PODSTAWY FIZYKI

Wykład

– semestr 1 (30 h) i 2 (15 h)

dr hab. inż. Bogusława ADAMOWICZ, prof.nzw. Pol.Śl.
Instytut Fizyki

– Centrum Naukowo-Dydaktyczne,

ul. Krzywoustego 2, p.422

Ćwiczenia rachunkowe

– mgr inż. Rafał UCKA

Literatura

(1) Z. Kleszczewski, Fizyka klasyczna

, skrypt Pol. Śl.

(2) Z. Kleszczewski,

Fizyka kwantowa, atomowa i ciała stałego,

skrypt Pol. Śl.

(3) S. Kończak, A. Klimasek, Wykłady z podstaw fizyki, wyd. Pol.

Śl. 2002

(4) A. Zastawny, Zarys fizyki

, wyd. Pol. Śl. 1997

(5) Cz. Bobrowski, Fizyka

– krótki kurs, WNT, W-wa, 1998

(wyd.VI)

(6) J. Orear, Fizyka, WNT, W-wa, 1998

(6) A. Januszajtis

– Fizyka dla politechnik, PWN, W-wa, 1977

(7) R. Resnick, D. Halliday, Fizyka, PWN, W-wa

(8) R. Feynman,

Wykłady z Fizyki, PWN, W-wa

Przedmiot i metodologia fizyki

Świat zjawisk fizycznych

Oddziaływania fundamentalne i cząstki
elementarne

Wielkości fizyczne

Układy jednostek

Modele matematyczne i fizyczne

Fizyka jest źródłem technologii

Termodynamika



silniki



transport, komunikacja

Elektromagnetyzm



telefon, radio, tv

Optyka



światłowody



telekomunikacja

Fizyka ciała stałego



mikro- i nanoelektronika

Fizyka kwantowa



lasery, masery

Fizyka jądrowa



energetyka

Świat zjawisk fizycznych

10

20

10

10

10

0

10

-10

10

-20

Wiek wszechświata

Człowiek

Neutrony

Mion, pion naładowany
hiperion

Rezonanse

T

(s

ekundy)

Świat zjawisk fizycznych

Świat zjawisk fizycznych

Prawa fizyki są takie same

w całym wszechświecie

Fizyka jest podstawową nauką

przyrodniczą zajmującą się badaniem

najbardziej fundamentalnych i

uniwersalnych własności materii i zjawisk w

otaczającym nas świecie

Struktura materii

– elementarne „cegiełki”

Cząstki elementarne (2001)

Wiemy, że każdy kwark

występuje w 3 kolorach.

Istnieją tylko 3 generacje

kwarków i leptonów.

Przypuszczamy że kwarki i

leptony nie mają struktury

Oddziaływanie Natężenie wzg.

Grawitacyjne 10

-39

Elektromagnetyczne

10

-3

Słabe 10

-5

Silne 1

Oddziaływania fundamentalne

Świat zjawisk fizycznych

2

2

1

r

m

m

G

F

g



2

0

2

1

4

r

q

q

F

e





Prawo grawitacji

Prawo Coulomba

42

10



g

e

F

F

Grawitacja nie odgrywa
znaczącej roli w mikroświecie

F

g

F

g

F

e

F

e

Metodologia Fizyki

METODA:
- obserwacja
- pomiar
-

analiza danych doświadczalnych



hipoteza



model



prawo fizyczne

Wielkości fizyczne

– właściwości ciał lub zjawisk, które można

porównywać

ilościowo

z takimi samymi właściwościami innych

ciał lub zjawisk

• DOŚWIADCZENIE • MODEL MATEMATYCZNY

Pomiar

wielkości fizycznej – porównanie z wielkością tego samego

rodzaju przyjętą za

jednostkę

.

Pomiary fizyczne

–

zawsze

obarczone

błędem

Jednostki podstawowe układu SI

Jednostka długości metr (m)

Jednostka masy kilogram (kg)

Jednostka czasu sekunda (s)

Jednostka natężenia prądu amper (A)

Jednostka temperatury kelwin (K)

Jednostka natężenia światła kandela (cd)

Jednostka ilości (liczności) materii mol (mol)

1 m

t

t=1s

Cs

133

próżnia

t = 1/299792458 s

Przedrostki dla jendostek

wielokrotnych i podwielokrotnych

Niektóre ważne stałe fizyczne

Podział fizyki

klasyczna

kwantowa

nierelatywistyczna

relatywistyczna

h

= 6.62·10

-34

Js

XXI wiek

XX wiek

FIZYKA

c

= 3·10

8

m/s

prędkość światła

stała Plancka

Kinematyka

• Pojęcia podstawowe

• Położenie i tor

• Prędkość i przyśpieszenie

• Przykłady ruchu

Pojęcia podstawowe

Skalary

– masa, czas, temperatura

Wektory

– prędkość, przyspieszenie, siła

Wektor r i jego składowe

z

y

x

r

r

r

r















2

2

2

z

y

x

r

r

r

r















Położenie i tor

Ruch

- zmiana

wzajemnego położenia jednych ciał względem drugich

wraz z upływem czasu



układ odniesienia

Punkt materialny :

obiekt obdarzony

masą, którego

rozmiary (objętość) możemy zaniedbać

Tor (trajektoria)

