Rok akademicki: 2016/2017 Kod: RIA s Punkty ECTS: 9. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

Transkrypt

1 Nazwa modułu: Fizyka Rok akademicki: 2016/2017 Kod: RIA s Punkty ECTS: 9 Wydział: Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Kierunek: Inżynieria Akustyczna Specjalność: Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne Język wykładowy: Polski Profil kształcenia: Ogólnoakademicki (A) Semestr: 2 Strona www: Osoba odpowiedzialna: prof. dr hab. Pisarkiewicz Tadeusz (pisar@agh.edu.pl) Osoby prowadzące: prof. dr hab. Pisarkiewicz Tadeusz (pisar@agh.edu.pl) Krótka charakterystyka modułu Opis podstawowych zjawisk i oddziaływań w przyrodzie, poprzez omówienie tych zjawisk, podanie podstawowych definicji oraz charakterystyka ilościowa i jakościowa praw rządzących tymi oddziaływaniami. Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń) Wiedza 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. IA1A_W04, IA1A_W05 M_W002 Dysponuje aktualną wiedzą na temat zjawisk fizycznych i fundamentalnych oddziaływań w przyrodzie. IA1A_W04, IA1A_W05 1 / 9

2 M_W003 Ma wiedzę w zakresie fizyki, obejmującą: mechanikę, termodynamikę, elektryczność i magnetyzm, i elementy fizyki współczesnej w tym wiedzę niezbędną do zrozumienia podstawowych zjawisk fizycznych występujących w elementach i układach elektronicznych, układach transmisyjnych, sieciach telekomunikacyjnych oraz w ich otoczeniu. IA1A_W04, IA1A_W05 M_W004 Zdobywa matematyczne podstawy opisu zjawisk fizycznych, zna przykłady zastosowania rachunku wektorowego, różniczkowego i całkowego w fizyce. IA1A_W08, IA1A_U05, IA1A_U04, IA1A_W05, IA1A_U01 Umiejętności M_U001 Umie zastosować odpowiednie prawa i zasady fizyczne do rozwiązywania zagadnień z dynamiki, drgań i ruchu falowego, elektromagnetyzmu, podstaw termodynamiki i optyki. IA1A_U05, IA1A_U04, IA1A_U01 M_U002 Zdobywa matematyczne podstawy opisu zjawisk fizycznych, zna przykłady zastosowania rachunku wektorowego, różniczkowego i całkowego w fizyce. IA1A_U05, IA1A_U04, IA1A_U01 M_U003 Samodzielnie rozwiązuje zadania w obszarze mechaniki klasycznej, potrafi pracować indywidualnie; umie oszacować czas potrzeby na realizację zleconego zadania; umie zastosować odpowiednie prawa fizyczne do rozwiązywania zagadnień z drgań i ruchu falowego, elektromagnetyzmu, podstaw termodynamiki i optyki IA1A_U04, IA1A_U01 M_U004 Umie zastosować odpowiednie prawa i zasady fizyczne do rozwiązywania zagadnień z dynamiki, drgań i ruchu falowego, elektromagnetyzmu, podstaw termodynamiki i optyki. IA1A_U05, IA1A_U04, IA1A_U01 Kompetencje społeczne M_K001 Rozumie potrzebę i zna możliwości ciągłego dokształcania się; dostrzega konieczność wykształcenia umiejętności posługiwania się narzędziami matematycznymi w opisie zjawisk fizycznych. IA1A_U05, IA1A_U04 M_K002 Ma świadomość ważności i rozumie pozatechniczne aspekty i skutki działalności inżyniera, w tym jej wpływ na środowisko, i związaną z tym odpowiedzialność za podejmowane decyzje. IA1A_U05, IA1A_U04 Wykonanie ćwiczeń, Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć 2 / 9

