Fizyka 1 - pytania do wykładów I. Znaczenie znajomości podstaw fizyki. Rola fizyki w postępie cywilizacyjnym. Metodologia fizyki. 1. Podaj przykłady zjawisk fizycznych. 2. Podaj przykłady koncepcji/wielkości fizycznych koniecznych do opisu zjawisk. 3. Podaj przykłady skalarnych i wektorowych wielkości fizycznych. 4. Co to są podstawowe jednostki fizyczne w danym układzie jednostek? 5. Wymień podstawowe jednostki w układzie SI i opisz jakościowo ich definicje. 6. Co to są pochodne jednostki fizyczne? Jaka jest różnica między wymiarem i jednostką wielkości pochodnej. 7. Podaj przykłady jednostek pochodnych posiadających własne nazwy oraz takich, które nie posiadają własnych nazw. 8. Co to jest pomiar w fizyce? 9. Co to jest niepewność pomiaru i od czego zależy? 10. Co to jest prawo empiryczne? Podaj przykłady. 11. Co to jest teoria fizyczna? Podaj przykład teorii, która wyjaśnia rożne prawa empiryczne. 12. Wymień podstawowe działy fizyki klasycznej i współczesnej. II. Kinematyka 1. Wielkości kinematyczne. Ruch w jednym wymiarze. 1. Wyjaśnij różnicę między prędkością średnią a szybkością średnią. 2. Czy prędkość średnia ruchu może być równa 0 mimo, że obiekt przebył długą drogę? 3. Podaj ścisłe definicje prędkości chwilowej i przyspieszenia chwilowego dla ruchu w jednym wymiarze (1D). 4. Jakie są podstawowe rodzaje ruchu w jednym wymiarze (1D). 5. Napisz zależności położenia, prędkości i przyspieszenia w funkcji czasu dla ruchu jednostajnego i jednostajnie zmiennego w 1D; narysuj odpowiednie wykresy. 6. Czy możliwa jest sytuacja, że obiekt ma zerową prędkość chwilową a niezerowe przyspieszenie? 7. Podaj przykład ruchu jednostajnie zmiennego w naturze. 8. Co to jest ruch harmoniczny? Jaką funkcją czasu jest położenie, prędkość i przyspieszenie w tym ruchu? Narysuj odpowiednie wykresy. 9. Podaj przykład układu, w którym występuje ruch harmoniczny. III. Kinematyka 2. Układy współrzędnych. Ruch w dwóch i trzech wymiarach. 1. Wyjaśnij pojęcie wektora położenia. Co to jest trajektoria ruchu i jaki ma związek z wektorem położenia? 2. Co to jest przemieszczenie i jaki ma związek z wektorem położenia. 3. Podaj ścisłe definicje prędkości chwilowej i przyspieszenia chwilowego dla ruchu w trzech wymiarach (3D). 4. Jak można zdefiniować szybkość w ruchu 3D? 5. Jak wektor położenia zależy od czasu w ruchu jednostajnym po okręgu? Jak zależą od czasu prędkość i przyspieszenie? Przyjmij, że środek kartezjańskiego układu współrzędnych w płaszczyźnie ruchu pokrywa się ze środkiem okręgu-trajektorii. 6. Co to jest przyspieszenie dośrodkowe?
