1.Fizyka jako nauka badająca podstawowe formy istnienia materii i 
związki miedzy nimi . 
2. Kinematyka i dynamika punktu materialnego . 
3. Zasady zachowania w mechanice . 
4. Pole grawitacyjne . 
5. Drgania i fale mechaniczne . 
6. Prawo Coulomba, doświadczenie Millikana . 
7. Prawo Gaussa. Pojemność kondensatora płaskiego. 
8. Prawo Ohma. Prawa Kirchhoffa . 
9. Pole magnetyczne. Prawo Ampera. Siła Lorenttza. Siła 
elektrodynamiczna. Prawo Gaussa dla tego pola. 
10. Odzziaływanie przewodników z prądem. Definicja ampera. 
11. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Siła elektromotoryczna 
indukcji. Prawo ampera. Prąd przesunięcia. 
11. Równania Maxwella. Fale elektomagnetyczne i ich widmo . 

Kinematyka i dynamika punktu materialnego . 

Kinematyka zajmuje się związkami między położeniem, prędkością i przyspieszeniem badanej cząstki – nie obchodzi nas, skąd bierze się przyspieszenie czy przyczyna, która ruch powoduje (siła).

Pojęcia wstępne

• Ruch mechaniczny – zmiana wzajemnego położenia ciał w przestrzeni (lub jednych ich części względem drugich) pod wpływem czasu.

• Punkt materialny – ciało, którego rozmiary i kształty możemy w danym zagadnieniu pominąć.

• Układ odniesienia – ciało, jego część lub grupa ciał względem siebie nieruchomych, względem których podajemy położenie danego ciała w przestrzeni.

• Równania ruchu – opisują zmiany położenia ciała w przestrzeni w funkcji czasu.

• Trajektoria ruchu – krzywa w przestrzeni, opisująca zmianę położenia ciała.

Klasyfikacja ruchów

1. Ze względu na tor (trajektorię) ruchu:

   • prostoliniowe (postępowe);

   • krzywoliniowe (w tym: po okręgu);

2. Ze względu na zależność położenia od czasu:

   • jednostajne;

   • jednostajnie przyspieszone;

   • pozostałe...;

Dynamika punktu materialnego

Dynamika to dział mechaniki, w którym bada się związki między wzajemnymi oddziaływaniami ciał i zmianami ich ruchu. Dynamika zajmuje się siłami działającymi na ciała i źródłami tych sił.

Punkt materialny to ciało, którego rozmiary są do zaniedbania w danym zagadnieniu dynamiki. Zaniedbujemy również rozkład przestrzenny masy tego ciała.

DEFINICJE

Masa m ciała to wielkość fizyczna, charakteryzująca ciało:

1. miara „liczebności” materii (stąd stare definicje typu wzorca masy w Sèvres pod Paryżem albo definicje oparte na izotopie węgla C₁₂);

2. miara bezwładności ciała, czyli jego reakcja na działającą nań siłę oraz prędkość, osiągana pod działaniem tej siły;

Pęd to iloczyn masy ciała i jego prędkości wektorowej:

Siła to wielkość wektorowa, która jest miarą oddziaływania mechanicznego innych ciał na dane ciało; definiujemy ją jako zmianę pędu w czasie:

Zasady dynamiki Newtona

I. Zasada:

• Każde ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, dopóki działanie innych ciał nie zmusi go do zmiany tego stanu;

• Ciało pozostaje w stanie spoczynku lub stałej prędkości, gdy jest pozostawione samo sobie (działająca na nie siła wypadkowa jest równa zeru);

Inaczej nazywana zasadą bezwładności.

II. Zasada:

• Zmiana ruchu jest proporcjonalna do przyłożonej siły i zachodzi w kierunku działającej siły;

• Tempo zmiany pędu ciała jest równe sile wypadkowej działającej na to ciało;

Dla ciał o stałej masie:

a stąd:

Jeżeli na ciało działa stała, niezrównoważona siłą wypadkowa , to ciało to porusza się ruchem jednostajnie przyspieszonym z przyspieszeniem proporcjonalnym do tej siły a odwrotnie proporcjonalnym do masy – miary bezwładności tego ciała.