3 Wykład Ćwiczenia audytoryjne Ćwiczenia laboratoryjne Ćwiczenia projektowe Konwersatori um Zajęcia seminaryjne Zajęcia praktyczne Zajęcia terenowe Zajęcia warsztatowe Inne E-learning Wiedza M_W001 M_W002 M_W003 M_W004 Umiejętności M_U001 M_U002 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 zjawisk fizycznych i fundamentalnych oddziaływań w przyrodzie. Ma wiedzę w zakresie fizyki, obejmującą: mechanikę, termodynamikę, elektryczność i magnetyzm, i elementy fizyki współczesnej w tym wiedzę niezbędną do zrozumienia podstawowych zjawisk fizycznych występujących w elementach i układach elektronicznych, układach transmisyjnych, sieciach telekomunikacyjnych oraz w ich otoczeniu. Zdobywa matematyczne podstawy opisu zjawisk fizycznych, zna przykłady zastosowania rachunku wektorowego, różniczkowego i całkowego w fizyce. Umie zastosować odpowiednie prawa i zasady fizyczne do rozwiązywania zagadnień z dynamiki, drgań i ruchu falowego, elektromagnetyzmu, podstaw termodynamiki i optyki. Zdobywa matematyczne podstawy opisu zjawisk fizycznych, zna przykłady zastosowania rachunku wektorowego, różniczkowego i całkowego w fizyce / 9

4 M_U003 M_U004 Samodzielnie rozwiązuje zadania w obszarze mechaniki klasycznej, potrafi pracować indywidualnie; umie oszacować czas potrzeby na realizację zleconego zadania; umie zastosować odpowiednie prawa fizyczne do rozwiązywania zagadnień z drgań i ruchu falowego, elektromagnetyzmu, podstaw termodynamiki i optyki Umie zastosować odpowiednie prawa i zasady fizyczne do rozwiązywania zagadnień z dynamiki, drgań i ruchu falowego, elektromagnetyzmu, podstaw termodynamiki i optyki Kompetencje społeczne M_K001 M_K002 Rozumie potrzebę i zna możliwości ciągłego dokształcania się; dostrzega konieczność wykształcenia umiejętności posługiwania się narzędziami matematycznymi w opisie zjawisk fizycznych. Ma świadomość ważności i rozumie pozatechniczne aspekty i skutki działalności inżyniera, w tym jej wpływ na środowisko, i związaną z tym odpowiedzialność za podejmowane decyzje Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć) Wykład Umiejętności opisu otaczającej rzeczywistości fizycznej za pomocą podstawowych praw i zasad 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. Wprowadzenie do fizyki. Elementy rachunku wektorowego i zastosowanie do prostych problemów fizycznych. Teoria niepewności pomiarowych Przedmiot i znaczenie fizyki jako nauki przyrodniczej. Podział wielkości fizycznych na skalarne i wektorowe. Podstawowe działania na wektorach w tym iloczyn skalarny i wektorowy. Teoria błędów przypadkowych pomiaru. Przygotowanie raportu pomiarowego. Kinematyka punktu materialnego Na przykładach z kinematyki punktu materialnego wprowadzenie podstawowych pojęć rachunku różniczkowego i całkowego. Definicje i graficzna interpretacja: wektora położenia, przemieszczenia, prędkości chwilowej i średniej, przyspieszenia chwilowego 4 / 9