7. Czy wektor prędkości jest zawsze styczny do toru ruchu (trajektorii)? a wektor przyspieszenia? 8. Czy wektor przyspieszenia w ruchu po okręgu zawsze pokrywa się z promieniem wodzącym? 9. Jak wyznaczyć wartość przyspieszenia stycznego, a jak jego kierunek i zwrot? 10. Jeśli w płaszczyźnie ruchu w rzucie ukośnym umieścimy kartezjański układ współrzędnych tak, że oś X jest równoległa do powierzchni ziemi a oś Y do niej prostopadła, to jak współrzędne x i y zależą od czasu? 11. Rozważmy dwa układy odniesienia A i B poruszające się względem siebie ruchem jednostajnym z prędkością V AB wzdłuż osi X. Jeśli poruszający się w przestrzeni punkt w układzie A ma prędkość i przyspieszenie odpowiednio v A, a A (wektory) to jakie są jego prędkość i przyspieszenie w układzie B. IV. Zasady dynamiki Newtona. Rozwiązywanie równań ruchu. tarcie, dynamika ruchu krzywoliniowego, nieinercjalne układy odniesienia. 1. Wyjaśnij różnicę między pojęciami: układ współrzędnych i układ odniesienia. 2. Sformułuj I Zasadę Dynamiki Newtona nie używając pojęcia siły. Wyjaśnij dla czego I Zasada Dynamiki miała charakter przełomowy w fizyce, i dlaczego mówimy o niej, że jest postulatem. 3. Podaj definicję siły. Jak opisać cechę ciał nazywaną bezwładnością. Co to jest masa? 4. Sformułuj II i III Zasadę Dynamiki Newtona. 5. Wymień podstawowe oddziaływania w przyrodzie i uszereguj je według zasięgu; podaj przykłady ich występowania. 6. Sformułuj równanie ruchu dla: a) stałej siły działającej na punt materialny, b) siły proporcjonalnej do prędkości (np. opór powietrza), c) siły sprężystości. 7. W jaki sposób z zasad dynamik wynika zachowanie się współrzędnych ciał w rzucie ukośnym? V. Proste układy mechaniczne. Tarcie. Nieinercjalne układy odniesienia. 1. Co to są siły kontaktowe (podaj przykłady)? które z oddziaływań podstawowych odpowiedzialne są za siły kontaktowe? 2. Od czego zależy siła tarcia. Jaka jest różnica miedzy tarciem statycznym a kinetycznym. Wyjaśnij zasadę działania systemu ABS (Anti Blocking System) w samochodzie. 3. Co to jest wykres ciała swobodnego w analizie układu mechanicznego (podaj przykłady). 4. Co to jest nieinercjalny układ odniesienia? podaj ścisłą definicję. 5. W nieinercjalnym układzie odniesienia obracającym się z prędkością kątową i przyśpieszeniem kątowym (wokół chwilowej osi obrotu) i przyspieszającym z przyspieszeniem a R ciało o masie m, na które działa realna (fizyczna) siał F, doznaje przyspieszenia: a' a ar r' 2 v' ( r' ). Wyjaśnij pochodzenie poszczególnych składników i nazwij związane z nimi siły. 6. Podaj przykłady działania sił bezwładności.
VI. Prawo powszechnego ciążenia. 1. Wyjaśnij co to znaczy, że prawa Keplera są prawami empirycznymi. 2. Sformułuj prawo powszechnego ciążenia. 3. Opisz ideę pomiaru stałej grawitacyjnej wykonanego przez Cavendisha. 4. Jakie są możliwe trajektorie satelitów (planet, komet, asteroid) w polu grawitacyjnym gwiazdy, np. Słońca? 5. Jak korzystając z prawa powszechnej grawitacji oraz znajomości stałej grawitacyjnej można wyznaczyć masę Słońca czy masę Ziemi? 6. Co mówi zasada równoważności? 7. Co mówi zasada superpozycji? 8. Jak obliczyć prędkość satelity na orbicie kołowej o danym promieniu? 9. Co to jest I prędkość kosmiczna? Z jakiego warunku oblicza się ją i ile wynosi w przybliżeniu? 10. Co to jest satelita geostacjonarny (geosynchroniczny), jak usytuowana jest jego orbita i jaki jest jej promień (w przybliżeniu)? W jaki celach umieszcza się na orbicie takiego satelitę? 11. Jaka jest różnica między ciężarem a siłą grawitacji? W jakich miejscach na kuli ziemskiej ciężar jest dokładnie równy sile grawitacji? 12. Co to jest stan nieważkości? Czy występuje on tylko wtedy gdy siła grawitacji jest równa zero? 13. Jaka siła grawitacji działa na astronautę znajdującego się w stacji kosmicznej na wysokości 600km nad powierzchni ziemi (w stosunku do siły grawitacji na powierzchni ziemi), a jaki jest jego ciężar? 