Pytanie 1.Przestrzen, czas, materia, masa-sens fizyczny.

Materia - wszystkie obiekty ważkie, tj. wytwarzające pole grawitacyjne i podlegające działaniu tego pola, np. ciała niebieskie, atomy, elektrony, także pole elektromagnetyczne i wszystkie inne pola fizyczne. Według ogólnej teorii względności wszystkie obiekty fizyczne są ważkie. Ważkość jest więc charakterystyczną cechą materii, a jej miarą jest masa lub równoważna jej energia. Za podstawowe elementy strukturalne materii uważa się cząstki elementarne. Między cząstkami elementarnymi występują oddziaływania silne, elektromagnetyczne słabe i grawitacyjne. Wg. Obecnych poglądów jedynie oddziaływanie grawitacyjne jest powszechne, tj. wspólne dla wszystkich rodzajów materii. Trwają próby znalezienia związków między różnymi oddziaływaniami, czyli znalezienia uniwersalnej teorii oddziaływań cząstek stworzona została i odniosła znaczne sukcesy teoria oddziaływań elektrosłabych S. Weinberga i A. Salama.

Czas - wielkość służąca do chronologicznego uszeregowania zdarzeń. Wg. Teorii względności czas razem z przestrzenią tworzą czasoprzestrzeń, w której zachodzą wszystkie zjawiska fizyczne. Rachuba czasu. Systemy mierzenia czasu są oparte na podstawowych zjawiskach asrtonomicznych i fizycznych. Jednostki czasu: doba i rok związane są z ruchem obrotowym Ziemi i jej obiegiem wokół Słońca. Wprowadzono czas atomowy, określany przez procesy atomowe, którego jednostką jest sekunda. Miejsca leżące na tym samym południku mają taki sam czas lokalny. W życiu codziennym używa się czasu strefowego - cała kula ziemska podzielona jest na 24 sfery czasowe obejmujące 15° długości geograficznej, w których panuje ten sam czas. Różnica w czasie między 2 sąsiednimi strefami wynosi 1 godz.. Za podstawę czasu strefowego przyjęto czas średni słoneczny południka Greenwich. W pobliżu 180° przebiega linia zmiany daty, przy jej przekraczaniu ze wschodu na zachód dodaje się 1 dzień, zaś z zachodu na wschód odejmuje 1 dzień.

Przestrzeń - w sensie klasycznym wielowymiarowa rozciągłość (obszar), jednorodna, nieskończona, nieograniczona, w której zachodzą wszystkie zjawiska fizyczne. Także miejsce zajmowane przez dany przedmiot materialny. Podstawowa, oprócz czasu, forma istnienia materii. We współczesnej nauce ujmowana łącznie z czasem jako czasoprzestrzeń, której właściwości zależą m.in. od rozkładu materii.

Przestrzeń - zbiór dowolnych obiektów (punktów, funkcji, wektorów, liczb itp.), między którymi zostały ustalone pewne relacje (np. odległość); obiekty te nazywa się elementami lub punktami tej przestrzeni; np. przestrzeń liniowa, afiniczna, metryczna, topologiczna.

Masa, w fizyce klasycznej wielkość addytywna, będąca miarą bezwładności ciała (masa bezwładna) lub źródłem pola grawitacyjnego (masa grawitacyjna).W ujęciu współczesnej fizyki masa ciała jest tylko w przybliżeniu wielkością addytywną, jest jedną z form występowania energii , związek ten wyraża równość E=mc², gdzie E - całkowita energia ciała, m - jego masa (masa relatywistyczna), c - prędkość światła w próżni.Z równości powyższej wynika wzrost masy ciała wraz ze wzrostem prędkości v poruszania się ciała opisany równaniem:

gdzie m_o jest masą spoczynkową ciała.

W ogólnej teorii względności rozkład mas w przestrzeni określa geo" (zazwyczaj zerową) i efektywną, obserwowaną masę cząstki, wynikającą z masy cząstki oraz uwzględnienia oddziaływania z polami fizycznymi obecnymi metrię tej przestrzeni .Dla cząstek elementarnych wyróżnia się czysto teoretyczną masę cząstki jak również samooddziaływania cząstki.

PYTANIE 2. Układy odniesienia.Układy współrzędnych.

Ruch - wszelka zmiana położenia ciała materialnego względem ustalonego układu odniesienia, a także rozchodzenie się zaburzeń, np. pola elektromagnetycznego w postaci fali elektromagnetycznej (np. światła); ruchy charakteryzują: prędkość, przyśpieszenie, pęd, moment pędu; może być prosto- lub krzywoliniowy, jednostajny (ze stałą prędkością) lub zmienny, postępowy lub obrotowy (rotacja) ruch harmoniczny, drgania (harmoniczne).

Układ odniesienia - ciało lub ciała, względem których określa się położenie i zmianę położenia (ruch) obiektów fizycznych. Z układem odniesienia wiąże się układ współrzędnych, umożliwiający przypisanie każdemu punktowi przestrzeni uporządkowanej trójki liczb, zwanymi współrzędnymi tego punktu. Opis zachowania się obiektu fizycznego w jakimś czasie polega na podaniu, dla każdej chwili z tego czasu, współrzędnych punktu przedstawiającego położenie obiektu, czyli na podaniu współrzędnych jako funkcji czasu. Dobór układu odniesienia i układu współrzędnych, choć w zasadzie dowolny, jest w praktyce dyktowany dążeniem do uzyskania możliwie najprostszego opisu ruchu. W mechanice zasadniczą rolę odgrywają układy inercjalne. Prawa mechaniki są identyczne we wszystkich inercjalnych układach odniesienia. Wybór konkretnego inercjalnego układu odniesienia do opisu danego układu mechanicznego polega na zdecydowaniu, które obiekty mają być względem tego układu nieruchome. Na przykład w teorii zdarzeń stosuje się często układ środka masy; jest to układ odniesienia, w którym całkowity pęd układu ciał jest równy zeru; inaczej mówiąc środek masy układu ciał spoczywa względem tego układu odniesienia. Przy opisie zjawisk w ramach szczególnej teorii względności stosuje się 4- wymiarowe układy odniesienia - czwartą współrzędną jest czas.