5 i średniego. Ruch po okręgu w ujęciu wektorowym. Opis wielkości służących do opisu ruchu krzywoliniowego. Dynamika punktu materialnego i układu punktów materialnych Zasady dynamiki Newtona w układach inercjalnych i nieinercjalnych. Zasada zachowania pędu. Praca, moc, energia. Siły zachowawcze, energia potencjalna. Zasada zachowania energii mechanicznej. Środek masy. Ruch układu punktów materialnych. Zderzenia. Grawitacja Prawo grawitacji Newtona. Ruchy planet i satelitów, orbity geostacjonarne. Grawitacyjna energia potencjalna. Energia w ruchu orbitalnym. Ruch obrotowy Kinematyka ruchu obrotowego. Dynamika ruchu obrotowego, moment siły, moment bezwładności. Ruch obrotowy bryły sztywnej. Prawo zachowania momentu pędu. Momenty bezwładności wybranych brył. Drgania, oscylator harmoniczny Ruch drgający prosty punktu materialnego, wahadło sprężynowe. Wahadło matematyczne i fizyczne. Energia oscylatora. Drgania tłumione i wymuszone, różniczkowe równania ruchu i analiza ich rozwiązań, zjawisko rezonansu. Fale Opis zjawisk falowych, rodzaje fal. Równanie falowe i jego rozwiązanie. Prędkość fazowa i grupowa. Fale stojące. Podstawowe pojęcia z akustyki. Efekt dopplera Elementy termodynamiki Temperatura, ciepło, ciepło właściwe. Pomiary temperatury. Przemiany gazowe. Energia wewnętrzna i pierwsza zasada termodynamiki. Druga zasada termodynamiki, Cykl Carnota. Statystyczna interpretacja entropii. Elektrostatyka Prawo Coulomba, pole elektryczne, potencjał, strumień pola. Prawo Gaussa i przykłady jego zastosowań. Dipol elektryczny, dipol w polu. Pojemność elektryczna, kondensator płaski. Dielektryki. Łączenie kondenasatorów. Prąd stały Prąd, opór (rezystancja) i prawo Ohma. SEM siła elektromotoryczna i opór wewnętrzny. Przewodnictwo elektryczne w metalach i półprzewodnikach, zmiany temperaturowe. Prawa Kirchhoffa i ich wykorzystanie do analizy obwodów. Pole magnetyczne Wektor indukcji B, siła Lorentza, siła elektrodynamiczna. Cyklotron. Prawo Ampera, zastosowanie do nieskończenie długiego przewodnika i solenoidu. Indukcja elektromagnetyczna, prawo Faradaya i reguła Lenza. Energia pola B. Równania Maxwella i fale elektromagnetyczne Prąd przesunięcia. Indukowane pola B oraz E. Całkowe równania Maxwella i ich interpretacja. Energia fali elektromagnetycznej.równanie falowe i jego rozwiązanie dla płaskich fal EM. Widmo promieniowania elektromagnetycznego. Polaryzacja fali EM. Odbicie i załamanie światła. Całkowite wew. odbicie, światłowody. Polaryzacja przez odbicie. Dyspersja chromatyczna. Optyka geometryczna Obrazy w zwierciadłach płaskich i sferycznych. Obrazy w soczewkach. Przyrządy optyczne: lupa, mikroskop, teleskop. Ludzkie oko jako detektor światła. 5 / 9

6 Elementy fizyki atomu Cząstki i fale materii. Równanie Schroedingera. Zjawisko tunelowe. Atom wodoru, widma, model Bohra atomu wodoru. Elementy fizyki jądrowej Koncepcja jądra, doświadczenie Rutherforda. Rozpad promieniotwórczy, opis jakościowy i ilościowy. Defekt masy. Energia jądrowa rozszczepienie jąder, reaktor. Synteza jądrowa. Ćwiczenia audytoryjne Utrwalenie wiadomości zdobytych na wykładzie i wykształcenie umiejętności posługiwania się podstawowymi prawami i zasadami fizyki 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 i omawiają z prowadzącym zajęcia problemy poruszane na wykładzie. Studenci otrzymują zadania do samodzielnego wykonania, tzw. zadania domowe. Poziom wiedzy jest monitorowany poprzez prace pisemne i na tej podstawie odbywa się zaliczenie zajęć. Studenci mają możliwość skorzystania z konsultacji prowadzonych przez wykładowcę i prowadzących zajęcia, które pozwalają przedyskutować najważniejsze problemy związane ze zrozumieniem materiału wykładu i ćwiczeń. Praktyczna umiejętność posługiwania się rachunkiem wektorowym w fizyce Geometryczne 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 Praktyczna umiejętność obliczania prędkości chwilowej i przyspieszenia chwilowego korzystając z pojęcia pochodnej. Całkowanie równań ruchu przy wykorzystaniu warunków początkowych. Szczegółowa analiza ruchu po okręgu. Wyznaczanie przyspieszenia normalnego, stycznego i całkowitego. Związek pomiędzy wielkościami liniowymi i kątowymi na przykładzie prędkości i przyspieszenia. Rzuty. Dynamika punktu materialnego Prawa Newtona, przykłady zastosowań w szczególności II zasady dynamiki. Inercjalne i nieinercjalne układy odniesienia, siły bezwładności. Opis ruchu z punktu widzenia różnych układów odniesienia. Praca, energia, moc, energia potencjalna Obliczenia pracy dla siły stałej i zmiennej. Moc średnia i chwilowa. Zadania z wykorzystaniem twierdzenia o pracy i energii. Wyznaczenie energii potencjalnej dla pól zachowawczych. Środek masy,ruch układu cząstek, zderzenia Wyznaczanie środka masy dla układu cząstek i brył. Zderzenia sprężyste i niesprężyste. Grawitacja Rozwiązywanie prostych zagadnień ruchu ciał w polu grawitacyjnym Ziemi. Ruch obrotowy Wyznaczanie momentów bezwładności różnych brył. Toczenie. Zdania na zastosowanie 6 / 9