14. W jaki sposób powinien poruszać się samolot aby pasażerowie znajdujący się wewnątrz odczuli stan nieważkości? VII. Pęd ciała. Zasada zachowania pędu. Popęd siły (impuls). Zderzenia idealnie niesprężyste. 1. Podaj definicję pędu. 2. Sformułuj II Zasadę Dynamiki używając pojęcia pędu. 3. Pokaż w jaki sposób Zasada Zachowania Pędu wynika z III Zasady Dynamiki dla układu dwóch punktów materialnych. 4. Podaj definicję środka masy układu dwóch punktów materialnych w 1D. 5. Sformułuj II Zasadę Dynamiki dla układu punktów materialnych. 6. Uogólnij zasadę zachowania pędu oraz pojęcie środka masy na układ wielu punktów materialnych. 7. Podaj przykłady zjawisk, które można wyjaśnić w oparciu z zasadę zachowania pędu. 8. Podaj przykłady układów/zjawisk, w których szczególną rolę odgrywa środek masy. 9. Jak definiujemy popęd siły (impuls)? 10. Pokaż jak z II zasady dynamiki wynika, że popęd siły (impuls) jest równy zmianie pędu. 11. Korzystając z pojęcia popędu siły wyjaśnij różnice fizyczne między zderzeniami miękkimi a twardymi. 12. Wyjaśnij ideę działania: pasów bezpieczeństwa, poduszki powietrznej w samochodzie. 13. Opisz fizykę doskonale niesprężystego, centralnego zderzenia dwóch ciał.
VIII. Praca i energia mechaniczna. Praca, energia kinetyczna i potencjalna, twierdzenie o pracy i energii, zasada zachowania energii. 1. Podaj definicję pracy elementarnej oraz ogólną definicję pracy na pewnej drodze. 2. Co to jest energia kinetyczna oraz zasada równości pracy siły wypadkowej i zmiany energii kinetycznej. 3. W jakich okolicznościach można stosować pojęcie energii potencjalnej i jak wówczas definiujemy energię potencjalną? 4. Sformułuj zasadę zachowania energii mechanicznej oraz zasadę równości pracy siły zewnętrznej i zmiany energii mechanicznej. 5. Co to jest zderzenie idealnie sprężyste? 6. Podaj formułę na energię potencjalną w jednorodnym polu sił (np. w polu grawitacyjnym przy powierzchni ziemi)? 7. Podaj formułę na energię potencjalną w polu siły centralnej 1/r 2 (np. w polu grawitacyjnym Ziemi). 8. Co to jest prędkość ucieczki (II prędkość kosmiczna), jak ją można obliczyć i jaka jest jej wartość w przybliżeniu? 9. Podaj formułę na energię potencjalną siły sprężystości F = kx. 10. Czy w rzucie ukośnym, jeśli pominiemy opór powietrza, ciało ma cały czas taką samą energię mechaniczną? 11. Czy satelita okrążający Ziemię po orbicie ma cały czas taka samą energię mechaniczną? IX. Drgania i fale 1. Podaj przykłady zjawisk periodycznych w fizyce. 2. Podaj przykłady oscylatorów mechanicznych 0D, 1D, 2D i 3D. 3. Napisz podstawową funkcję opisującą oscylacje i wyjaśnij znaczenie występujących w niej parametrów. 4. Napisz równanie różniczkowe oscylatora harmonicznego. 5. Przeanalizuj układy spełniające równanie różniczkowe oscylatora harmonicznego: masa na sprężynie, wahadło, obwód elektryczny LC. Napisz równanie różniczkowe drgań tłumionych (z siłą tłumiącą proporcjonalną do szybkości) i przedyskutuj (jakościowo) rozwiązania. 6. Podaj przykłady oscylatorów tłumionych. 7. Napisz równanie różniczkowe drgań wymuszonych i przedyskutuj (jakościowo) rozwiązania. 8. Wyjaśnij na czym polega zjawisko rezonansu. 9. Podaj przykłady zastosowań zjawiska rezonansu w technice. 10. Wyjaśnij znaczenie pojęcia analiza harmoniczna oscylacji. Co to są składowe harmoniczne. 11. Podaj najbardziej ogólną definicję fali. 12. Podaj przykłady fal wraz z opisem ich podstawowych cech. 13. Napisz podstawową funkcję opisującą falę rozchodzącą się w jednym wymiarze i wyjaśnij znaczenie występujących w niej parametrów (amplituda, częstość kołowa, liczba falowa). 14. Co to jest prędkość fazowa fali? 15. Napisz równanie różniczkowe fali w jednym wymiarze. 16. Co mówi zasada superpozycji fal?
