POLITECHNIKA OPOLSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI I LOGISTYKI Instytut Matematyki i Fizyki Katedra Fizyki Wykłady z fizyki FIZYKA I dr Barbara Klimesz Politechnika Opolska Opole University of Technology www.po.opole.pl Wydział InżynierIi Produkcji i Logistyki Faculty of Production Engineering and Logistics www.wipil.po.opole.pl
SPRAWY ORGANIZACYJNE Warunki zaliczenia (RSPO): 1) zaliczenie wszystkich form zajęć prowadzonych w ramach danego przedmiotu (ćw. i lab.); 2) uzyskanie pozytywnej oceny (min. dst) z egzaminu. Skala ocen stosowana na uczelni: ocena słowna skrót zapis liczbowy bardzo dobry bdb 5,0 dobry plus db plus 4,5 dobry db 4,0 dostateczny plus dst plus 3,5 dostateczny dst 3,0 niedostateczny nd 2,0
SPRAWY ORGANIZACYJNE Składanie egzaminu: 1) wszystkie egzaminy muszą się odbyć w czasie sesji egzaminacyjnej (30.01.2019 r. - 17.02.2019 r.), określonej w szczegółowej organizacji r. akademickiego 2018/2019; 2) egzamin w formie pisemnej, proponowany termin: 30.01.2019 r. (środa), godz. 9.00-13.00, s. Oz.208; 3) egzamin poprawkowy pisemny/ustny (w zależności od ilości osób), proponowany termin: 06.02.2019 r. (środa), godz. 9.00-13.00, s. Oz.208. Wyniki egzaminów zostaną ogłoszone najpóźniej w ciągu 3 dni roboczych od przeprowadzenia ( 17, ust.4 RSPO). Materiały dydaktyczne dotyczące wykładów: http://www.b.klimesz.po.opole.pl/...
ZALECANA LITERATURA R. Resnick, D. Halliday: FIZYKA (tom 1 i 2), PWN Warszawa; J. Massalski, M. Massalska: FIZYKA DLA INŻYNIERÓW (część 1 i 2), WNT Warszawa; J. Orear: FIZYKA (tom 1 i 2), WNT Warszawa; Cz. Bobrowski: FIZYKA - KRÓTKI KURS, WNT Warszawa; M. Skorko: FIZYKA, PWN Warszawa; A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski: WSTĘP DO FIZYKI (tom 1), PWN Warszawa.
TEMATYKA WYKŁADÓW Kinematyka i dynamika punktu materialnego. Zasady zachowania w mechanice. Grawitacja. Elementy szczególnej teorii względności. Ruch drgający i falowy. Podstawy termodynamiki. Kinetyczna teoria gazu. Optyka geometryczna. Prawa odbicia i załamania. Fale elektromagnetyczne. Promieniowanie widzialne. Promieniowanie świetlne a zjawiska kwantowo - optyczne. Pole elektryczne i magnetyczne - ruch cząstek naładowanych w polu elektrycznym i magnetycznym.
EFEKTY KSZTAŁCENIA (WIEDZA) student ma wiedzę w zakresie fizyki, obejmującą mechanikę, termodynamikę, optykę, elektryczność i magnetyzm, w tym wiedzę niezbędną do zrozumienia podstawowych zjawisk i praw fizycznych występujących w elementach i układach elektronicznych oraz w ich otoczeniu (w, ć) ; student ma uporządkowaną i podbudowaną teoretycznie wiedzę z fizyki przydatną do formułowania i rozwiązywania prostych zadań z zakresu studiowanego kierunku studiów (ć).
EFEKTY KSZTAŁCENIA (UMIEJĘTNOŚCI) student potrafi pozyskiwać informacje z literatury i innych źródeł, integrować uzyskane informacje, dokonywać ich interpretacji, a także wyciągać wnioski oraz formułować i uzasadniać opinie (w, ć) ; student potrafi - przy formułowaniu i rozwiązywaniu zadań inżynierskich dostrzegać ich aspekty fizyczne i wykorzystywać poznane metody analityczne (ć) ; student ma umiejętność samokształcenia się (w, ć).