Układ inercjalny - układ odniesienia, w którym spełniona jest zasada bezwładności, czyli taki, w którym ciała nie podlegają działaniu żadnych sił lub podlegające działaniu sił o wypadkowej równej zeru spoczywają lub poruszają się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Każdy układ odniesienia, poruszający się ze stałą prędkością względem układu inercjalnego i nie obracający się względem niego, jest też inercjalny. Pojęcie układu inercjalnego jest pojęciem wyidealizowanym - w praktyce stosuje się układy mające właściwości układów inercjalnych tylko w przybliżeniu lub tylko w ograniczonym obszarze przestrzeni lub czasie. Związek między współrzędnymi przestrzennymi i czasowymi zdarzeń w różnych układach inercjalnych, przy małych prędkościach ruchu względnego układów, określają przekształcenia Galileusza, gdy prędkości te są duże - przekształcenia Lorentza. W ogólnej teorii względności pojęcie układu inercjalnego zostało wyeliminowane: w ramach tej teorii nie ma, w poszczególnych punktach przestrzeni, różnicy między siłami grawitacji i siłami bezwładności.

Nieinercjalny układ - w nieinercjalnych układach odniesienia prawa dynamiki są słuszne dopiero po dołączeniu do sił rzeczywistych sił pozornych (sił bezwładności)

PYTANIE 3. Transformacja układów.

Galileusza przekształcenia - zależności między współrzędnymi przestrzenno-czasowymi dowolnego zdarzenia rozpatrywanego w 2 różnych inercjalnych układach odniesienia K(x,y,z,t) i K′(x′,y′,z′,t′) poruszających się względem siebie prostoliniowo i jednostajnie z prędkością v: x = x′+v_xt′, y = y′+ v_yt′, z = z′+v_z t′, t = t′(v_x,v_y,v_z) - składowe prędkości ruchu układu K′ względem układu K; przekształcenia Galileusza są słuszne dla v małych w porównaniu z c (pr. światła); prawa mechaniki klasycznej są niezmienne względem przekształceń Galileusza.

Lorentza transformacja, Lorentza przekształcenie, przekształcenie matematyczne opisujące transformacje wielkości fizycznych w czasoprzestrzeni czterowymiarowej przy przechodzeniu od jednego inercjalnego układu odniesienia, określonego przez współrzędne przestrzenne x, y, z i współrzędną czasową t, do drugiego, określonego przez współrzędne x', y', z' oraz t'.

W najprostszym przypadku, jeśli układ (x', y', z', t') porusza się jednostajnie w kierunku osi x z prędkością v, to transformacja Lorentza ma postać:

gdzie c - prędkość światła w próżni.

Często dla uproszczenia postaci zapisu transformacji do wzorów powyższych stosuje się podstawienie: β=v/c oraz

a także mnoży się obustronnie przez c równanie opisujące transformację czasu dla uzyskania formalnej identyczności równań dla zmiennych: czasowej (równej ct) i przestrzennej x, wówczas: x'=γ(x-βct), y'=y, z'=z, ct'=γ(ct-βx).Z transformacji Lorentza wynikają wszystkie efekty kinematyczne szczególnej teorii względności, takie jak: reguła sumowania się prędkości prowadząca do niemożności uzyskania prędkości większej od prędkości światła, względność pojęcia równoczesności, spowolnienie biegu poruszających się zegarów.Równania transformacji Lorentza zostały opracowane ponad 10 lat przed sformułowaniem przez A. Einsteina szczególnej teorii względności, były jednak wówczas traktowane jako formalne równania matematyczne, bez konsekwencji fizycznych. grupę Lorentza, przy zaniedbaniu wyższych wyrazów, otrzymuje się klasyczne przekształcenie Galileusza.

PYTANIE 4. Podstawowe prawa kinematyki i dynamiki.

Prędkość - wielkość wektorowa charakteryzująca ruch; dla ruchu postępowego jest to prędkość liniowa, dla ruchu obrotowego - prędkość kątowa; prędkość średnia równa się stosunkowi drogi s lub kąta α do czasu t, w którym ta droga (kąt) została przebyta: v_śr = s/t (prędkość liniowa) lub o_śr = α/t (prędkość kątowa); jednostki prędkości liniowej: m/s, km/h, prędkości kątowej: rad/obroty/min; do mierzenia prędkości służą prędkościomierze.

Przyśpieszenie - wielkość wektorowa charakteryzująca ruch; dla ruchu postępowego jest przyśpieszenie liniowe, dla ruchu obrotowego - przyśpieszenie kątowe; przyśpieszenie średnie równa się stosunkowi przyrostu prędkości (liniowej lub kątowej) do przyrostu czasu δt, w którym to nastąpił przyrost : δ/δt (przyśpieszenie liniowe i kątowe); jednostki: przyś. liniowe m/s², kątowe rad/s²; do mierzenia służą przyśpieszeniomierze.

Pęd - wektorowa wielkość fizyczna charakteryzująca ruch ciała materialnego; pęd ciała o masie m poruszającego się z prędkością v równa się p = mv; pęd układu jest wielkością stałą - zasada zachowania pędu => zmiana pędu może nastąpić tylko pod działaniem sił zewnętrznych.

Popęd siły - impuls siły, wielkość wektorowa równa iloczynowi siły i czasu jej działania; popęd siły powoduje zmianę pędu ciała.

Zasady dynamiki Newtona

 I zasada dynamiki

 Jeżeli na ciało działają siły, których wypadkowa jest równa zero, to ciało to pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem prostoliniowym jednostajnym.

 

Ciało leży na podłożu. Działa na nie siła ciężkości Q i siła reakcji na nacisk R_. Siły te są przeciwne, więc ich wypadkowa równa się zero i ciało pozostaje w spoczynku.

Np.na spadochroniarza działają dwie wzajemnie równoważące się siły, w wyniku czego opada on na ziemię ruchem prostoliniowym jednostajnym. Pierwsza zasada dynamiki nosi czasami nazwę zasady bezwładności. Ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem prostoliniowym jednostajnym, dopóki przyłożone siły nie zmuszą go do zmiany swego ruchu.

 II zasada dynamiki

 Jeżeli na ciało działają siły niezrównoważone (wypadkowa sił jest różna od zera, ale stała), to ciało porusza się ruchem jednostajnie zmiennym (przyśpieszonym lub opóźnionym) z przyśpieszeniem wprost proporcjonalnym do działającej siły wypadkowej.

 

- jest w tym przypadku współczynnikiem proporcjonalności stałym dla danego ciała.

