Academic year: 2014/2015 Code: EEL s ECTS credits: 7. Electrical Engineering, Automatics, Computer Science and Engineering in Biomedicine

Transkrypt

1 Module name: Fizyka 1 Academic year: 2014/2015 Code: EEL s ECTS credits: 7 Faculty of: Electrical Engineering, Automatics, Computer Science and Engineering in Biomedicine Field of study: Electrotechnics Specialty: - Study level: First-cycle studies Form and type of study: - Lecture language: Polish Profile of education: Academic (A) Semester: 1 Course homepage: Responsible teacher: Academic teachers: dr inż. Sikora Marcin (marcins@agh.edu.pl) dr Żukrowski Jan (zukrow@agh.edu.pl) dr inż. Sikora Marcin (marcins@agh.edu.pl) Szkudlarek Aleksandra (szkudlarek@ftj.agh.edu.pl) Description of learning outcomes for module MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion) Social competence M_K001 Dostrzega konieczność wykształcenia umiejętności posługiwania się narzędziami matematycznymi w opisie zjawisk fizycznych EL1A_K01 Examination, Test, Oral answer, Participation in a discussion, Execution of exercises, Test results M_K002 Student rozumie nadrzędną rolę praw fizyki i nabywa umiejętność korzystania z tych praw dla wyjaśnienia przebiegu zjawisk w przyrodzie EL1A_K01, EL1A_K06 Examination, Test, Oral answer, Participation in a discussion, Execution of exercises M_K003 Student jest przygotowany, w oparciu o znajomość zasad fizycznych, do podjęcia działań zmierzających do rozwoju nauk technicznych, m.in. mechaniki i elektrotechniki EL1A_K01, EL1A_K06 Examination, Test, Oral answer, Participation in a discussion, Execution of exercises Skills 1 / 8

2 M_U001 Potrafi posługiwać się międzynarodowym układem SI, umie przeliczać jednostki EL1A_W02, EL1A_U02, EL1A_U06 Test M_U002 Zdobywa matematyczne podstawy opisu zjawisk fizycznych, zna przykłady zastosowania rachunku wektorowego i różniczkowego w fizyce EL1A_W01, EL1A_W02, EL1A_U01, EL1A_U06 Test M_U003 Umie zastosować odpowiednie prawa i zasady fizyczne do rozwiązywania zagadnień dynamiki punktu materialnego i bryły sztywnej EL1A_W02, EL1A_U01, EL1A_U06 Test M_U004 Samodzielnie rozwiązuje zadania w obszarze mechaniki klasycznej i relatywistycznej EL1A_W01, EL1A_W02, EL1A_U01, EL1A_U02, EL1A_U06 Test Knowledge M_W001 Zna i rozumie znaczenie fizyki jako nauki przyrodniczej, jej miejsce i rolę w dzisiejszej nauce i technice; dostrzega wzajemne relacje pomiędzy teorią a eksperymentem EL1A_W02 Activity during, Examination M_W002 Dysponuje aktualną wiedzą na temat struktury materii i fundamentalnych oddziaływań w przyrodzie EL1A_W02 Activity during, Examination M_W003 Ma wiedzę w zakresie mechaniki klasycznej punktu materialnego i bryły sztywnej, mechaniki relatywistycznej, grawitacji, ruchu drgającego i fal oraz podstaw termodynamiki, niezbędną do zrozumienia podstawowych zjawisk fizycznych w przyrodzie i technice, a w szczególności w elektrotechnice, elektronice i mechanice EL1A_W02 Activity during, Examination FLO matrix in relation to forms of MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of Lectures Auditorium Laboratory Project Conversation seminar Seminar Practical Fieldwork Workshops Others E-learning Social competence M_K001 Dostrzega konieczność wykształcenia umiejętności posługiwania się narzędziami matematycznymi w opisie zjawisk fizycznych 2 / 8