EFEKTY KSZTAŁCENIA (KOMPETENCJE SPOŁECZNE) student rozumie potrzebę ciągłego dokształcania się, potrafi inspirować i organizować proces uczenia się innych osób (w, ć) ; student potrafi współdziałać i pracować w grupie, przyjmując w niej różne role (ć) ;
FIZYKA JAKO NAUKA Nauka to całokształt wiedzy o przyrodzie będącej uwieńczeniem badań, odkryć, doświadczeń i mądrości wielu pokoleń ludzkich. Fizyka jest nauką przyrodniczą, bada własności świata materialnego oraz zachodzące w nim zjawiska. Zadaniem fizyki jest odkrywanie panującego w przyrodzie porządku oraz formułowanie uniwersalnych praw nim rządzących. Fizyka, opierając się zarówno na pomiarach ilościowych jak i obserwacjach doświadczalnych, zajmuje się najbardziej podstawowymi i ogólnymi właściwościami materii. Teorie fizyczne za pomocą logicznego wnioskowania (dedukcja) pozwalają przewidzieć wyniki przyszłych eksperymentów. Stosując prawa fizyki definiujemy pojęcia fizyczne, których zrozumienie jest konieczne do opisu zjawisk zachodzących w przyrodzie.
WIELKOŚCI FIZYCZNE Wyniki doświadczeń, teorie i prawa fizyczne formułujemy i wyrażamy językiem matematyki (ściśle określone wielkości takie jak np.: długość, masa, czas). Określenie tych wielkości polega na zdefiniowaniu pewnego odpowiedniego standardu. Dobry standard musi być zatem powszechnie dostępny i posiadać własność, która może być określona w sposób wiarygodny (pomiary tej samej wielkości robione przez różne osoby i w różnych miejscach muszą dawać ten sam wynik). W fizyce istnieje kilka systemów standardów (układów jednostek) różniących się wyborem wielkości podstawowych i ich jednostek: CGS (centymetr, gram sekunda) - fizyka teoretyczna; CGSES (elektrostatyczny CGS) CGSEM (elektromagnetyczny CGS) nauka o elektryczności Układ Gaussa (mieszany) Od lat 60-tych zaleca się powszechne i ustawowe stosowanie Międzynarodowego Układu Jednostek SI (franc. Système international d unitès).
UKŁAD JEDNOSTEK SI Lp. nazwa jednostka wielkość fizyczna 1. metr m długość 2. kilogram kg masa 3. sekunda s czas 4. amper A natężenie prądu elektrycznego 5. kelwin K temperatura 6. kandela cd natężenie światła 7. mol mol ilość materii 8. radian rad kąt płaski 9. steradian sr kąt bryłowy
JEDNOSTKI WTÓRNE przedrostek oznaczenie mnożnik eksa E 10 18 penta P 10 15 tera T 10 12 giga G 10 9 mega M 10 6 kilo k 10 3 hekto h 10 2 deka da 10 1 - - 10 0 decy d 10-1 centy c 10-2 mili m 10-3 mikro μ 10-6 nano n 10-9 piko p 10-12 femto f 10-15 atto a 10-18
WIELKOŚCI SKALARNE I WEKTOROWE Do opisania wielkości skalarnych wystarczy podanie jedynie ich wartości i jednostki (podlegają działaniom zwykłej algebry). W przypadku wielkości wektorowych istotna jest również orientacja przestrzenna. Wektor charakteryzuje długość (wartość), kierunek (prosta na której leży wektor) i zwrot (początek czyli punkt przyłożenia i koniec czyli grot wektora) WEKTOR (definicja) AB AB A Wektorem nazywamy uporządkowaną parę punktów AB, z których pierwszy (A) to początek, drugi (B) - koniec wektora. Odległość między początkiem i końcem wektora nazywamy jego długością. zapis zapis AB AB (wektor) B (dług. wektora)
DODAWANIE WEKTORÓW metoda równoległoboku metoda trójkąta a b c b c a dodawanie wektorów jest przemienne a + b = c = b + a
dodawanie wektorów jest łączne a + (b + c)= (a + b) + c c c b + c b a + b b a a nie jest ważne w jakiej kolejności dodajemy i jak grupujemy wektory - w obu przypadkach suma jest jednakowa
ODEJMOWANIE WEKTORÓW a b c -b odejmowanie wektora to dodawanie wektora przeciwnego a - b = c = a + (-b)
SKŁADOWE WEKTORA Dodawanie wektorów metodą graficzną może być trudne; wygodniej jest dodawać wektory po rzutowaniu ich na osie układu współrzędnych (rozkład na składowe). y r y j i φ r r x x r x = r cos φ i r y = r sin φ gdzie: r r 2 2 r x r y (długość wektora) ry tg rx (kąt φ określa kierunek i zwrot wektora) r = ir x + jr y wektor położenia (na płaszczyźnie)
W przestrzeni trójwymiarowej (kartezjański układ współrzędnych) każdy dowolny wektor może być zapisany jako suma trzech jego składowych: r = ir x + jr y + kr z z kr z r WERSOR (wektor jednostkowy) - wektor bezwymiarowy o wartości 1 x ir x jr y y i j k 1
Dodawanie (odejmowanie) analityczne dowolnych wektorów polega na zsumowaniu (odejmowaniu) współrzędnych przy odpowiednich wektorach kierunkowych. PRZYKŁAD: Znaleźć sumę (różnicę) wektorów a i b opisanych w następujący sposób: a = ia x + ja y + ka z zatem: b = ib x + jb y + kb z c = a ± b = i a x ± b x + j a y ± b y + k a z ± b z
ILOCZYN SKALARNY (definicja) Wynikiem mnożenia skalarnego dwóch wektorów jest skalar (liczba). a b = a b cos a, b = c Jeżeli wektory a i b są opisane następująco: a = ia x + ja y + ka z z to: b = ib x + jb y + kb z a b = a x b x + a y b y + a z b z x i k j y przypadki szczególne: gdy φ = 0 o, cosφ = 1, a b = ab (wartość maksymalna); gdy φ = 90 o, cosφ = 0, a b = 0.