Druga zasada dynamiki może być również wyrażona przez zmianę pędu ciała w czasie.

 II zasadę dynamiki możemy sformułować:

 Siła jest równa stosunkowi zmiany pędu (popęd) do czasu, w którym ta zmiana nastąpiła.

 III zasada dynamiki

Jeżeli ciało A działa na ciało B pewną siłą
, to ciało B działa na ciało A siłą
równą co do wartości, o takim samym kierunku, lecz przeciwnie skierowaną. Umownie możemy to zjawisko nazywać wzajemnością oddziaływań.

Siła tarcia

Siłę tarcia dzielimy na:-siłę tarcia dynamicznego,

-siłę tarcia statycznego

 Siła tarcia dynamicznego zależy od siły nacisku ciała działającej na podłoże

 

gdzie
oznacza współczynnik tarcia dynamicznego.

Należy przy tym zwrócić uwagę na fakt, że siła ciężkości Q działa zawsze pionowo, zaś siła nacisku N zawsze prostopadle do podłoża.

 Tarcie na płaszczyźnie poziome

 

W przypadku kiedy F = T ciała poruszają się ze stałą prędkością.Przy tak przyjętym warunku jesteśmy w stanie zmierzyć wartość siły tarcia. Jest ona równa wskazaniu siły F na siłomierzu przymocowanym do ciała. Możemy zatem obliczyć wartość współczynnika tarcia dla tego ciała i tej powierzchni.Współczynnik ten zależy jedynie od rodzaju trących się powierzchni.

 

Z przekształcenia wzoru widać, że na płaszczyźnie poziomej siła nacisku ciała jest równa sile ciężkości.

 Tarcie na równi pochyłej

 

Siła tarcia ma zawsze zwrot przeciwny do zwrotu prędkości ciała.Pojawia się siła
. Możemy ją umownie nazwać siłą zsuwającą.

\Siłę ciężkości możemy rozłożyć na dwie składowe:

-siłę nacisku N prostopadłą do podłoża

-siłę zsuwającą F_S równoległą do podłoża

 Między tymi siłami zachodzą odpowiednie zależności

 

Wyobraźmy sobie sytuację, że nasze ciało znajduje się na równi pochyłej, której zwiększamy kąt nachylenia. W pewnym momencie (przy odpowiednim kącie) ciało rozpoczyna swój ruch.Możemy przyjąć, że siła zsuwania F_S jest wtedy równa sile tarcia T.

 

W tym przypadku siła nacisku nie jest równa sile ciężkości ciała. Możemy zatem napisać:

 

po uproszczeniu i przekształceniu wzoru otrzymujemy:

 

Możemy zatem przyjąć, że współczynnik tarcia jest równy tangensowi kąta nachylenia równi do poziomu, dla którego ciało rozpoczyna się z tej równi zsuwać.Zakładając już ruch ciała po równi (II zasada dynamiki) możemy np. wyliczyć przyśpieszenie, z jakim ciało zsuwa się z równi.

 

Po uproszczeniu mas otrzymujemy gotowy wzór:

 

W przypadku, kiedy ciało będzie poruszać się pod górę ruchem jednostajnie opóźnionym z opóźnieniem a (ujemna wartość przyśpieszenia), nastąpi jedynie zmiana we wzorze z - na + .

 

PYTANIE 4

Mechanika - dział fizyki zajmujący się ruchem, równowagą i oddziaływaniem ciał (oddziaływaniem, którego wynikiem jest zmiana ruchu ciał lub ich odkształcenie);

• mechanika klasyczna, mech. Niutonowska, opiera się na trzech zasadach dynamiki Newtona i bada ruchy ciał makroskopowych dzieli się na kinematykę (nauka o ruchu bez uwzględnienia wywołujących go sił) i dynamikę ( obejmuje kinetykę - badanie ruchu ciał pod wpływem działających na nie sił, i statykę - badanie stanów równowagi);

• mechanika relatywistyczna zajmuje się ruchami ciał poruszających się z prędkościami porównywalnymi z prędkością światła podstaw jej leży teoria względności)

Mechanika klasyczna poprawnie opisuje zjawiska, jeżeli prędkości ciał są bardzo małe w porównaniu z prędkością światła. W zjawiskach makroskopowych prędkości ciał zawsze spełniają ten warunek, np.: prędkości obecnie budowanych rakiet kosmicznych stanowią zaledwie 10^-4 prędkości światła. Z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła spotykamy się w zjawiskach atomowych, jądrowych oraz w astrofizyce. Okazuje się, że w tych przypadkach zamiast mechaniki klasycznej trzeba stosować mechanikę opartą na szczególnej teorii względności. Mechanika ta nazywa się relatywistyczną. Prawa mechaniki klasycznej są szczególnym przypadkiem praw mechaniki relatywistycznej, tzn. szczególną zasadą względności.

Teoria względności - teoria relatywistyczna, dział fizyki współczesnej zajmujący się podstawowymi właściwościami przebiegu procesów w czasie i przestrzeni. Każda teoria fizyczna, w której występują relacje czasoprzestrzenne, zawiera sobie właściwą zasadę względności, określającą, czy są w tej teorii wyróżnione układy odniesienia i jakie, oraz jak opisy zjawisk w różnych takich układach są ze sobą powiązane.

Szczególna teoria względności - w 1905r. A. Einstein zaproponował żeby przyjąć, iż równania Maxwella mają tę samą we wszystkich układach inercjalnych, współrzędne i czas w takich układach są ze sobą związane przekształceniami Lorentza. W konsekwencji zasadę względności Newtona należy uznać za zasadę przybliżoną, słuszną, gdy prędkość względna układów jest mała w porównaniu z c, i przyjąć nową zasadę względności, wg. której prawa fizyki nie zmieniają się przy przekształceniach Lorentza. Podstawowym pojęciem szczególnej teorii względności jest zdarzenie. Zbiór zdarzeń stanowi czasoprzestrzeń. Wszystkie właściwości tego zbioru niezmiennicze względem przekształceń Lorentza stanowią czterowymiarową geometrię czasoprzestrzeni. Z przeprowadzonej przez Einsteina analizy pojęć czasoprzestrzennych, przy korzystaniu tylko z elementarnych pojęć fizyki klasycznej i faktu niezmienności prędkości światła, wynika, iż pojęcie czasu absolutnego jest pojęciem przybliżonym, mającym sens jedynie w sytuacjach, kiedy można uznać, że c = ∞. Elektrodynamika spełniała nową zasadę względności automatycznie, a reszta fizyki klasycznej wymagała modyfikacji. Einstein zdefiniował nową mechanikę, termodynamikę i optykę zgodnie z nową zasadą względności. Szczególna teoria względności przewidziała istnienie licznych, nie znanych przedtem zjawisk, z których wszystkie znalazły potwierdzenie w doświadczeniach. Za najważniejsze jej konsekwencje uznaje się: uzależnienie czasu przebiegu zjawisk fizycznych, masy cząstek i wielu innych wielkości od stanu ruchu układu, w którym te zjawiska są opisane. Związek E = mc² pomiędzy masą m i energią E ciała.