3 M_K002 M_K003 Skills M_U001 M_U002 M_U003 M_U004 Knowledge M_W001 M_W002 M_W003 Student rozumie nadrzędną rolę praw fizyki i nabywa umiejętność korzystania z tych praw dla wyjaśnienia przebiegu zjawisk w przyrodzie Student jest przygotowany, w oparciu o znajomość zasad fizycznych, do podjęcia działań zmierzających do rozwoju nauk technicznych, m.in. mechaniki i elektrotechniki Potrafi posługiwać się międzynarodowym układem SI, umie przeliczać jednostki Zdobywa matematyczne podstawy opisu zjawisk fizycznych, zna przykłady zastosowania rachunku wektorowego i różniczkowego w fizyce Umie zastosować odpowiednie prawa i zasady fizyczne do rozwiązywania zagadnień dynamiki punktu materialnego i bryły sztywnej Samodzielnie rozwiązuje zadania w obszarze mechaniki klasycznej i relatywistycznej Zna i rozumie znaczenie fizyki jako nauki przyrodniczej, jej miejsce i rolę w dzisiejszej nauce i technice; dostrzega wzajemne relacje pomiędzy teorią a eksperymentem Dysponuje aktualną wiedzą na temat struktury materii i fundamentalnych oddziaływań w przyrodzie Ma wiedzę w zakresie mechaniki klasycznej punktu materialnego i bryły sztywnej, mechaniki relatywistycznej, grawitacji, ruchu drgającego i fal oraz podstaw termodynamiki, niezbędną do zrozumienia podstawowych zjawisk fizycznych w przyrodzie i technice, a w szczególności w elektrotechnice, elektronice i mechanice / 8

4 Module content Lectures Wprowadzenie do fizyki. Struktura materii i fundamentalne oddziaływania w przyrodzie (3 godz.) Przedmiot i znaczenie fizyki jako nauki przyrodniczej. Podstawowe składniki materii (budowa atomu, cząstki elementarne, kwarki). Charakterystyka czterech fundamentalnych oddziaływań w przyrodzie. Prawo Coulomba i prawo powszechnego ciążenia. Rola i wzajemne relacje pomiędzy teorią i eksperymentem w fizyce. Międzynarodowy układ jednostek SI podstawowe wielkości fizyczne i ich jednostki Elementy rachunku wektorowego i zastosowanie do prostych problemów fizycznych (4 godz.) Podział wielkości fizycznych na skalarne i wektorowe. Cechy wektora kierunek, zwrot i wartość, wersor jako wektor jednostkowy. Podstawowe działania na wektorach: dodawanie, odejmowanie, mnożenie przez liczbę, rozkład wektora na składowe. Iloczyn skalarny i wektorowy (definicja, konsekwencje, zastosowanie). Kinematyka punktu materialnego (4 godz.) Opis wielkości służących do opisu ruchu krzywoliniowego. Definicje i graficzna interpretacja: wektora położenia, przemieszczenia, prędkości chwilowej i średniej, przyspieszenia chwilowego i średniego. Przykładowe równania ruchu, ruch jednostajnie zmienny, spadek swobodny, rzuty: pionowy, poziomy, ukośny. Wprowadzenie warunków początkowych. Ruch po okręgu: prędkość kątowa i liniowa, przyspieszenie całkowite, normalne i styczne. Definicja promienia krzywizny. Dynamika punktu materialnego (6 godz.) Zasady dynamiki Newtona, zasada bezwładności, uogólniona zasada dynamiki. Inercjalne i nieinercjalne układy odniesienia. Równanie ruchu. Siły rzeczywiste: siła grawitacji, siła naprężenia, siła tarcia. Siły pozorne (siła odśrodkowa, siła Coriolisa). Pojęcie pola grawitacyjnego (natężenie pola grawitacyjnego i ruch w tym polu). Pola i siły zachowawcze. Siła harmoniczna jako przykład siły centralnej i zachowawczej. Praca i energia. Energia mechaniczna. Związek pomiędzy siłą a energią potencjalną. Gradient. Warunki równowagi. Moc średnia i chwilowa. Ruch ciała w płynach, siła oporu. Przepływ turbulentny i laminarny. Siła wyporu i prawo Archimedesa. Elementy hydrodynamiki. Ruch w ośrodkach lepkich siła Stokesa. Transformacja Galileusza i Lorentza (4 godz.) Założenia mechaniki klasycznej. Transformacja Galileusza założenia, wyprowadzenie, konsekwencje, składanie prędkości, niezmienniczość Galileusza, stosowalność transformacji Galileusza. Podstawy szczególnej i ogólnej teorii względności. Transformacja Lorentza postulaty, wyprowadzenie i konsekwencje: jednoczesność zdarzeń, skrócenie długości, dylatacja czasu, dodawanie prędkości. Energia relatywistyczna; zasada zachowania energii-masy. Zasady zachowania w fizyce (4 godz.) Mechanika układu punktów materialnych, środek masy. Druga zasada dynamiki dla układu punktów materialnych, pęd układu cząstek materialnych. Zasady zachowania energii, pędu i momentu pędu. Zderzenia sprężyste i niesprężyste. Dynamika bryły sztywnej (6 godz.) Dyskretny i ciągły rozkład masy. Moment bezwładności jako tensor. Twierdzenie Steinera. Moment pędu bryły sztywnej. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej równania Eulera. Energia rotacyjna. Toczenie bez poślizgu jako przykład złożenia ruchu postępowego i obrotowego. Precesja. Oscylator harmoniczny (8 godz.) 4 / 8

