1 i α= 2. α = 2, β = 1 i a v 2 R 1

16 Fundamentalne stałe fizyczne mierzone z coraz większą dokładnością

17 Językiem fizyki jest matematyka Wielkości skalarne i wektorowe Wektory połoŝenie prędkość przyśpieszenie siła pęd moment pędu itd Skalary droga masa czas energia

18 Do określenia połoŝenia przestrzeni potrzeba trzech współrzędnych prostokątny (kartezjański) układ współrzędnych) Wersory (wektory jednostkowe) r A A A = = = A A x x ˆi + A ˆi + [ A,A,A ] x A y y y ˆj + A ˆj + z A z z kˆ kˆ Tipler RównowaŜne zapisy wektora

19 Kinematyka dział mechaniki zajmujący się opisem ruchu ( bez uwzględniania przyczyn, które go wywołały) Ruch - zmiana połoŝenia ciała względem układu odniesienia. Punkt materialny - ciało, którego rozmiary moŝna zaniedbać. Ruch prostoliniowy - wszystkie punkty poruszają się wzdłuŝ linii prostej. Ruch płaski - zachodzi w jednej płaszczyźnie. Ruch obrotowy - wszystkie punkty ciała poruszają się po okręgach, których środki znajdują się na jednej prostej-osi obrotu.

20 Wektor połoŝenia r ( t ) = [ x( t ),y( t ),z( t )] y s Równanie ruchu r 12 =r 2 -r 1 r 1 r 2 Gdy t 0, r 12 s x

21 Wektor prędkości r v = r dr dt = dx dt dy, dt dz, = dt [v x,v y,v z ] Kierunek wektora pokrywa się z kierunkiem stycznej do toru, a zwrot określony jest przez znak przyrostu wektora połoŝenia r vτ r v = gdzieτ r wektor Wartość (moduł) wektora prędkości : styczny do toru r v = v = v + v + 2 x 2 y v 2 z Tę wielkość wskazuje prędkościomierz w samochodzie

22 Wektor przyspieszenia r a = const r r dv dvx dvy dv,, z a = = = dt dt dt dt W ruchu jednostajnie zmiennym: r r dv = adt v v 0 r dv [ ] a,a,a x = t 0 y z r adt r v(t) = r v 0 + r at v t

23 Droga = odległość wzdłuŝ toru s t = v r dt 0 = Ruch jednostajny prostoliniowy: s t = vt 0 vdt = t v + v x 2 y v 2 z dt równania toru x = f(y,z) y = g(x,z) z = h(x,y) s Ruch jednostajnie zmienny: t s = v ( at) dt = v at 2 0 t 2 t

24 przykład: winda

25 W ruchu jednostajnym krzywoliniowym: przyspieszenie a n związane ze zmianą kierunku wektora v Ruch jednostajny po okręgu przyśpieszenie dośrodkowe

26 Ruch przyspieszony krzywoliniowy przyspieszenie styczne i normalne do toru y r(t) a s an τ - wersor styczny do toru n - wersor normalny do toru x a = a τ + a n a a s n s dv = dt 2 v = ρ n ρ - promień krzywizny toru Kiedy kierowca naciska pedał gazu lub hamulca zmienia a s, kiedy kręci kierownicą zmienia a n

27 Przyspieszenie styczne i normalne do toru τ ρ τ τ τ φ

28 Przyspieszenie styczne i normalne do toru τ ρ φ τ τ τ a = ( vτ ) d dt = τ dv dt + v dτ dt = a s τ + v dφ n dt = a s τ ds / ρ + v n dt = a s τ + v 2 n ρ przyśpieszenie związane z krzywizną toru jest zawsze do toru prostopadłe!

29 Zasada niezaleŝności ruchów: KaŜdy ruch ciała moŝna traktować jako złoŝenie kilku niezaleŝnych ruchów

30 Wektory prędkości i przyspieszenia w rzucie ukośnym

31 DYNAMIKA bada związek między czynnikami wywołującymi ruch a własnościami tego ruchu 1.Dopóki wypadkowa sił działająca na fortepian nie zmienia się- fortepian nie spada. 2. Wypadkowa siła działająca na fortepian zmienia stan jego ruchu-nadaje mu przyspieszenie lub opóźnienie. 3.Działanie jednego ciała na drugie towarzyszy zwykle działanie drugiego ciała na pierwsze.

32 Prawa dynamiki Newtona

33 Zasady dynamiki Newtona I zasada Jeśli na ciało nie działająŝadne siły, lub działające siły się równowaŝą to ciało nie zmienia stanu swojego ruchu pozostaje w spoczynku, lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. ( ) Uwagi 1. Układ, w którym spełniona jest I zasada dynamiki nazywa się układem inercjalnym 2. KaŜdy układ poruszający się względem układu inercjalnego ze stałą prędkością (stała wartość i kierunek ) jest teŝ układem inercjalnym. 3. Stany spoczynku oraz ruchu jednostajnego prostoliniowego są równowaŝne z punktu widzenie zasad dynamiki Czy Ziemia jest układem inercjalnym???

34 Winda porusza się z przyspieszeniem a do góry 1. W układzie obserwatora zewnętrznego (inercjalnym) F N mg = ma 2. W układzie windy F netto = F N mg a przyśpieszenie względem windy a winda = 0 II zasada dynamiki nie jest spełniona winda jest układem nieinercjalnym

35 TRANSFORMACJE GALILEUSZA z r r z x U y r 0 x Układ U porusza się względem układu U ruchem jednostajnym prostoliniowym z prędkością u U u y ( ) r = r0 v = v ' dv a = dt + r ' + u = a ' v = v ' + u a = a ' r = r ' + u t t = t' SIŁA JEST NIEZMIENNIKIEM TRANSFORMACJI GALILEUSZA

36 v = v ' + u

37 II zasada dynamiki Newtona Zmiana pędu ciała jest proporcjonalna do siły działającej na to ciało i zachodzi wzdłuŝ kierunku jej działania. r F = r p = r d p dt r mv WyraŜenie Kierunek zmiany pędu jest zgodny z kierunkiem działającej siły r F = r ma jest słuszne tylko wtedy, gdy nie zmienia się masa ciała!!

38 III zasada dynamiki Oddziaływanie wzajemne dwóch ciał są zawsze równe co do wielkości, ale przeciwnie skierowane A B F AB F BA F AB = -F BA Jeśli ciało A działa na ciało B, to ciało B oddziaływuje na A z taką samą siłą, ale przeciwnie skierowaną ZałoŜenie-oddziaływania przenoszą się z nieskończoną szybkością -czy to prawda??