17. Jaki jest wynik superpozycji fal biegnących w tym samym kierunku lecz różniących się niewiele częstością? Co to jest prędkość grupowa fali? 18. Jaki jest wynik superpozycji identycznych fal w 1D rozchodzących się w przeciwnych kierunkach? Podaj przykłady takich sytuacji w przyrodzie i technice. 19. Co to jest fala stojąca? Podaj przykłady występowania/wykorzystania zjawiska fali stojącej. X. Dynamika ruchu obrotowego. 1. Podaj przykłady zjawisk/układów, w których występuje ruch obrotowy. 2. Podaj ogólne definicje momentu siły i momentu pędu. 3. Jak można zapisać II zasadę dynamiki korzystając z wielkości: moment siły i moment pędu dla pojedynczej cząstki. 4. W jakich warunkach moment pędu pojedynczej cząstki jest zachowany. 5. Które z praw Keplera (empiryczne) wynika z zasady zachowania momentu pędu pojedynczej cząstki w polu sił centralnych? 6. Sformułuj II Zasadę Dynamiki dla układu punktów materialnych z wykorzystaniem momentu pędu i momentu siły. 7. Sformułuj zasadę zachowania momentu pędu. 8. Podaj przykłady zjawisk, w których ujawnia się zasada zachowania momentu pędu. 9. Podaj przykłady wykorzystania zasady zachowania momentu pędu w technice. 10. Wyjaśnij związek między istnieniem por roku a zasadą zachowania momentu pędu. XI. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej wokół sztywnej osi 1. Podaj definicję bryły sztywnej. 2. Zdefiniuj moment bezwładności bryły sztywnej względem sztywnej osi. 3. Pokaż analogie między opisem ruchu, dynamiki i energii kinetycznej punktu materialnego w jednym wymiarze i bryły sztywnej wokół sztywnej osi. 4. Na szczycie równi pochyłej ustawiono 3 obiekty: klocek, pełny walec, pusty walec, a następnie uwolniono je. Klocek zsuwa się bez tarcia a walce staczają bez poślizgu. W jakiej kolejności dotrą do końca równi (odpowiedź uzasadnij). 5. Napisz równanie swobodnego ruchu obrotowego bryły sztywnej wokół środka masy, z wykorzystaniem wielkości: wektor momentu siły, wektor moment pędu, tensor momentu bezwładności. XII. Elementy hydromechaniki płynów. 1. Podaj definicję i jednostki ciśnienia; co to jest parcie? 2. Typowe ciśnienie atmosferyczne wynosi ok. 1000HPa. Jakie parcie wywiera to ciśnienie na powierzchnię 1m 2? 3. Sformułuj prawo Pascala. 4. Jaka jest wartość parcia na powierzchnię 1m 2 na dnie Rowu Mariańskiego ( 10000m) 5. Sformułuj prawo Archimedesa, w jaki sposób wynika ono z prawa Pascala? 6. Korzystając z prawa Pascala wyjaśnij zjawisko zachowania cieczy w naczyniach połączonych. 7. Opisz i wyjaśnij doświadczenie z półkulami Makdeburskimi.