Wzór Einsteina - E = mc² wyrażający związek między całkowitą energią ciała E i jego masą relatywistyczną m . Ciało będące w spoczynku ma energię spoczynkową E₀ = m₀c² oraz, że układ mający energię E, ma również masę m = Elc². Energia spoczynkowa odpowiadająca masie 1g wynosi 9*10¹³J. W procesach, w których masa spoczynkowa zmienia się, jest wydzielana lub pochłaniana energia równa odpowiedniej zmianie energii spoczynkowej. W procesach chemicznych ubytek masy jest niezauważalnie mały, dopiero w procesach jądrowych ma mierzalną wartość.

Ogólna teoria względności - zjawisko powszechnego ciążenia (grawitacja) spowodowane wystąpieniem krzywizny czasoprzestrzeni, która jest przestrzenią bardziej ogólną niż nie mająca krzywizny czasoprzestrzeń Minkowskiego. Właściwości geometryczne tej ogólnej czasoprzestrzeni zależą od ruchu i rozkładu materii oraz pól, i z kolei same określą ruch materii oraz mają wpływ na pola. Zależność ta jest określana przez równania Einsteina. W ogólnej teorii nie ma żadnych wyróżnionych układów odniesienia. Pojawiają się jednak wtedy, gdy rozwiązania równań Einsteina mają pewnego rodzaju symetrie. Czasoprzestrzeń Minkowskiego jest rozwiązaniem o maksymalnej symetrii a układy odniesienia wyróżnione przez tę symetrię - są układami inercjalnymi. Ogólna teoria przewiduje poprawki do ruchu ciał i światła w polu grawitacyjnym.

 PYTANIE 5. Prawa i zasady zachowania w przyrodzie.

Zasada zachowania energii

W układzie odizolowanym (nie działają siły zewnętrzne) całkowita energia pozostaje niezmieniona. Inaczej mówiąc, mogą następować zmiany energii poszczególnych ciał, ale ich suma pozostaje stała.

 

Zasada zachowania energii ułatwia nam rozwiązywanie zadań z mechaniki.

 

Przykłady:

I. Swobodny spadek ciała

 

 

Na podstawie zasady zachowania energii możemy zapisać:

 

E_A = E_B = E_C = E_D

 

II. Ciało zjeżdża z równi o kącie nachylenia
z wysokości h. Na równi na ciało działa siła tarcia o współczynniku tarcia
. Jaka jest prędkość końcowa tego ciała u podnóża równi?

 

 

Energia całkowita w punkcie A = Energii całkowitej w punkcie B

 

 

Taki związek otrzymalibyśmy w przypadku, gdyby nie działała siła tarcia. Przy występowaniu siły tarcia część energii potencjalnej jest tracona na jej pokonanie. Możemy zapisać tę energię jako formę pracy potrzebną na pokonanie siły tarcia w skrócie W_T.

Teraz zasada zachowania energii wygląda następująco:

 

 

 

T=
- siła tarcia na równi

s - droga, jaką przebywa ciało na równi

 

Wyliczenie V jest tylko kwestią przekształcenia wzorów.

PYTANIE6. Równowaga termodynamiczna.

Równowaga termodynamiczna, stan układu termodynamicznego opisywany w pełni parametrami stałymi w czasie. Szczególnym przypadkiem równowagi termodynamicznej jest równowaga fazowa, będąca równowagą termodynamiczną układu zawierającego równolegle kilka faz (np. równowaga izolowanej cieplnie mieszaniny lód-woda w 0°C).

Równowaga fazowa, stan układu wielofazowego (faza), którego parametry nie ulegają zmianie, a potencjały chemiczne każdego poszczególnego składnika są jednakowe we wszystkich fazach.

Cząsteczka - drobina, molekuła, najmniejsza trwała część substancji (pierwiastka lub związku chemicznego) mająca właściwości chemiczne, jest też najmniejszą porcją związku lub pierwiastka biorącą udział w reakcji chemicznej. Cząsteczki mogą być jednoatomowe lub składać się z wielu atomów połączonych wiązaniami chemicznymi. Skład i budowę cząsteczek chemicznych przedstawia się za pomocą wzorów chemicznych, a ich strukturę przestrzenną za pomocą różnych modeli, np. kulkowych, czaszowych. Do ustalenia rozmieszczenia przestrzeni atomów (tj. konfiguracji cząsteczki), wiązań chemicznych i kątów między nimi, rozkładu gęstości elektronów i rozmiarów cząsteczek stosuje się m.in. badania rentgenograficzne, spektroskopowe w podczerwieni i nadfiolecie oraz metody magnetycznego rezonansu jądrowego i paramagnetycznego rezonansu elektronowego. Indywidualne cechy cząsteczek zależą od stanu skupienia. W warunkach normalnych cząsteczki znajdują się w elektronowym stanie podstawowym; dostarczenie pewnej porcji energii powoduje ich wzbudzenie tj. przejście na wyższe poziomy energetyczne.

Termodynamika - dział fizyki zajmujący się badaniem zjawisk cieplnych zachodzących w układach makroskopowych. Termodynamika opiera się na trzech zasadach termodynamiki:

1. - suma ilości ciepła pobranej przez układ i pracy wykonanej nad układem jest równa przyrostowi jego energii wewnętrznej: dU = dQ + dW

2. - niemożliwy jest proces, w którym ciepło pobrane przez układ byłoby całkowicie zamienione na pracę.

3. - entropia ciała zbliża się do zera, gdy temperatura tego ciała zbliża się do zera bezwzględnego.