5 Własności mechaniczne ciał stałych. Odkształcenie i naprężenie. Prawo Hooke a. Mechaniczny oscylator harmoniczny, z uwzględnieniem tłumienia i wymuszenia, rezonans, analogia pomiędzy oscylatorem mechanicznym i elektrycznym obwodem RLC, straty mocy a współczynnik dobroci. Składanie drgań, dudnienia, krzywe Lissajous. Proste przykłady wahadeł: torsyjne, matematyczne, fizyczne. Fale mechaniczne (4 godz.) Opis zjawisk falowych. Ogólne równanie ruchu falowego. Prędkość fal mechanicznych w gazach i ciałach stałych. Zjawiska interferencji i dyfrakcji. Jednostki natężenia fali prawo Webera-Fechnera, skala decybelowa. Cechy dźwięku. Elementy termodynamiki (2 godz.) Zasady termodynamiki. Energia wewnętrzna i entropia. Równanie stanu gazu doskonałego. Przemiany gazowe. Ciepło właściwe i molowe. Auditorium Układ SI i zamiana jednostek (1 godz.) Praktyczna umiejętność tworzenia definicji jednostek pochodnych, przeliczanie jednostek, znajomość przedrostków, rząd wielkości, umiejętność szacowania wyniku, cyfry znaczące Praktyczna umiejętność posługiwania się rachunkiem wektorowym z fizyce (2 godz.) Graficzne metody dodawania i odejmowania wektorów, rozkład wektora na składowe; wektor w kartezjańskim układzie współrzędnych, działania na wektorach w tym układzie; zastosowanie iloczynu skalarnego i wektorowego do definiowania podstawowych wielkości fizycznych (pracy, momentu siły, momentu pędu, siły Lorentza) Kinematyka punktu materialnego w przypadku jednowymiarowym (1 godz.) Praktyczna umiejętność obliczania prędkości chwilowej i przyspieszenia chwilowego korzystając z pojęcia pochodnej. Graficzne wyznaczanie tych wielkości, sporządzanie wykresów zależności czasowych. Całkowanie równań ruchu przy wykorzystaniu warunków początkowych. Opis ruchu krzywoliniowego w przypadku ruchu po okręgu (2 godz.) Szczegółowa analiza ruchu po okręgu. Wyjaśnienie dlaczego w ruchu krzywoliniowym zawsze występuje przyspieszenie. Graficzne wyznaczanie przyspieszenia normalnego, stycznego i całkowitego. Wykazanie, że w ruchu niejednostajnym występuje przyspieszenie styczne; jego związek z przyspieszeniem kątowym. Związek pomiędzy wielkościami liniowymi i kątowymi na przykładzie prędkości i przyspieszenia. Rzut ukośny jako przykład składania ruchów (1 godz.) Ruch ciała w jednorodnym polu grawitacyjnym. Składanie ruchów jako metoda znajdowania toru ruchu krzywoliniowego. Znajdowanie parametrów toru na podstawie równania, zasięg, maksymalna wysokość, prędkość końcowa. Rzut poziomy jako szczególny przypadek rzutu ukośnego. Zasady dynamiki w układach inercjalnych (2 godz.) Praktyczna umiejętność korzystania z zasad dynamiki: schemat postępowania w przypadku rozwiązywania zagadnień dynamicznych, znajdowanie siły wypadkowej i przyspieszenia ciała. Układy nieinercjalne i siły pozorne (2 godz.) Omówienie przykładów, w których wprowadza się siły pozorne: ciężar pozorny w przyspieszającej windzie, rotor. Przedyskutowanie problemu czy Ziemia może być traktowana jak układ inercjalny i jakie są konsekwencje ruchu obrotowego Ziemi. 5 / 8

