PROLOG

Wracasz do domu po kolejnym udanym dniu w szkole ;-)  trochę codziennych zajęć i tak wczesnym wieczorem to znaczy około 22:00, gdy kopnąłeś leżący plecak wypada z niego zeszyt z fizyki. A bo to pierwszy raz? Zeszyt jak zeszyt, ale drań otworzył się w miejscu, gdzie zapisałeś - KARTKÓWKA. Spoko - luzik przeczytałeś trzy razy I zasadę dynamiki Newtona i umiesz na pamięć. Na drugi dzień w szkole małe zdziwko, nie było takiego pytania, pała, za co - przecież się uczyłeś? Pomyśl a czy ktoś pyta kierowcę, co to jest samochód, owszem pytają czy ma prawo jazdy i umie prowadzić pojazd. Ty też musisz się wykazać rozumieniem i umiejętnością stosowania praw i zasad, zacznijmy zatem analizę kilku praw i zasad, których uczysz się w gimnazjum.

I   ZASADA   DYNAMIKI   NEWTONA

„Ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, jeżeli działające na nie siły wzajemnie się równoważą, tzn. ich wypadkowa jest równa zeru. Wszystkie ciała są bezwładne.”

Najpierw oceń czy rozumiesz wszystkie pojęcia tu występujące np. spoczynek, ruch jednostajny, siły równoważące, wypadkowa. Jeśli nie to poszukaj wyjaśnienia w podręczniku, to jest elementarz młodego fizyka. Następnie podziel zdanie na części i spokojnie je przeanalizuj. Potem najważniejsza część - znajdź przykłady z życia potwierdzające słuszność zasady, ale rób to uważnie, dostrzegaj wszystkie oddziaływania i MYŚL. Przykład błędu - kopnięta piłka nie porusza się ruchem jednostajnym tylko opóźnionym i zatrzyma się, a przecież siła ciężkości i reakcji podłoża równoważą się. Nieprawda zapomnieliśmy o oporach ruchu, które nie są zrównoważone. Dobry przykład - jadący ze stałą szybkością samochód: siłę ciężkości równoważy siła reakcji podłoża (nie zaznaczyłem ich by rysunek był czytelny), a siłę napędu równoważy siła oporów ruchu.

I na koniec zastosowanie w problemach i zadaniach. Jeśli w zadaniu będzie gdzieś wspomniane, że ciało porusza się ruchem jednostajnym to masz cenną wskazówkę przy obliczaniu sił, jaką? Oczywiście działające siły się równoważą (wypadkowa sił wynosi zero), czyli w przypadku dwóch sił wiesz, że mają równe wartości i przeciwne zwroty. I na odwrót. Jeśli w zadaniu zapisane jest, że siły się równoważą, a ciało jest w ruchu to już wiesz, jaki to ruch? Tak to ruch jednostajny i używasz odpowiedniego wzoru na szybkość nie myląc z ruchem przyspieszonym. A co z tą bezwładnością? To proste oznacza to, iż każde ciało chce zachować swój stan - jak jest w ruchu to „chce być” w ruchu, a jak jest w spoczynku to „chce być” w spoczynku i aby zmienić jego stan trzeba zadziałać siłą, np., jeśli kula do kręgli jest w spoczynku to, aby wprawić ją w ruch musisz zadziałać siłą, a jak się porusza to by ją zatrzymać też musisz zadziałać siłą. Z tej przyczyny, gdy siedzisz na sankach i ktoś je szarpnie to spadasz - sanki się poruszyły, twoje ciało było w spoczynku i tak chciało pozostać, podobnie jest, gdy autobus rusza lub hamuje - coś Cię ciągnie. Co? NIC jesteś bezwładny.

II   ZASADA   DYNAMIKI   NEWTONA

„Jeśli na ciało działa stała siła wypadkowa   F   (zwrócona zgodnie z prędkością) to porusza się ono ruchem prostoliniowym, jednostajnie przyspieszonym. Wartość przyspieszenia ciała o masie   m   jest wprost proporcjonalna do wartości wypadkowej siły   F   działającej na ciało i odwrotnie proporcjonalna do masy ciała     a = F / m „

Przykłady z życia łatwo podać: ruszający z miejsca samochód - siła napędu nie jest zrównoważona siłą oporów ruchu samochód zwiększa szybkość (przyspiesza), spadające z drzewa jabłko - siła ciężkości (grawitacji) nie jest zrównoważona przez siłę oporów ruchu itp.