8. Wyjaśnij zasadę działania barometru rtęciowego, przyssawek, podnośnika hydraulicznego. 9. Dlaczego nie można użyć pompy ssącej aby wypompować wodę z głębokiej studni? 10. Sformułuj prawo ciągłości strugi dla cieczy nieściśliwej. 11. Sformułuj prawo Bernoulliego przepływu cieczy nieściśliwej. 12. Podaj przykłady zjawisk/zastosowań, w których ujawnia się prawo Bernoulliego. 13. Wyjaśnij pochodzenia siły nośnej samolotu. 14. Wyjaśnij różnicę między przepływem laminarnym a turbulentnym. 15. Opisz i wyjaśnij zachowanie lecącej podkręconej piłki ( rogal ). 16. Na czym polega zjawisko napięcia powierzchniowego, co jest miarą napięcia powierzchniowego? 17. Wyjaśnij zjawisko włoskowatości. XIII. Elementy termodynamiki fenomenologicznej. 1. Określ klasę (podaj przykłady) zjawisk/układów, którymi zajmuje się termodynamika. 2. Zdefiniuj liczbę Avogadro. 3. Wyjaśnij sens podstawowych koncepcji termodynamiki: układ, układ izolowany, parametry stanu (np. objętość, ciśnienie, temperatura), stan równowagi, równanie stanu, funkcja stanu, kontakt termiczny, równowaga termiczna, proces kwazistatyczny (odwracalny). 4. Sformułuj zerową zasadę termodynamiki; podaj definicję temperatury. 5. Podaj fenomenologiczną definicję energii wewnętrznej. 6. Sformułuj I zasadę termodynamiki. 7. Podaj fenomenologiczną definicję entropii, sformułuj II zasadę termodynamiki. 8. Podaj fenomenologiczną definicję gazu doskonałego. 9. Scharakteryzuj podstawowe przemiany gazu doskonałego z punktu widzenia I zasady termodynamiki. 10. W jakiej przemianie gazu doskonałego entropia nie zmienia się (przemiana izoentropowa)? 11. W jakiej przemianie gazu doskonałego energia wewnętrzna nie zmienia się? 12. W jakiej przemianie gazu doskonałego układ wymienia energię z otoczeniem tylko w postaci ciepła? 13. W jakiej przemianie gazu doskonałego układ wymienia energię z otoczeniem tylko w postaci pracy mechanicznej? 14. Opisz przemiany energii i temperatury przy adiabatycznym rozprężaniu gazu doskonałego do próżni. 15. Co to jest silnik cieplny? 16. Jak definiujemy sprawność silnika cieplnego? 17. Opisz model idealnego silnika cieplnego pracującego między dwiema temperaturami T1, T2 (cykl Carnota). 18. Podaj formułę na sprawność silnika Carnota? 19. Opisz działanie chłodziarki i pompy cieplnej na przykładzie cyklu Carnota. 20. Jak definiujemy sprawność pompy cieplnej? Podaj formułę na sprawność pompy cieplnej Carnota?
XIV. Elementy termodynamiki statystycznej. 1. Na jakich założeniach opiera się teoria kinetyczna gazu doskonałego? 2. Jak ciśnienie i temperatura wiążą się z charakterystykami mechanicznymi cząsteczek z modelu gazu doskonałego? 3. Co to jest stopień swobody układu i o czym mówi zasada ekwipartycji energii? 4. Ile wynosi energia wewnętrzna gazu doskonałego: jednoatomowego i dwuatomowego. 5. Wyjaśnij co to jest rozkład Maxwella-Boltzmanna 6. Podaj statystyczną definicję entropii w układzie izolowanym (definicja Boltzmana). 7. Korzystając ze statystycznej definicji entropii wyjaśnij zjawisko adiabatycznego rozprężania gazu doskonałego do próżni.