6 Transformacja Galileusza (1 godz.) Przypomnienie wyprowadzenia wzorów transformacyjnych na położenie i prędkość punktu. Dyskusja konsekwencji transformacji klasycznej niezmienniczość przyspieszenia i czasu. Ograniczenia transformacji Galileusza. Przykłady zagadnień, w których stosuje się transformację. Transformacja Lorentza (3 godz.) Omówienie przykładów, dla których stosuje się transformację Lorentza. Wyprowadzenie wzorów transformacyjnych dla prędkości. Zwrócenie uwagi na konsekwencje transformacji Lorentza zwłaszcza na niejednoczesność zdarzeń. Rozwiązywanie prostych zadań z dynamiki relatywistycznej z podkreśleniem równoważności energii i masy Ruch punktu materialnego pod wpływem sił oporu (2 godz.) Przypomnienie wiadomości dotyczących ruchu ciała pod wpływem oporu aerodynamicznego oraz ruchu w ośrodku lepkim. Praktyczne znajdowanie prędkości granicznej. Wpływ oporu na zasięg rzutu ukośnego. Rozwiązywanie prostych zadań wykorzystujących prawo Archimedesa. Omówienie własności siły tarcia. Rozwiązywanie zadań, w których występuje tarcie statyczne i kinetyczne. Grawitacja (1 godz.) Omówienie przypadków pola jednorodnego i pola o symetrii sferycznej. Natężenie pola grawitacyjnego i wielkości fizyczne, od których zależy. Porównanie pomiędzy wektorem natężenia pola grawitacyjnego i przyspieszeniem grawitacyjnym. Energia i siła (3 godz.) Omówienie definicji pracy w przypadku siły zależnej od położenia. Obliczanie pracy wykonanej nad cząstką swobodną energia kinetyczna. Praca siły harmonicznej. Przykłady sił i pól zachowawczych energia potencjalna. Praktyczna umiejętność sprawdzania czy pole jest polem zachowawczym i obliczania pracy za pomocą całki krzywoliniowej. Praktyczna umiejętność korzystania z zasady zachowania energii mechanicznej. Praktyczna umiejętność obliczania gradientu funkcji skalarnej. Związek energii potencjalnej z siłą. Rozwiązywanie zadań związanych z poszukiwaniem położeń równowagi trwałej. Mechanika układu punktów materialnych zasada zachowania pędu, zderzenia (2 godz.) Omówienie pojęcia środka masy i wykształcenie praktycznej umiejętności znajdowania położenia i prędkości środka masy. Rozwiązywanie zadań korzystając z zasady zachowania pędu. Wyprowadzenie wzorów na prędkości cząstek po zderzeniu sprężystym i analiza otrzymanych wyników. Podkreślenie różnic pomiędzy zderzeniem niesprężystym i sprężystym na podstawie przykładów. Kinematyka i dynamika bryły sztywnej (4 godz.) Omówienie definicji i interpretacji elementów diagonalnych i pozadiagonalnych tensora momentu bezwładności. Praktyczna umiejętność znajdowania tensora momentu bezwładności dla dyskretnych i ciągłych rozkładów masy na przykładach powłoki kulistej, pełnej kuli, dysku, prostokąta, pręta. Zastosowanie zasady zachowania energii mechanicznej i zasad dynamiki do ruchu obrotowego bryły sztywnej i toczenia bez poślizgu. Oscylator harmoniczny (3 godz.) Omówienie granic stosowalności zależności liniowej pomiędzy naprężeniem i odkształceniem. Rozwiązanie równania prostego oscylatora harmonicznego, znajdowanie częstości drgań własnych. Obliczanie prędkości i przyspieszenia w ruchu harmonicznym. Praktyczna umiejętność analizy zależności wielkości opisujących 6 / 8