(pominięto siły grawitacji i reakcji podłoża, aby rysunek był czytelny)

Z treści II zasady dowiadujesz się, że przyczyną ruchu przyspieszonego jest stała niezrównoważona siła działająca na ciało. Mało tego związek między siłą, a przyspieszeniem jest wprost proporcjonalny, co oznacza, że gdy wzrośnie siła np. 2 razy to przyspieszenie też wzrośnie 2 razy itd. Jest to logiczne nieraz kopnąłeś piłkę i wiesz, że efekt zależy od siły uderzenia. A co z masą? Masa jest we wzorze w mianowniku, czyli gdy wzrośnie to będziesz dzielił przez większą liczbę i wynik przyspieszenia będzie mniejszy, (dlatego mówimy, że przyspieszenie jest odwrotnie proporcjonalne do masy). To też łatwo sprawdzić, działając jednakową siłą na piłkę lekarską i siatkową nadasz większe przyspieszenie piłce siatkowej. Wskazówki do zadań: jeśli w zadaniu jest informacja, że ruch ciała jest jednostajnie przyspieszony to możesz z II zasady obliczyć wypadkową siłę   F = m x a działającą na ciało, jeśli w zadaniu zauważysz informację, że na ciało działa siła niezrównoważona (lub wypadkowa) to możesz to wykorzystać do obliczenia drogi lub szybkości wykorzystując wzory z ruchu jednostajnie przyspieszonego.

III   ZASADA DYNAMIKI   NEWTONA

„Siły wzajemnego oddziaływania na siebie dwóch ciał mają takie same wartości, ten sam kierunek, przeciwne zwroty i różne punkty przyłożenia. Siły te nie równoważą się, bo działają na dwa różne ciała.”

Zasada wydaje się bardzo prosta, ale gdy w konkretnych sytuacjach trzeba zaznaczyć siły uczniowie często się mylą, przykłady pomyłek:
1. Dwaj chłopcy jeden o ciężarze 600N i drugi o ciężarze 300N przeciągają linę, który działa z większą siłą na linę? Pierwsza odpowiedź to oczywiście ten o większym ciężarze, a to zgodnie z III zasadą nieprawda - oddziaływania chłopców są wzajemne, czyli siły, z jakimi działają na linę mają te same wartości (zapewne jednak chłopiec o większym ciężarze wytwarzając większą siłę działającą na podłoże przeciągnie chłopca o mniejszym ciężarze zobacz to w podręczniku do kl. I).
2. Dwa ładunki elektryczne: 1C i 3C odpychają się. Który ładunek działa z większą siłą? Pierwsza myśl to, że ten większy działa większą siłą, a co III zasada na to? Oddziaływania są wzajemne, siły będą miały tę samą wartość. Oczywiście, jeśli ładunki będą umieszczone na ciałach o różnych masach to inny będzie efekt dynamiczny, ciała będą miały inne przyspieszenia (zgodnie z II zasadą to o większej masie uzyska mniejsze przyspieszenie).

Pamiętaj zaznaczając wektory sił przy oddziaływaniach wzajemnych, że mają mieć te same wartości (na rysunku tę samą długość), ten sam kierunek (linie działania) i przeciwne zwroty („strzałki”).

PRAWO   POWSZECHNEGO   CIĄŻENIA

„Każde dwa ciała przyciągają się wzajemnie. Siła wzajemnego przyciągania dwóch ciał kulistych jest wprost proporcjonalna do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ich środkami.”