I zasada termodynamiki

Zmiana energii wewnętrznej układu jest równa algebraicznej sumie ciepła wymienionego między układem a otoczeniem i pracy wykonanej przez układ lub siłę zewnętrzną.

 

 

Gdy na układ działają siły zewnętrzne, praca W > 0

gdy układ wykonuje pracę, W < 0.

 

Gdy do układu jest dostarczane ciepło, Q > 0

gdy układ oddaje ciepło, Q < 0.

 

W przemianie izotermicznej energia wewnętrzna gazu nie ulega zmianie.

 

T=const

 

Z I zasady termodynamiki wynika:

 

0 = W - Q dla sprężania gazu

0 = -W + Q dla rozprężania gazu

 

 

Podczas ogrzewania gazu przy p=const (przemiana izobaryczna) gaz pobiera ciepło i wykonuje pracę

 

Podczas oziębiania gazu przy p=const, gaz oddaje ciepło, a siły zewnętrzne wykonują nad układem pracę

 

 

Ciepło możemy wyliczyć z wzoru:

 

 

n - liczba moli

c_p - ciepło molowe przy stałym ciśnieniu

 

W przemianie izochorycznej praca nie jest wykonywana

 

V₁ = V₂

 

Z I zasady termodynamiki otrzymujemy;

 

przy ogrzewaniu

przy oziębianiu

 

Ciepło możemy wyliczyć z wzoru:

 

 

n - liczba moli

c_V - ciepło molowe przy stałej objętości

 

 

Zależność między ciepłem molowym przy stałym ciśnieniu i przy stałej objętości jest następująca:

 

c_p > c_V

c_p - c_V = R

 

W przemianie adiabatycznej Q = const więc zmiana energii wewnętrznej wywołana jest jedynie pracą.

 

Przy sprężaniu energia wewnętrzna rośnie

przy rozprężaniu energia wewnętrzna maleje

 

II zasada termodynamiki

 

 

Maszyna cieplna nie może mieć sprawności 100%, tzn. ciepło pobrane nie może w całości zmienić się w wykonaną pracę.

 

 

gdzie:

Q₁ - ciepło pobrane z grzejnicy

Q₂ - ciepło oddane do chłodnicy

W - praca użyteczna

 

Sprawność tak obliczaną podajemy w postaci ułamka. Gdy powyższe wzory pomnożymy razy 100%, otrzymamy wartość sprawności obliczaną w %.

 

Można udowodnić, że słuszny jest też zapis:

 

 

T₁ - temperatura grzejnicy

T₂ - temperatura chłodnicy

 

należy zwrócić przy tym uwagę, że wartości temperatur wpisujemy do wzoru w Kelwinach.

 

T[K] = t[^oC] + 273

PYTANIE 7 . Średnia prędkość cząstek.

PYTANIE 8. Rozkłady statystyczne Boltzmana-Maxwella.

Maxwella-Boltzmanna rozkład (funkcja rozkładu), funkcja określająca liczbę dN cząstek, dla klasycznego (niekwantowego) układu cząstek (np. gazu jednoatomowego lub gazu cząsteczkowego) będącego w równowadze termodynamicznej.

Jeśli prędkości cząstek zawarte są w przedziale (v,v+dv), a położenia w przedziale (r, r+dr), wtedy:

gdzie: k - stała Boltzmanna, T - temperatura bezwzględna, µ − potencjał chemiczny, ε(v,r) - energia mechaniczna cząstki.

Po uśrednieniu prędkości z rozkładu Maxwella-Boltzmanna uzyskuje się rozkład Boltzmanna, natomiast po wycałkowaniu współrzędnych przestrzennych uzyskuje się rozkład Maxwella (Maxwella prawo rozkładu).

Boltzmanna rozkład, najbardziej prawdopodobny rozkład energetyczny cząstek izolowanego układu o stałej energii, zbudowanego z N nie oddziaływających, poza momentami zderzeń, cząstek podległych prawom fizyki klasycznej, dany wzorem:

n_i= exp(α+βε_i),

gdzie: n_i - średnia liczba cząstek w stanie o energii ε_i, β =k^-1, k - stała Boltzmanna, α - czynnik normalizacyjny.

Można wykazać, że

α = ln(N/V)+3/2ln(h²/mkT),

gdzie: V - objętość układu, h stała Plancka, m - masa cząstki, T - temperatura układu. Rozkład ten opisuje klasyczny gaz idealny zbudowany z jednoatomowych cząsteczek.

Maxwella prawo rozkładu, dla klasycznego (niekwantowego) układu cząstek znajdującego się w równowadze termodynamicznej funkcja opisująca rozkład prędkości cząstek, tj. liczbę cząstek dN, dla których wartości bezwzględne prędkości zawarte są w przedziale (v,v+dv), liczba ta wyraża się wzorem:

gdzie: k - stała Boltzmanna, T - temperatura bezwzględna, N - liczba cząstek w układzie, m - masa cząstki. Maxwella prawo rozkładu uzyskuje się z rozkładu Maxwella-Boltzmanna przez wycałkowanie współrzędnych przestrzennych.

PYTANIE 9. Energia wewnętrzna układu

Energia - skalarna wielkość fizyczna służąca do ilościowego opisu różnych procesów i rodzajów oddziaływania. Stwierdzono, że wszystkie postacie ruchu przekształcają się w siebie nawzajem w ściśle określonych warunkach ilościowych. Właśnie ta okoliczność umożliwia wprowadzenie pojęcia energii, czyli pozwala mierzyć różne postacie ruchu oddziaływania jedną miarą. Różnym rodzajom procesów fizycznych odpowiadają rożne rodzaje energii: mechaniczna, elektromagnetyczna, grawitacyjna, jądrowa itd.(ener. kinetyczna, potencjalna, jądrowa, elektryczna). Rozgraniczenia te nie są jednak ścisłe. Stan ośrodka ciągłego lub pola charakteryzuje gęstość energii, czyli wielkość równa stosunkowi energii do objętości w otoczeniu danego punktu, oraz strumień energii - wektor równy iloczynowi gęstości energii i prędkości przemieszczania się jej w danym ośrodku. W mechanice relatywistycznej energia ma ścisły związek z masą. W mechanice kwantowej energia jest wielkością podlegającą kwantowaniu (hipoteza energii skwantowania) - w pewnych warunkach energia układu może przyjmować tylko wartości, które tworzą zbiór punktowy (nieciągły) - dotyczy to zwłaszcza energii promieniowania jąder, atomów i cząsteczek oraz energii drgań i obrotów tych układów.