III. Zasada:

• Działania na siebie dwóch ciał są zawsze równe, lecz przeciwnie skierowane;

• Gdy dwa ciała oddziałują wzajemnie, to siła wywierana przez ciało drugie na pierwsze jest równa i przeciwnie skierowana do siły, jaką ciało pierwsze działa na drugie ciało;

Te siły oddziaływania między ciałami nazywane są siłami reakcji (albo: siłami oddziaływania).

Siły kontaktowe i siły tarcia

• Siły kontaktowe:

Gdy dwa ciała są dociskane do siebie, występują miedzy nimi siły kontaktowe, których źródłem jest siła odpychająca między atomami obu ciał.

• Siły normalne (prostopadłe):

Składowe sił kontaktowych, prostopadłe do powierzchni rozdzielających ciała (np. siła nacisku ciężaru na podłoże i siła reakcji podłoża na ten nacisk).

• Siły tarcia:

Równoległe do powierzchni styku dwóch ciał składowe siły kontaktowej.

Pole grawitacyjne.

Pole grawitacyjne.

Jest to taka własność przestrzeni, w której na umieszczone w niej ciała działają siły grawitacji.

Prawo powszechnej grawitacji (prawo jedności przyrody.

Dwa ciała przyciągają się wzajemnie siłami wprost proporcjonalnymi do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalnymi do kwadratu odległości między ich środkami:



Onaczenia:
F_G - siła grawitacji;
G - stała grawitacji;
M - maca pierwszego ciała;
m - masa drugiego ciała;
r - odległość między środkami ciał;
- wersor (stosunek wektora do jego długości - pokazuje kierunek siły)


Stała grawitacji.

Jest to wielkość z jaką przyciągają się dwa punkty materialne, z których każdy ma masę i które są oddalone od siebie o . Jest ona równa  N. Jej  symbolem jest G.

Przyspieszenie grawitacyjne :



Przyspieszenie grawitacyjne jest związane z ciałem.

Oznaczenia:
F_G - siła grawitacji;
G - stała grawitacji;
m - maca ciała;
M - masa źródła;
r - odległość między środkiem cała a środkiem źródła; 
 - wersor (stosunek wektora do jego długości - pokazuje kierunek siły)

Natężenie pola grawitacyjnego

Jest to siła grawitacji przypadająca na jednostkę masy ciała wprowadzonego do pola.

 

Natężenie pola grawitacyjnego jest związane z punktem.

Oznaczenia:
G - stała grawitacji;
m- jednostkowa masa;
M - masa źródła;
r - odległość między punktem a środkiem źródła; 
 - wersor (stosunek wektora do jego długości - pokazuje kierunek siły)


Praca w polu grawitacyjnym.

Praca w polu grawitacyjnym zależy od położenia początkowego i końcowego - nie zależy od drogi.



Oznaczenia:
W - praca;
G - stała grawitacji;
m- masa ciała;
M - masa źródła;
r₀ - położenie początkowe;
r - położenie końcowe

Energia potencjalna pola grawitacyjnego.

Jest to praca, jaką wykonają siły zewnętrzne przemieszczając ciało z nieskończoności do punktu oddalonego o r od źródła.

      ,    

Oznaczenia:
E_P - energia potencjalna;
G - stała grawitacji;
m- masa ciała;
M - masa źródła;
r - odległość między środkami źródła i ciała

Potencjał pola grawitacyjnego.

Jest to energia pola grawitacyjnego przypadająca na jednostkę masy ciała wprowadzonego do pola grawitacyjnego.

 

Oznaczenia:

V - stała grawitacji;
E_P - energia potencjalna;
G - stała grawitacji;
m- masa ciała;
M - masa źródła;
r - odległość danego punktu od środka źródła.

Drgania - procesy, w trakcie których wielkości fizyczne na przemian rosną i maleją w czasie.

Szczególnymi rodzajami drgań rozpatrywanymi w fizyce są:

1. drgania mechaniczne (ruch drgający): wahadło matematyczne, ciało na sprężynie, wahadło fizyczne, drgania cząsteczek sieci krystalicznych, drgania strun instrumentów muzycznych, drgania powietrza itp.

2. drgania elektryczne: okresowe zmiany natężenia prądu np. w układzie kondensatora i cewki itp.