ILOCZYN WEKTOROWY (definicja) W wyniku mnożenia wektorowego dwóch wektorów otrzymujemy nowy wektor, którego kierunek i zwrot określa reguła prawej ręki lub śruby prawoskrętnej. a b = a b sin a, b = c Jeżeli wektory a i b są opisane: a = ia x + ja y + ka z to: b = ib x + jb y + kb z a b = i a y b z a z b y + j a z b x a x b z + k a x b y a y b x = c przypadki szczególne: gdy φ = 0 o, sinφ = 0, a b = 0; gdy φ = 90 o, sinφ = 1, a b = ab (wartość maksymalna).
RUCH (podstawowe pojęcia) Kinematyka dział mechaniki zajmujący się opisem samego ruchu ciał (bez wnikania w przyczyny, które ruch ciał spowodował). Punkt materialny - ciało obdarzone masą, ale nie posiadające objętości, a więc takie, które nie może obracać się ani wykonywać drgań własnych (bardzo użyteczne uproszczenie). Ruch jest to zmiana położenia ciała względem jakiegoś układu odniesienia (pojęcie względne). AB - przemieszczenie s - droga krzywoliniowa
PRĘDKOŚĆ ŚREDNIA Prędkość punktu materialnego definiujemy jako zmianę położenia tego punktu w czasie. Prędkość jest wielkością wektorową, ma zatem określoną wartość liczbową i kierunek zgodny z kierunkiem wektora Δr. Wartość liczbowa prędkości wyrażona jest w jednostkach długości podzielonych przez jednostki czasu (np. m/s lub km/h). Prędkość średnia punktu w przedziale czasu t jest zdefiniowana: gdzie: V śr = r t = r 2 r 1 t 2 t 1 = r - wektor przemieszczenia c. przemieszczenie c. czas r 1 i r 2 - wektory położenia w chwili t 1 i t 2
PRĘDKOŚĆ CHWILOWA Jeżeli punkt materialny porusza się ze zmienną prędkością (zmienia się wartość, kierunek lub obie te cechy jednocześnie) konieczne jest określenie jego prędkości w dowolnej chwili czasu. Prędkość chwilową liczymy jako: r V ch = lim t 0 t = dr dt = r w ujęciu matematycznym jako pochodną dr/dt Wartość prędkości chwilowej jest zawsze liczbą dodatnią, równą: V V ch dr dt dr Δr
PRZYSPIESZENIE ŚREDNIE Przyspieszenie punktu materialnego informuje nas o szybkości zmian jego prędkości w czasie. Przyspieszenie średnie definiujemy jako stosunek zmiany prędkości do odpowiadającego jej przedziału czasu: aśr V t V t Wartość przyspieszenia wyrażana jest w jednostkach prędkości dzielonych przez jednostki czasu (np. m/s 2 lub cm/s 2 ). 2 2 V t 1 1 y A ν 1 t 1 B t 2 ν = ν 2 ν 1 ν 2 ν 2 ν 1 Przyspieszenie jest wielkością wektorową, ma kierunek zgodny z kierunkiem wektora ΔV. x
PRZYSPIESZENIE CHWILOWE Jeżeli przyspieszenie punktu materialnego nie jest jednakowe (zmienia się wartość, kierunek lub obie te cechy jednocześnie) należy określić jego przyspieszenie w dowolnej chwili czasu. Przyspieszenie chwilowe liczymy jako granicę właściwą z ilorazu: V a ch = lim t 0 t = dv dt = V w ujęciu matematycznym jako pochodną dv/dt Wartość przyspieszenia chwilowego jest równa: a a ch dv dt UWAGA!!! a ch = a śr, gdy a = const. (prędkość zmienia się jednostajnie w czasie) a = 0, gdy V = const. (wartość i kierunek prędkości są stałe)