Zasada zach. energii - jedno z podstawowych praw fizyki: całkowita energia dowolnego izolowanego układu fizycznego ma wartość stałą. Jeśli izolowany układ fizyczny składa się z wielu oddziałujących wzajemnie podukładów, to energia podukładów może ulegać zmianie, ale całkowita energia wszystkich podukładów musi pozostać nie zmieniona. W procesach fizycznych jedna forma energii może zmienić się w inną.

Energia kinetyczna - część energii mechanicznej układu fizycznego zależna od prędkości jego punktów. W przypadku ciała sztywnego masie m poruszającego się ruchem postępowym z prędkością v jego energia kinetyczna: E_kin = ½ mv² . Energia kinetyczna ciała sztywnego obracającego się z prędkością kątową wokół pewnej osi:

E_k = ½ I₀², gdzieI₀ - moment bezwładności

Energia potencjalna - część energii mechanicznej zależna od wzajemnego rozmieszczenia części układu i od ich położenia w zewnętrznym polu sił. Miarą energii potencjalnej jest w danym położeniu praca, którą muszą wykonać siły działające na układ aby przeprowadzić go z położenia, dla którego energię potencjalną przyjmuje się umownie równą zeru, do danego położenia ; np. energia potencjalna E_p ciała o masie m w polu grawitacyjnym Ziemi na wys. h równa jest iloczynowi siły ciężkości mg (g - przyśpieszenie ziemskie) i h: E_p = mgh.

Hipoteza energii skwantowania - wysunięta przez Plancka w celu wytłumaczenia rozkładu energii w widmie promieniowania ciała doskonale czarnego. Skwantowanie energii przejawia się w postaci emisji lub sbsorpcji ściśle określonych porcji (kwantów) energii przez układ. W przypadku promieniowania elektromagnetycznego o częstości n kwant energii jest równy hv, gdzie h = 6,6261*10^-34Js jest stałą Plancka.

Energia

Energia jest formą wykonania przez układ lub nad układem pewnej pracy.

Energia jest wielkością skalarną.

Występują następujące rodzaje energii mechanicznej:

• kinetyczna

Energię kinetyczną posiadają ciała będące w ruchu.

Wielkością charakteryzującą energię kinetyczną jest prędkość V ciała.

 

 

Energia kinetyczna jest równa pracy, jaką trzeba wykonać, aby ciału pozostającemu w spoczynku nadać prędkość V
.

 

• potencjalna

Energię potencjalną posiadają ciała znajdujące się na pewnej wysokości.

Wielkością charakteryzującą energię potencjalną jest wysokość h.

 

 

Energia potencjalna jest równa pracy potrzebnej do podniesienia ciała na pewną wysokość h z poziomu, który umownie przyjęliśmy nazywać poziomem gdzie h=0.

 

• sprężystości

PYTANIE 10. Równania stanu gazów rzeczywistych.

Równanie stanu gazów rzeczywistych, równanie van der Waalsa, równanie postaci:

(p + an²/V²)( V-nb)=nRT,

gdzie: a, b - stałe charakterystyczne dla gazu, wyznaczane empirycznie na podstawie zależności:

a=27R²T_kr²/64p_kr,

b=RT_kr/8p_kr,

gdzie: T_kr, p_kr - temperatura i ciśnienie gazu w stanie krytycznym, V - objętość gazu, n - liczba moli gazu, R - stała gazowa, T - temperatura bezwzględna.

Równanie stanu gazów rzeczywistych daje lepsze przybliżenie rzeczywistej izotermy p(V) aniżeli równanie stanu gazów doskonałych, uwzględnia ponadto zjawisko skroplenia gazów i zjawiska krytyczne.

Clapeyrona równanie, równanie gazu doskonałego określające związek między jego temperaturą, ciśnieniem i objętością:

PV = nRT,

gdzie P- ciśnienie, V - objętość, n - liczba moli gazu, T - temperatura, R - stała gazowa (R = Nk, N - liczba Avogadro, k - stała Boltzmanna).

Z równania Clapeyrona wynikają prawa Boyle'a-Mariotte'a, Gay-Lussaca, Charlesa). Równanie to opisuje również z dobrym przybliżeniem rozrzedzone gazy rzeczywiste.

równanie). Gaz doskonały jest modelem, skonstruowanym przy następujących założeniach:

1) brak oddziaływań między cząsteczkami gazu,

2) znikoma objętość cząsteczek (cząsteczki gazu rozważane są jako punkty materialne posiadające jednakową masę),

3) cząsteczki gazu poruszają się prostoliniowo, zmieniając kierunek wskutek przypadkowych zderzeń,

4) zderzenia cząsteczek gazu są doskonale sprężyste,

5) średnia energia kinetyczna cząsteczek jest wprost proporcjonalna do temperatury bezwzględnej.

Model gazu doskonałego opisuje poprawnie zachowanie tylko granicznie rozrzedzonych gazów, w praktyce stosuje się jednak dla większości gazów w warunkach normalnych.

Ciśnienie jest to wielkość fizyczna określająca stosunek parcia (wypadkowa wszystkich sił działających na daną powierzchnię) do pola tej powierzchni.

 

 

Wyobraźmy sobie sześcian o boku l, wewnątrz którego znajduje się N cząsteczek

 

 

 

Jaką siłę parcia wywołuje jedna cząsteczka poruszająca się z prędkością V poziomo?

 

 

Po wstawieniu do wzoru na ciśnienie otrzymujemy:

 

 

- czas, jaki upływa podczas ruchu jednej cząsteczki między przeciwległymi ścianami w tę i z powrotem.

 

 

 

Wstawiając do wzoru:

 

W przeciwległe ściany uderza
wszystkich cząsteczek N.

Prawo Avogadra określa, że jeden mol gazu w warunkach normalnych (0^oC i ciśnienie 1013,25 hPa) zajmuje objętość 22,4 dm³ i zawiera 6,02
²³ cząsteczek tego gazu.

 

 

 

Wyrażenie
, a
gdzie
tym razem oznacza objętość sześcianu.

 

 

Wzór ten nosi nazwę podstawowego wzoru teorii kinetyczno-molekularnej gazów.