3. drgania elektromechaniczne: np. drgania krystalicznych sieci jonowych, drgania plazmy w polu magnetycznym lub elektrycznym itp.

Bez względu na drgającą wielkość stosuje się podział ruchu drgającego ze względu na własności matematyczne funkcji opisującej drgania lub, co jest równoważne, na równania opisujące zachowanie się układu drgającego. Wyróżnia się:

1. drgania okresowe

2. drgania nieokresowe

Wśród drgań okresowych wyróżnia się często spotykany i najprostszy w opisie matematycznym ruch harmoniczny, a w drganiach nieokresowych drgania prawie okresowe.

Fala mechaniczna - fala rozchodząca się w ośrodkach sprężystych poprzez rozprzestrzenianie się drgań tego ośrodka. Przykładami fal mechanicznych są fale morskie, fale dźwiękowe, fale sejsmiczne.

Fale mechaniczne mogą być falami podłużnymi (np. fala dźwiękowa) lub poprzecznymi (np. fala na wodzie).

W procesie rozchodzenia się fali zasadnicze znaczenie ma proces odwracalnych przemian potencjalnej energii mechanicznej (energii ciśnienia bądź naprężenia) w energię kinetyczną. W czasie tych przemian część energii jest tracona. Zjawisko to nazywamy tłumieniem fali. Poszczególne ośrodki mogą znacznie różnić się własnościami mechanicznymi, co prowadzi do znacznych różnic w przebiegu zjawisk falowych w różnych materiałach. Dla przykładu w stali dźwięk rozchodzi się w przybliżeniu 20 razy szybciej niż w powietrzu. Zjawiska sprężyste powodują, że przyłożenie naprężenia do materiału, również może zmienić jego własności jako medium przenoszącego fale. Przykładem może być struna, w której szybkość rozchodzenia się fali zmienia się zależnie od jej naprężenia, co wykorzystuje się do strojenia instrumentów strunowych.

Prawo Coulomba głosi, że siła wzajemnego oddziaływania dwóch punktowych ładunków elektrycznych jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Jest to podstawowe prawo elektrostatyki. Zostało ono opublikowane w 1785 roku przez francuskiego fizyka Charles'a Coulomba. Prawo to można przedstawić za pomocą wzoru:

,

w którym:

F - siła wzajemnego oddziaływania dwóch punktowych ładunków elektrycznych,

q₁ , q₂ - punktowe ładunki elektryczne,

r - odległość między ładunkami,

k - współczynnik proporcjonalności:

Eksperyment Millikana - przeprowadzone w 1911 przez Roberta Millikana doświadczenie, w którym wykazał stałość ładunku elektronu i wyznaczył jego wartość.

Millikan rozpylał krople oleju w powietrzu, podczas rozpylania krople elektryzowały się. Mogły być też elektryzowane przez promieniowanie rentgenowskie. Krople wpadały do kondensatora gdzie mogły być obserwowane z przez mikroskop. Zamknięcie obwodu elektrycznego wytwarzało jednorodne pole elektryczne między poziomymi okładkami, które wywoływało dodatkową siłę przeciwstawiającą się opadaniu kropli pod wpływem ciężaru. Na podstawie prędkości ruchu kropli możliwe było określenie sił działających na kroplę: grawitacyjnej, elektrycznej i siły oporu, a z niego wartości ładunku kropli. Millikan stwierdził, opracowując własne doświadczenia, kwantyzację ładunku kropli. Ładunki te były wielokrotnościami podstawowej wartości - ładunku elektrycznego elekronu.

Prawo Gaussa.
Prawo Gaussa służy do obliczania natężeń pochodzących od poszczególnych ciał. Aby posłużyć się prawem Gaussa należy wybrać dowolną powierzchnię zamkniętą wokół źródła (np. sferę).



Strumień pola elektrycznego obejmowany przez dowolną powierzchnię zamkniętą jest proporcjonalny do sumy ładunków zawartych wewnątrz powierzchni.

Podczas rozwiązywania zadań korzysta się najczęściej z równości:
,
 
gdzie Q to ładunek punktowy, E - szukane natężenie, wartość w nawiasie - pole dowolnej sfery otaczającej ładunek, r - promień sfery. Podane równanie służy do obliczenia natężenia pochodzącego od jednego ładunku punktowego. 