–

zbiór wszystkich
położeń punktu P

y

x

z

0

tor

P(x,y,z)

r(t)

Ruch jest pojęciem względnym

r



-

wektor wodzący

We współrzędnych kartezjańskich:

)

(t

r

r







)

(

)

(

)

(

t

z

z

t

y

y

t

x

x







Położenie punktu P -

Ruch prostoliniowy punktu materialnego

Położenie – współrzędna

s = s(t)

– funkcja czasu

0

s

1

s

2

A

1

A

2



s



0

t

1

t

2

Prędkość średnia

t

s

t

t

s

s













1

2

1

2

v

m/s

)

v

(



B

1

B

2

Prędkość chwilowa

B

1

B

2

=



s w przedziale czasu



t

dt

ds









t

s

lim

v



t



0

pochodna współrzędnej położenia
względem czasu

Geometryczna interpretacja pochodnej
funkcji

f

`

(x) → nachylenie stycznej

Przykład:

1

`

)

(

)

(







n

n

n

nax

ax

dx

ax

d

dt

t

s

t

t

)

(

v

2

1







Całka oznaczona prędkości

Całkowanie funkcji

dx

x

dF

x

f

)

(

)

(



całka nieoznaczona funkcji f(x):







C

x

F

dx

x

f

)

(

)

(

całka oznaczona funkcji f(x)

w granicach x

1

i x

2

:

)

(

)

(

)

(

1

2

2

1

x

F

x

F

dx

x

f

x

x







Przykład:

C

x

n

a

dx

ax

n

n











1

1

Ruch prostoliniowy jednostajny

V = const

Warunek początkowy: t = 0, s = 0



s = vt

Ruch prostoliniowy zmienny

V

– zależy od czasu: w chwili t

1

(t

2

)

– prędkość v

1

(v

2

)

Przyspieszenie średnie

t

v







a

2

/

)

(

s

m

a



Przyspieszenie chwilowe

2

2

)

(

dt

s

d

dt

ds

dt

d

a











2

1

v

t

t

adt

Ruch prostoliniowy jednostajnie zmienny

a = const

a



0

– ruch jednostajnie przyspieszony

a



0 -

ruch jednostajnie opóźniony

at

adt

t









0

v

Zmiana prędkości

Warunek początkowy: t = 0, v = v

0

Prędkość

v

:

v

– v

0

= at



v = v

0

+ at

Zmiana położenia:

2

0

0

0

0

2

1

v

)

v

(

v

at

t

dt

at

dt

s

t

t

















lub:

2

0

0

2

1

v

at

t

s

s

s











warunek początkowy: t = 0, s = s

0



2

0

0

2

1

v

at

t

s

s







V(t)

t



t

i

V

i

0

s

i

= v

i



t

i

t

2

t

1

i

i

i

t

s







v

dt

t

s

t

t





2

1

)

(

v



t



0

Graficzne przedstawienie ruchu prostoliniowego

a=0

a

t

Ruch jednostajny

v=const

v

t

s = vt

s

t

Ruch jednostajnie przyspieszony

a>0

a

t

a<0

a>0

s

t

a<0

nachylenie stycznej

– v(t)

v

t

a<0

v

0

a>0

pole powierzchni pod
krzywą v(t) - droga

Prędkość jako wektor



















s

m

t

r

sr





v



r

V

r(t+



t) =

r(t)

+



r

x

y

r(t)

Ruch krzywoliniowy

Wektor prędkości średniej

dt

r

d

t

r

t



















0

lim

v

Wektor prędkości chwilowej

Wektor

v

jest zawsze styczny do toru

dt

dz

dt

dy

dt

dx







z

y

x

v

v

v

Wektor przyśpieszenia



















2

v

s

m

t

a

sr





1

v



2

v



2

v



v





Wektor przyspieszenia

średniego

A

V

a

a

s

a

n

R

2

2

0

v

v

lim

dt

r

d

dt

d

t

a

t























Wektor przyspieszenia

chwilowego

2

2

z

2

2

y

2

2

x

dt

v

dt

v

dt

v

dt

z

d

d

a

dt

y

d

d

a

dt

x

d

d

a

z

y

x













n

s

a

a

a











dt

d

a

s

v



R

a

n

2

v



Ruch po okręgu

Droga kątowa



(rad)

Droga liniowa

s =



r

X

y



P

0

x

Y

r

dt

d

r

dt

r

d











)

(

dt

ds

v



r



v

Prędkość kątowa

dt

d







s

rad



)

(



Przyspieszenie

kątowe

2

2

dt

d

dt

d











2

)

(

s

rad





Okres ruchu T

–

czas na przebycie



=2



Gdy



=const to

T=2



/



Częstotliwość f

–

liczba obiegów na
jednostkę czasu

T

f

1



herc

s

f







1

)

(

Hz