 

Kolejny wzór powstał drogą empiryczną (drogą doświadczeń):

 

 

Gdzie k - stała Boltzmana

Określa on zależność między średnią energią kinetyczną a temperaturą bezwzględną mierzoną w Kelwinach.

Przy tej okazji warto wspomnieć o zerze bezwzględnym. Jest to wartość temperatury mierzona w Kelwinach, przy której zanika wszelki ruch cząsteczek.

Wstawiając do podstawowego wzoru teorii kinetyczno-molekularnej, otrzymujemy:

 

 

R - stała gazowa

Przy większej liczbie n moli gazu otrzymujemy:

 

 

Równanie to nosi nazwę równania Clapeyrona

 

n i R są to wielkości stałe dla danego gazu o masie m. Możemy więc zapisać:

 

 

Wzór ten możemy inaczej zapisać:

=

 

To równanie nosi nazwę równania stanu gazu doskonałego.

Określa ono, że dla stałej masy gazu pozostałe jego parametry mogą się zmieniać, jednak iloczyn ciśnienia i objętości podzielony przez temperaturę musi mieć wielkość stałą.

Jeżeli ulegają zmianie przynajmniej dwa parametry określonej masy gazu, mamy do czynienia z przemianami gazowymi.

PYTANIE 11. Procesy odwracalne i nieodweracalne.

Procesy odwracalne - proces, w którym układ może powrócić do stanu początkowego po dowolnej drodze, ale tak, aby i otoczenie wróciło do stanu początkowego. Teoretycznie każde proces jest odwracalny, jednak praktycznie procesami odwracalnymi są praktycznie tylko tzw. procesy kwazistatyczne. Istnieją procesy odwracalne nie kwazistatyczne. Zaliczamy do nich zjawiska mechaniczne pod warunkiem, że zaniedbamy tarcie.

Procesy nieodwracalne - procesy, w których układ nie jest w stanie powrócić do stanu początkowego, np. procesy cieplne.

PYTANIE12. Przemiany gazowe.

Przemiana izotermiczna

W przemianie izotermicznej w stałej masie gazu stała jest jeszcze temperatura gazu.

 T₁=T₂

 T=const

 

Możemy zapisać:

 

 

pV= const

 

gdzie A= const (dowolna stała)

 

W przemianie izotermicznej ciśnienie danej masy gazu doskonałego jest odwrotnie proporcjonalne do objętości tego gazu.

Prawo to nosi nazwę Boyle'a-Mariotte'a

 

 

Zależność p = f (V) w przemianie izotermicznej jest hiperbolą o nazwie izoterma.

 

 

Przemiana izobaryczna

Tym razem oprócz masy gazu stałe jest ciśnienie gazu:

 

p₁=p₂

 

p=const

 

Możemy zapisać:

 

 

= const

 

A= const (dowolna stała)

 

W przemianie izobarycznej objętość danej masy gazu doskonałego jest wprost proporcjonalna do temperatury gazu.

Prawo to nosi nazwę Gay-Lussaca

 

 

Półprostą będącą wykresem p = f (V) w przemianie izobarycznej nazywa się izobarą.

 

 

Przemiana izochoryczna

Tym razem oprócz masy gazu stała jest objętość gazu:

 

V₁=V₂

 

V=const

 

Możemy zapisać:

 

 

 

, gdzie A= const (dowolna stała)

 

W przemianie izochorycznej ciśnienie danej masy gazu doskonałego jest wprost proporcjonalne do temperatury gazu.

Prawo to nosi nazwę Charlesa.

 

 

Półprostą będącą wykresem p = f (T) w przemianie izochorycznej nazywa się izochorą.

 

Przemiana adiabatyczna

Jest to przemiana, w której brak jest wymiany ciepła z otoczeniem. Taki warunek może być spełniony, gdy przemiana zachodzi bardzo szybko lub gdy gaz izolowany jest od otoczenia.

 

 

 

Równanie określające przemianę adiabatyczną nosi nazwę równania Poissona.

Współczynnik “kappa” określa stosunek ciepła molowego przy stałym ciśnieniu do ciepła molowego przy stałej objętości.

 

Z wykresu widać, że krzywa adiabaty jest bardziej stroma niż krzywa izotermy.

PYTANIE 13.Entropia.

Entropia - jeden z parametrów określających stan układu termodynamicznego. Entropia jest termodynamiczną funkcją nie zależną od drogi przejścia od jednego stanu do drugiego, a zależną tylko od początkowego i końcowego stanu układu. Zmiana entropii układu w izotermicznym procesie odwracalnym jest równa stosunkowi ilości ciepła pobranej przez układ do temperatury układu (w procesie nieodwracalnym entropia jest większa od tego stosunku):

PYTANIE 14. Prawo Pascala

Pascala prawo, jedno z podstawowych praw hydrostatyki oraz aerostatyki: jeśli na dowolny układ hydrauliczny lub pneumatyczny działają tylko siły zewnętrzne, to ciśnienie w każdym punkcie tego układu jest jednakowe. Prawo to sformułowane w 1653 przez B. Pascala jest prawdziwe wówczas, gdy możemy pominąć siły grawitacji.

Archimedesa prawo, podstawowe prawo hydrostatyki: ciało zanurzone w płynie (ciecz, gaz) traci pozornie na ciężarze tyle, ile waży płyn wyparty przez to ciało. Innymi słowy: wypór, jakiemu podlega ciało zanurzone w płynie, równa się ciężarowi płynu wypartego przez to ciało.

PYTANIE15. Przepływ cieczy.

Przepływy, ruchy płynów pod wpływem przyłożonych sił. Dla przepływu gazów jako główne kryterium klasyfikacji stosuje się liczbę Macha (przepływy poddźwiękowe, przydźwiękowe, naddźwiękowe, hipersoniczne).

Przepływy dzieli się pod względem kinematycznym na: przepływy nieustalone, przepływy z oderwaniem, przepływy potencjalne i przepływy wirowe. Przepływy płynów rzeczywistych (lepkich) dzielą się na laminarne i turbulentne.

Przepływ wirowy, przepływ, w którym elementy płynu wykonują ruch obrotowy (tj. w płynie obecne są wiry).

Przepływ laminarny, opływ uwarstwiony, w którym poszczególne warstwy elementarne gazu lub cieczy nie mieszają się z sobą.

Turbulentny przepływ, przepływ płynu, w którym występuje zjawisko turbulencji.