Oznaczenia:
f - strumień pola; 
E - natężenie pola;
e₀ - przenikalność elektryczna próżni;
n - ilość ładunków obejmowanych przez daną  powierzchnię zamkniętą

Kondensator.

Jest to układ dwóch przewodników oddzielonych od siebie dielektrykiem, przy czym jeden z nich jest uziemiony. Kondensator działa na zasadzie indukcji.

Kondensator płaski - dwie, równoległe przewodzące płyty z przewodnika oddzielone izolatorem. Jedna z tych płyt jest uziemiona.

1Pojemność kondensatora płaskiego: 



Oznaczenia:
C - pojemność; 
₀ - przenikalność elektryczna próżni; 
_r - przenikalność elektryczna izolatora oddzielającego okładki; 
s - powierzchnia okładek; 
d - odległość między okładkami.

Prawo Ohma mówi, że natężenie prądu stałego I jest proporcjonalne do całkowitej siły elektromotorycznej w obwodzie zamkniętym lub do różnicy potencjałów (napięcia elektrycznego U) między końcami części obwodu nie zawierającej źródeł siły elektromotorycznej.

Prawidłowość tę odkrył w 1827 roku niemiecki fizyk, profesor politechniki w Norymberdze i uniwersytetu w Monachium Georg Simon Ohm. Można ją opisać jako:

Współczynnik proporcjonalności w tej relacji nazywany jest konduktancją, oznaczaną przez G.

lub w ujęciu tradycyjnym:

Odwrotność konduktancji nazywa się rezystancją (lub oporem elektrycznym) przewodnika i oznaczana jest wielką literą R:

Prawo Ohma określa opór elektryczny przewodnika:

Prawo to jest prawem doświadczalnym i jest dość dokładnie spełnione dla ustalonych warunków przepływu prądu, szczególnie temperatury przewodnika. Materiały, które się do niego stosują, nazywamy przewodnikami omowymi lub "przewodnikami liniowymi" - w odróżnieniu od przewodników nieliniowych, w których opór jest funkcją natężenia płynącego przez nie prądu. Prawo to także nie jest spełnione gdy zmieniają się parametry przewodnika, szczególnie temperatura. Ze wszystkich materiałów przewodzących prawo Ohma najdokładniej jest spełnione w przypadku metali.

Pierwsze prawo Kirchhoffa - prawo dotyczące przepływu prądu w rozgałęzieniach obwodu elektrycznego, sformułowane w 1845 roku przez Gustawa Kirchhoffa. Prawo to wynika zzasady zachowania ładunku czyli równania ciągłości. Wraz z drugim prawem Kirchhoffa umożliwia określenie wartości i kierunków prądów w obwodach elektrycznych.

Drugie prawo Kirchhoffa – zwane również prawem napięciowym, dotyczy bilansu napięć w zamkniętym obwodzie elektrycznym.

Suma wartości chwilowych sił elektromotorycznych występujących w obwodzie zamkniętym równa jest sumie wartości chwilowych napięć elektrycznych na elementach pasywnych tego obwodu:

gdzie

 – wartość chwilowa sem k-tego źródła;

• – napięcie na i-tym elemencie oczka.

Pole magnetyczne — stan (własność) przestrzeni, w której siły działają na poruszające się ładunki elektryczne, a także na ciała mające moment magnetyczny niezależnie od ich ruchu. Pole magnetyczne, obok pola elektrycznego, jest przejawem pola elektromagnetycznego. W zależności od układu odniesienia w jakim znajduje się obserwatora, to samo zjawisko może być opisywane jako objaw pola elektrycznego, magnetycznego lub obu.

Prawo Ampère'a prawo wiążące indukcję magnetyczną wokół przewodnika z prądem z natężeniem prądu elektrycznego przepływającego w tym przewodniku. W fizyce jest tomagnetyczny odpowiednik prawa Gaussa i należy do praw fizycznych wynikających z matematycznego twierdzenia Stokesa.

W wersji rozszerzonej przez J.C. Maxwella prawo to opisuje powstawanie pola magnetycznego w wyniku ruchu ładunku lub zmiany natężenia pola elektrycznego.

Siła Lorentza — siła jaka działa na cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym poruszającą się w polu elektromagnetycznym. Prawo (wzór) podane zostało po raz pierwszy przez Lorentza i nazwane jego imieniem.