Treść trochę zawiła dla niektórych, więc parę słów wyjaśnień. „Siła jest proporcjonalna do iloczynu mas ciał” oznacza, że im większy jest iloczyn sił tym większa jest siła a więc gdy wzrośnie jedna masa lub obie to wrośnie siła. Natomiast to, że „siła jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między środkami ciał” oznacza, że gdy wzrośnie odległość między ciałami np. dwa razy to siła zmaleje, ale nie dwa tylko cztery razy, (bo dwa do kwadratu to cztery). Prawo powszechnego ciążenia dotyczy wszystkich ciał, jednak nasze zmysły zauważają jego skutki dopiero wtedy, gdy przynajmniej jedno z działających ciał ma baaaaaaardzo dużą masę, w przypadku małych mas siły przyciągania są duuuuużo mniejsze od oporów ruchu. Dlatego nie zauważasz przyciągania między zeszytem, a książką, ale widzisz jego efekt między zeszytem, a Ziemią. Efekt przyciągania małych cząsteczek widać dopiero w kosmosie, gdzie nie ma sił tarcia, tak powstają gwiazdy z małych atomów wodoru. To prawo mówi też o wzajemności przyciągania, czyli siła, z jaką Ziemia przyciąga zeszyt ma taką samą wartość, jak siła, z jaką zeszyt przyciąga Ziemię, hm to, dlaczego Ziemia nie spada na zeszyt, wiesz? (Jest taka cecha ciał na b…)

ZASADA   ZACHOWANIA   PĘDU

„Jeśli ciała oddziałują tylko z sobą i na skutek tego oddziaływania zmieniają się pędy każdego z nich, to pęd całego układu nie zmienia się. Zostaje taki sam, jak był przed oddziaływaniem.”

Ta zasada sprawia często kłopoty z przeoczenia, że pęd jest wielkością wektorową, niby wszyscy o tym wiedzą, ale w praktyce nie stosują. Prosty przykład: siedzimy nieruchomo w łódce przy pomoście i postanawiamy wyskoczyć z łódki, wszyscy z nas to robili, a niektórzy zapłacili za tę naukę kąpielą. Co się dzieje? Wiadomo my wyskakujemy do przodu, a łódka odpływa do tyłu. Gdy siedzieliśmy w łódce nasz pęd i pęd łódki wynosił zero, bo szybkość wynosiła zero, a po odbiciu łódka i my poruszamy się, czyli nasze pędy nie wynoszą już zero? Co z tą zasadą - przed i po oddziaływaniu pędy powinny być takie same, czyli w naszym przypadku zero? I tak jest przeczyliśmy fakt, że zwroty pędów są przeciwne, a ich wartości równe ( z matematyki wiesz - suma liczb przeciwnych wynosi zero), czyli po oddziaływaniu pęd łódki i nasz razem też wynosi zero. Dobra rada - problemy z pędami ciał dobrze jest narysować, uważaj na zwroty pędów przed i po oddziaływaniu!

 

ZASADA   ZACHOWANIA   ENERGII  MECHANICZNEJ

„Jeśli ciała oddziałują na siebie tylko siłami grawitacyjnymi lub sprężystości, a siła zewnętrzna nie wykonuje nad nimi pracy, to całkowita energia mechaniczna, czyli suma energii potencjalnej i kinetycznej wszystkich ciał tego układu, jest stała.    Ep + Ek = const.”

Zasada zachowania energii jest podstawową zasadą fizyki powołujemy się na nią bardzo często w rozwiązywaniu zadań i problemów, często się pojawia na różnych egzaminach. Łatwo ją zrozumieć na przykładzie rzuconego do góry kamienia. W momencie tuż po wyrzuceniu (lub tuż przed upadkiem) kamień ma maksymalną prędkość vd = max, czyli maksymalną energię kinetyczną i najmniejszą energię potencjalną Epd = 0, bo jest na najniższej wysokości hd = 0. Wznosząc się do zmniejsza swą szybkość (maleje Ek1 ) i zwiększa wysokość (rośnie Ep1 ), następnie osiąga najwyższy pułap, w którym ma największą wysokość (maksymalna Epg ) i najmniejszą szybkość vg = 0 (Ekg = 0), w następnym ułamku sekundy opada i maleje jego wysokość (czyli też maleje Ep2 ) ale rośnie szybkość (czyli rośnie Ek2 ). W każdym miejscu kamień posiada inne wartości energii potencjalnej i kinetycznej, obserwujemy ciągłą i płynną zamianę jednej energii w drugą, ale w każdym miejscu suma energii kinetycznej i potencjalnej wynosi tyle samo (ma stałą wartość).