7 zasady zachowania momentu pędu. Oscylator harmoniczny Rozwiązanie równania prostego oscylatora harmonicznego, znajdowanie częstości drgań własnych. Praktyczna umiejętność analizy zależności wielkości opisujących oscylator harmoniczny od czasu i położenia. Rozwiązywanie zadań, w których występują wahadła 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. Fale Mechaniczne Analiza równań fal mechanicznych oraz podstawowych parametrów takich jak częstość, amplituda, liczba falowa, długość fali. Rozwiązywanie zadań związanych ze zjawiskiem rezonansu, fale stojące, efektu Doplera. Metody wyznaczania prędkości dźwięku, natężenia, głośności mocy fali akustycznej. Elektrostatyka i prąd stały Zastosowanie prawa Gaussa w elektrostatyce. Przykłady sił i pól zachowawczych energia potencjalna. Praktyczna umiejętność sprawdzania czy pole jest polem zachowawczym i obliczania pracy za pomocą całki krzywoliniowej. Praktyczna umiejętność obliczania gradientu funkcji skalarnej. Związek energii potencjalnej z siłą. Kondensatory.Zastosowanie praw Kirchhoffa do analizy obwodów elektrycznych. Pole Magnetyczne Wykorzystanie prawa Ampera do obliczenia pola magnetycznego w nieskończenie długim przewodniku oraz solenoidzie. Prawo Faradaya oraz reguła Lenza. Indukcyjność i samoindukcja. Równania Maxwella i fale elektromagnetyczne Równanie falowe. Energia fali elektromagnetycznej wektor Poyntinga. Optyka geometryczna Analiza prostych układów optycznych. Ćwiczenia laboratoryjne Utrwalenie wiadomości zdobytych na wykładzie poprzez bezpośredni kontakt z eksperymentem fizycznym Ćwiczenia laboratoryjne mają na celu utrwalenie wiadomości zdobytych na wykładzie poprzez bezpośredni kontakt z eksperymentem fizycznym. Celem tych zajęć jest wykształcenie umiejętności planowania i przeprowadzania pomiarów wielkości fizycznych oraz praktyczne wykorzystanie wiedzy w zakresie opracowania wyników pomiarów i analizy niepewności wyników. W ramach tych zajęć studenci samodzielnie wykonują doświadczenia fizyczne według harmonogramu oraz przygotowują sprawozdania z przebiegu ćwiczeń. Zaliczenie odbywa się na podstawie sprawozdań i kolokwium z teorii. Wykonuje się wybrane ćwiczenia z podanego poniżej zestawu. Drgania harmoniczne sprężyny Wyznaczenie współczynnika sprężystości sprężyny i modułu sztywności materiału sprężyny. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości z teorii sprężystości i drgań. Współczynnik lepkości Zapoznanie się z hydrodynamiką cieczy lepkiej, wyznaczanie współczynnika lepkości cieczy metodą Stokesa. Dyskusja i sprawdzenie znajomości praw hydrodynamiki 7 / 9