Wzór określa, jak siła działająca na ładunek zależy od pola elektrycznego i pole magnetycznego (składników pola elektromagnetycznego):

gdzie:

• F – siła (w niutonach),

• E – natężenie pola elektrycznego (w woltach / metr),

• B – indukcja magnetyczna (w teslach),

• q – ładunek elektryczny cząstki (w kulombach),

• v – prędkość cząstki (w metrach na sekundę),

• × – iloczyn wektorowy.

Siła elektrodynamiczna (magnetyczna) - siła, która działa na przewodnik elektryczny, przez który płynie prąd elektryczny, umieszczony w polu magnetycznym.Na umieszczony prostopadle w polu magnetycznym przewodnik o długości l, przez który płynie prąd o natężeniu I, działa siła magnetyczna (elektrodynamiczna) F, której wartość określa wzór:

Prawo Gaussa

Strumień wektora indukcji magnetycznej przez dowolną powierzchnię zamkniętą jest równy zero:

Prawo to stanowi uogólnienie faktu, że w przyrodzie nie ma monopoli magnetycznych oraz linie pola magnetycznego są liniami zamkniętymi.

oddziaływanie przewodników z prądem

Przewodnik, przez który przepływa prąd, wytwarza w swym otoczeniu pole magnetyczne. Jeżeli w polu tym zostanie umieszczony drugi przewodnik z prądem, to pole pierwszego będzie nań oddziaływało z siłą elektrodynamiczną. Równocześnie jednak drugi przewodnik wytwarza pole magnetyczne oddziałujące z określoną siłą elektrodynamiczną na pierwszy. Materiał może być wykorzystany do pokazania wzajemnego oddziaływania przewodników z prądem podczas tematów z magnetyzmu.

Definicja ampera
Jest to natężenie prądu stałego, który płynąc w w dwóch równoległych prostoliniowych nieskończenie długich przewodnikach o znikomo małym przekroju umieszczonych w próżni w odległości 1 m od siebie wywołałoby między tymi przewodnikami siłę F = 2 * 10^ -7*N na każdy jeden metr długości przewodnika.

Indukcja elektromagnetyczna - zjawisko powstawania siły elektromotorycznej w przewodniku na skutek zmian strumienia pola magnetycznego. Zmiana ta może być spowodowana zmianami pola magnetycznego lub względnym ruchem przewodnika i źródła pola magnetycznego. Zjawisko to zostało odkryte w 1831 roku przez angielskiego fizyka Michała Faradaya.

Zjawisko indukcji opisuje prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya:

 ,

gdzie:

 to indukowana siła elektromotoryczna (SEM) w woltach;

Φ_B to strumień indukcji magnetycznej przepływający przez powierzchnię objętą przewodnikiem.

Siła elektromotoryczna indukcji

Indukcja elektromagnetyczna zachodząca w wyniku zmian pola magnetycznego objętego przewodnikiem przekształca energię mechaniczną w elektryczną. Zmiana pola magnetycznego może wynikać z ruchu przewodnika lub źródła pola magnetycznego, a wygenerowana w ten sposób SEM nazywana jest siłą elektromotoryczną rotacji, SEM wytworzona przez nieruchome przewodniki w wyniku zmian indukcji magnetycznej wywołaną zazwyczaj zmianą natężenia prądu generuje SEM indukcji nazywaną siłą elektromotoryczną transformacji.

Prąd przesunięcia - prąd elektryczny wywołany zmianą natężenia pola elektrycznego w dielektryku. W przeciwieństwie do prądu przewodnictwa nie polega on na przepływieładunków, jednak pomimo tego również wywołuje wirowe pole magnetyczne. Jego istnienie przewidział w 1865 James Clerk Maxwell tworząc układ równań znany dziś jako równania Maxwella.

Równania Maxwella – cztery podstawowe równania elektromagnetyzmu sformułowane przez Jamesa Clerka Maxwella. Opisują one własności pola elektrycznego i magnetycznegooraz zależności między tymi polami.

Z równań Maxwella można wyprowadzić m.in. równanie falowe fali elektromagnetycznej propagującej się (rozchodzącej się) w próżni z prędkością światła

 .