7 oscylator harmoniczny od czasu i położenia. Rozwiązywanie zadań, w których występują wahadła: torsyjne, matematyczne i fizyczne. Zależność amplitudy oscylatora tłumionego od czasu. Logarytmiczny dekrement tłumienia. Analiza częstości, amplitudy i fazy dla oscylatora z wymuszeniem. Umiejętność rysowania i analizy krzywych rezonansowych. Omówienie warunków rezonansu. Analogia pomiędzy oscylatorem mechanicznym a obwodem RLC. Praktyczna umiejętność znajdowania wyników złożenia dowolnych drgań harmonicznych. Method of calculating the final grade Do egzaminu z przedmiotu dopuszczane są jedynie osoby posiadające ocenę pozytywną (co najmniej 3.0) z ćwiczeń audytoryjnych. Egzamin ma formę pisemną i ustną. Z części ustnej mogą zostać zwolnione osoby spełniające określone kryteria związane z wynikiem egzaminu pisemnego. Ocena końcowa obliczana jest jako średnia ważona ocen: zaliczenia ćwiczeń audytoryjnych (40%), egzaminu (50%) i testów (10%) przeprowadzanych podczas wykładów. Prerequisites and additional requirements Wymagana jest znajomość podstaw fizyki i matematyki w zakresie programu gimnazjum i liceum. Dodatkowo konieczne jest wykształcenie praktycznej umiejętności posługiwania się rachunkiem różniczkowym i całkowym w stopniu elementarnym. Recommended literature and teaching resources 1. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy Fizyki, t.1-5, PWN W-wa, R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands, Feynmana wykłady z fizyki, t.1-3, PWN W-wa Treść wykładu i dodatkowe materiały w tym testy umieszczane na stronie internetowej przedmiotu Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module Additional scientific publications not specified Additional information Celem przedmiotu jest wykształcenie umiejętności opisu otaczającej rzeczywistości fizycznej za pomocą podstawowych praw i zasad. Student uzyskuje umiejętność rozumienia zjawisk fizycznych i ich znaczenia w przyrodzie i technice, potrafi rozwiązywać proste zadania rachunkowe i jest przygotowany do podjęcia bardziej złożonych problemów technicznych w oparciu o prawa fizyki. Zajęcia w ramach modułu są prowadzone w formie wykładu (45 godzin) i ćwiczeń rachunkowych (30 godzin). Przewidziane są również konsultacje w formie zorganizowanej (15 godzin). Ćwiczenia audytoryjne mają na celu utrwalenie wiadomości zdobytych na wykładzie i wykształcenie umiejętności posługiwania się podstawowymi prawami i zasadami fizyki. W ramach tych zajęć studenci rozwiązują zadania rachunkowe związane z tematyką wykładów, odpowiadają na pytania testowe i omawiają z prowadzącym zajęcia problemy poruszane na wykładzie. Studenci otrzymują zadania do samodzielnego wykonania, tzw. zadania domowe. Poziom wiedzy jest monitorowany poprzez sprawdziany i prace pisemne. Zaliczenie zajęć odbywa się w formie pisemnej. Studenci mają możliwość skorzystania z konsultacji prowadzonych przez wykładowcę i prowadzących zajęcia, które pozwalają przedyskutować najważniejsze problemy związane ze zrozumieniem materiału wykładu. 7 / 8

8 Student workload (ECTS credits balance) Student activity form Realization of independently performed tasks Preparation for Participation in auditorium Contact hours Participation in lectures Summary student workload Module ECTS credits Student workload 55 h 30 h 30 h 15 h 45 h 175 h 7 ECTS 8 / 8