8 Rezonans akustyczny Obserwacja powstawania akustycznej fali stojącej. Pomiar rezonansu i prędkości dźwięku fali stojącej w rurze Quinckego dla powietrza i CO2. Wyznaczenie stosunku cp/cv i liczby stopni swobody molekuł gazu. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości z ruchu falowego, akustyki i termodynamiki gazów. Wyznaczanie charakterystyki różnych oporników Poznanie zakresu stosowalności prawa Ohma. Obliczenie temperatury włókna żarówki. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości z przewodnictwa elektrycznego, metali półprzewodników i izolatorów. Badanie zależności mocy użytecznej od obciążenia Sprawdzenie prawa Ohma dla obwodu zamkniętego, wyznaczenie: rezystancji wewnętrznej, siły elektromotorycznej i mocy użytecznej. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości dotyczących obwodów elektrycznych prądu stałego. Mostek pojemnościowy Zapoznanie się z pomiarem nieznanej wartości pojemności kondensatora metodą mostka Wheatstone a. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości dotyczących kondensatorów w obwodach elektrycznych. Samoindukcja cewek Wyznaczenie współczynnika samoindukcji cewki poprzez pomiar impedancji dla prądu zmiennego i rezystancji dla prądu stałego. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości dotyczących praw elektromagnetyzmu, w szczególności prawa indukcji Faradaya. Drgania elektromagnetyczne obwodu RLC Obserwacja przebiegów napięcia w obwodzie RLC. Wyznaczenie dekrementu tłumienia i oporu krytycznego. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości dotyczących drgań tłumionych w obwodach elektrycznych RLC. Współczynnik załamania światła dla ciał stałych Wyznaczanie współczynnika załamania ciał stałych za pomocą mikroskopu metodą grubości pozornej. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości z optyki geometrycznej, zasada Fermata. Badanie zjawiska dyfrakcji i polaryzacji światła Obserwacja obrazu dyfrakcyjnego światła laserowego dla pojedynczej szczeliny. Wyznaczenie szerokości szczeliny. Poznanie zjawiska polaryzacji światła. Sprawdzanie prawa Malusa. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości z optyki falowej, ze szczególnym uwzględnieniem zjawisk interferencji, dyfrakcji. Akcja laserowa na przykładzie lasera gazowego i półprzewodnikowego. Poziomy energetyczne atomu wodoru. Stała Rydberga Analiza spektralna widm emisyjnych otrzymanych w wyniku rozszczepienia na siatce dyfrakcyjnej. Wyznaczenie stałej Rydberga i energii jonizacji atomu wodoru. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości z podstaw fizyki atomowej, ze szczególnym uwzględnieniem wzbudzonych stanów atomowych i modelu atomu Bohra. Wyznaczanie ruchliwości i koncentracji nośników prądu w półprzewodnikach metodą efektu Halla Zapoznanie się ze zjawiskiem Halla, wyznaczenie koncentracji i ruchliwości nośników ładunku. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości z elektromagnetyzmu, oddziaływania pola magnetycznego na ładunek (siła Lorentza). Dyskusja podstawowych wiadomości o półprzewodnikach samoistnych, domieszkowanych, ruchliwości i koncentracji nośników. 8 / 9

9 Sposób obliczania oceny końcowej Ocena końcowa obliczana jest zgodnie z regulaminem studiów, jako średnia ważona ocen: zaliczenia ćwiczeń audytoryjnych i laboratoryjnych oraz zaliczenia wykładów (końcowe kolokwium ). Wymagania wstępne i dodatkowe Wymagana jest znajomość podstaw fizyki i matematyki w zakresie programu gimnazjum i liceum. Dodatkowo konieczne jest posiadanie umiejętności posługiwania się rachunkiem różniczkowym i całkowym w stopniu elementarnym. Zalecana literatura i pomoce naukowe 1. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy Fizyki, t.1-5, PWN Warszawa, C. Kittel, Wstęp do Fizyki Ciała Stałego, PWN Warszawa E.M. Purcel, Elektryczność i Magnetyzm, PWN Warszawa R. Eisberg, R. Resnick, Fizyka kwantowa, PWN Warszawa Treść wykładu 6. Instrukcje do na stronie internetowej przedmiotu 7. A. Zięba, Pracownia Fizyczna, WFiTJ, Skrypt Uczelniany SU 1642, Kraków J. Wolny, Podstawy fizyki, AGH Kraków, 2007 Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu Nie podano dodatkowych publikacji Informacje dodatkowe Brak Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS) Forma aktywności studenta Udział w wykładach Samodzielne studiowanie tematyki zajęć Udział w ćwiczeniach audytoryjnych Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych Przygotowanie do zajęć Sumaryczne obciążenie pracą studenta Punkty ECTS za moduł Obciążenie studenta 30 godz 45 godz 30 godz 30 godz 90 godz 225 godz 9 ECTS 9 / 9