Dla nas najważniejsze miejsca to dół i góra, bo tam któraś z postaci energii wynosi zawsze zero i porównując energie otrzymamy:

Epd + Ekd = Epg + Ekg

(Epd = 0, Ekg = 0).

Czyli: Ekd = Epg

jeśli wprowadzisz wzory na energie to otrzymamy równanie:

m · vd2 / 2 = m · g · hg

z którego można obliczyć maksymalną wysokość rzutu lub maksymalną szybkość rzuconego ciała, zauważ, że wcale nie jest potrzebna do tego masa bo jak podzielisz obie strony równania przez masę równanie się uprości i otrzymamy:

               vd2 / 2 = g · hg

np. wzór na wysokość rzutu
            hg = vd2 / 2 · g

 

I ZASADA TERMODYNAMIKI

„Energię wewnętrzną ciała ( D E w ) możemy zmienić albo przez wykonanie pracy (W), albo przez przekazanie ciepła (Q). Oczywiście może też nastąpić równoczesne wykonanie pracy i przekazanie ciepła.”   D E w = W + Q

Tę zasadę poznajesz w gimnazjum tylko w ogólnym zarysie, chociaż w życiu odgrywa bardzo ważną rolę. Bez niej trudno sobie wyobrazić wiele procesów w przyrodzie, działanie silników cieplnych, lodówek itd. Pracę nad ciałem można wykonać w różny sposób np. przez: uderzanie, zgniatanie, tarcie, sprężanie itd. Podobnie doprowadzać ciepło można przez: konwekcję (unoszenie się w górę płynów i gazów), promieniowanie, przewodnictwo cieplne. Przykład zastosowania tej zasady widać w silniku spalinowym, gdzie mieszanka paliwowo-powietrzna jest najpierw sprężana (wykonanie pracy W), a następnie zapalana (doprowadzenie ciepła Q w drodze reakcji chemicznej). Dzięki temu spaliny osiągają ogromną energię wewnętrzną i naciskając na tłok wykonują pracę oddając swą energię.
Obieg pracy w czterech kolejnych suwach:
•  suw I (ssanie) - tłok przesuwa się w dół; zawór wlotowy otwiera się; mieszanka zostaje zassana do górnej części cylindra,
•  suw II (sprężanie) - tłok porusza się ku górze; zawór wlotowy zamyka się; mieszanka jest sprężana,
•  suw III (praca) - iskra elektryczna świecy zapala sprężoną mieszankę; powstałe gazy rozprężając się pchają tłok w dół; osadzone na korbowodzie koło zamachowe magazynuje energię uwolnioną w tym suwie powodując, że nie zwalnia on swojego ruchu,
•  suw IV (wydech) - zawór wylotowy otwiera się; tłok przesuwa się ku górze wypychając gazy spalinowe z cylindra.

Rysunek pochodzi z tygodnika "Świat Wiedzy", dział Nauka i technika s. 48, Wydawnictwo Marshall Cavendish Polska Sp. z o.o.

PRAWO   COULOMBA

„Dwa ciała naelektryzowane jednoimiennie odpychają się, a naelektryzowane różnoimiennie przyciągają się. Wartość siły wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych jest wprost proporcjonalna do iloczynu wartości tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ich środkami.” F = k · q1 · q2 / r2

To prawo w części wstępnej jest proste i zrozumiałe, każdy uczeń na lekcji bądź w domu obserwował odpychanie lub przyciąganie się naelektryzowanych ciał np. potarte baloniki o sukno odpychają się, a włosy i grzebień przyciągają się. Więcej problemów jest, gdy trzeba skorzystać z wzoru i tu są dwa problemy. Pierwszy to iloczyn ładunków q1 i q2 . Gdy któryś z ładunków zwiększymy np. 2 razy to iloczyn też wzrośnie 2 razy, czyli siła wzrośnie też 2 razy. Ale załóżmy, że na obu ciałach jest razem ładunek o wartości np. 8C to można go rozdzielić na obu ciałach na dużą ilość sposobów:
1C i 7C iloczyn wyniesie 1 · 7 = 7, lub 2C i 6C iloczyn wyniesie 2 · 6 = 12, lub 3C i 5C iloczyn wyniesie 3 · 5 = 15, ,lub 4C i 4C iloczyn wyniesie 4 · 4 = 16 itd. Widać, że wartość siły, która zależy od tego iloczynu zmienia się zależnie od jego rozkładu i o tym trzeba pamiętać. Drugi problem stwarza r2 (czyli odległość do kwadratu) w mianowniku, uczniowie dostrzegają, że jak wzrośnie odległość (r) to będą dzielić przez większą liczbę i wartość siły zmaleje. Zapominają tylko, że tam jest „r do kwadratu”, czyli gdy odległość wzrośnie np. 2 razy to siła zmaleje 4 razy, bo 22 = 4, gdy odległość zwiększymy 3 razy to siła zmaleje 9 razy, bo 32 = 9 itd. - pamiętaj o tym!

ZASADA   ZACHOWANIA   ŁADUNKU

„W układzie ciał izolowanych elektrycznie od otoczenia całkowity ładunek (suma ładunków dodatnich i ujemnych) nie ulega zmianie. Ładunek może jedynie przemieszczać się z jednego ciała (lub jego części) do innego ciała (lub jego części).”

Proste - pamiętaj ładunek sam nie może powstać i sam nie znika, może jedynie dopłynąć lub odpłynąć, a może to uczynić zawsze pod wpływem sił elektrycznych. W przypadku ciał stałych poruszającym się ładunkiem są elektrony, a w przypadku gazów i cieczy mogą to też być jony dodatnie lub ujemne. Czyli gdy dotykasz dodatnio naelektryzowanym ciałem ciała obojętnego to naelektryzuje się ono dodatnio, bo siły elektryczne na ciele naelektryzowanym dodatnio spowodują przepływ elektronów z ciała obojętnego (przyciągną je) i na tym ciele powstanie nadmiar ładunku dodatniego (naelektryzuje się dodatnio).

 

PRAWO   OHMA

„Natężenie prądu w przewodniku jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego między jego końcami. Stały dla danego przewodnika iloraz napięcia (U) między jego końcami i natężenia prądu (I) w nim płynącego nazywamy oporem elektrycznym (rezystancją) i oznaczamy go R.”   
R = U / I

To proste prawo sprawia kłopot prawie wszystkim młodym elektronikom, chcą aby żarówka jaśniej świeciła podłączają drugie ogniwo szeregowo i pyk, po żarówce. Zapominają, że zwiększenie napięcia 2 razy spowoduje wzrost natężenia prądu 2 razy, a co za tym idzie moc wydzielona na odbiorniku wrośnie 4 razy ( P = U · I) i żarówka się przepali - pamiętaj młody elektryku każda zmiana napięcia wywoła zmianę natężenia.

I   PRAWO   KIRCHHOFFA

„Suma natężeń prądów wpływających do rozgałęzienia jest równa sumie natężeń prądów wypływających z rozgałęzienia.”    I1 + I2 + I3+ …. = II + III + IIII + ….

 

Pozostałe prawa

Prawo Archimedesa
Na każde ciało zanurzone w płynie działa siła wyporu Fw skierowana pionowo do góry i co do wartości równa ciężarowi płynu (cieczy lub gazu) wypartego przez to ciało.

Prawo odbicia światła
Kąt odbicia światła jest równy kątowi padania, przy czym promień padający, odbity i prosta prostopadła do powierzchni granicznej poprowadzona w punkcie padania leżą w jednej płaszczyźnie.

Prawo Pascala
Ciśnienie wywierane na gaz lub ciecz rozchodzi się równomiernie we wszystkich kierunkach.

Prawo zachowania energii
Zasada, zgodnie z którą w układzie izolowanym suma energii (energia całkowita) jest wielkością stałą.

 

---