Turbulencja, burzliwość, zjawisko powstawania w przepływie płynu (tj. cieczy lub gazu) makrofluktuacji, czyli makroskopowych obszarów, gdzie parametry przepływu przyjmują wartości losowe.

PYTANIE 16.Drgania i fale proste i wymuszone.

Informacje ogólne

Drgania, oscylacje, procesy fizyczne opisywane funkcjami na przemian rosnącymi i malejącymi. Drgania klasyfikuje się na podstawie matematycznych własności funkcji opisujących je. Wyróżnia się drgania probabilistyczne (jeśli przyszły stan nie daje się jednoznacznie ściśle określić) i deterministyczne. Te ostatnie dzielą się na okresowe i nieokresowe (inaczej: periodyczne i nieperiodyczne).

Okresem drgań nazywamy czas potrzebny do wykonania jednego cyklu drgań. Jeśli amplituda maleje w czasie, drgania nazywamy gasnącymi (tłumionymi). Drgania można też dzielić na swobodne i wymuszone (wywołane zewnętrzną, zmienną w czasie, siłą). Drgania deterministyczne opisywane są równaniami różniczkowymi.

Drgania harmoniczne

Szczególnym rodzajem drgań są drgania harmoniczne, tj. okresowe, o stałej amplitudzie, opisane sinusoidą. Ze względu na prostotę opisu drgania harmoniczne są wykorzystywane do opisu wielu drgań rzeczywistych jako ich przybliżenie (lub poprzez rozkład na nie).

Najprostsze równanie opisujące drgania harmoniczne (dla ciężarka zawieszonego na sprężynie) ma postać:

mx'' (t) + kx(t) = 0.

Rozwiązaniem jest funkcja

x(t)=Asinωt+ϕ₀,

gdzie A - amplituda drgań, ω = 2πν = (k/m)^0.5, ω - częstość kołowa (ν - częstość drgań), k - współczynnik sprężystości, m - masa ciała, ϕ₀ - faza początkowa. Ze względu na fizykę procesów wyróżnia się drgania mechaniczne i elektryczne.

Fala jest to zaburzenie równowagi powstające w ośrodku sprężystym, które się rozchodzi na inne cząsteczki przekazując im energię.

 

Zaburzenie jest to wytrącenie pewnego miejsca przestrzeni z położenia równowagi.

 

W sytuacji, gdy w ośrodku rozchodzi się pojedyncze odkształcenie, nosi ono nazwę impulsu falowego.

 

- faza początkowa - początkowe odchylenie od stanu równowagi.

 

Powierzchnia falowa - powierzchnia zawierająca wszystkie cząsteczki drgające w tej samej fazie.

 

Czoło fali - najdalej od źródła fali wysunięta powierzchnia falowa.

 

 

Rodzaje fal

ze względu na kierunek drgań

• fale poprzeczne - cząsteczki fali drgają prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali

• fale podłużne - cząsteczki fali drgają równolegle do kierunku rozchodzenia się fali

ze względu na kierunki rozchodzenia się fali

• płaska - zaburzenie rozchodzi się w jednym kierunku

• kolista - zaburzenie rozchodzi się po płaszczyźnie

• kulista - zaburzenie rozchodzi się w przestrzeni

 

Fala harmoniczna

Fala harmoniczna (sinusoidalna) to fala, w której drgania rozchodzą się sinusoidalnie w czasie.

 

Prędkość fali możemy określić wzorem

 

 

- długość fali - odległość między dwoma najbliższymi punktami, które są zgodne w fazie

T - okres - czas, po którym cząsteczka drgająca wykona jedno pełne drganie

f - częstotliwość - ilość pełnych drgań cząsteczki w jednostce czasu

 

Oprócz tych wielkości prędkość fali zależy od rodzaju ośrodka, w jakim fala się rozchodzi.

 

Zasada Huygensa

Każdy punkt ośrodka, do którego dociera fala, staje się źródłem nowej fali kulistej.

 

Prawo odbicia

Każda fala rozchodząca się w ośrodku po dotarciu do przeszkody (innego ośrodka) może ulec odbiciu.

 

 

Kąt padania równa się kątowi odbicia, przy czym wszystkie trzy promienie (promień padania, normalna i promień odbicia) leżą w jednej płaszczyźnie.

 

Prawo załamania

Fala, dochodząc do innego ośrodka, nie tylko może się odbić od granicy ośrodków; może również wniknąć do ośrodka i wtedy ulega załamaniu.

 

 

Sinus kąta padania do sinusa kąta załamania jest równy stosunkowi prędkości V₁ rozchodzenia się fali w ośrodku pierwszym do prędkości V₂ rozchodzenia się fali w ośrodku drugim. Wszystkie trzy promienie leżą w jednej płaszczyźnie.

 

(prawo Snelliusa)

 

współczynnik załamania ośrodka drugiego względem pierwszego

 

 

Kąt graniczny

Jest to taki kąt padania, dla którego kąt załamania równa się 90⁰_. Jest to przykład załamania od normalnej.

 

 

 

 

Dyfrakcja fali

Zjawisko dyfrakcji jest to ugięcie się fali przy przejściu przez przeszkodę. Zjawisko dyfrakcji jest szczególnie widoczne, gdy rozmiary przeszkody są porównywalne z długością fali. Przykładem takiego ugięcia może być ugięcie fali płaskiej i utworzenie fali kolistej.

 

 

Interferencja fali

Interferencja to zjawisko nakładania się dwóch lub więcej fal. Zjawisko interferencji zachodzi w przypadku nakładania się fal spójnych. W wyniku interferencji może dojść do wzmocnienia fali lub jej wygaszenia.

 

Maksymalne wzmocnienie otrzymujemy w przypadku, gdy różnica dróg równa jest całkowitej wielokrotności długości fali.

 

 

Maksymalne wygaszenie dwóch fal jest obserwowane w przypadku, w którym różnica dróg równa jest nieparzystej wielokrotności połówki długości fali.

 

 

Fala stojąca

Fala stojąca powstaje przez nałożenie się na siebie dwóch fal o tych samych amplitudach, częstotliwościach i prędkościach, ale rozchodzących się w przeciwnych kierunkach.

Przykładem fali stojącej może być np. interferowanie fali padającej i odbitej od przeszkody.

 

 

Polaryzacja fali

Polaryzacja fali to zjawisko polegające na uporządkowaniu drgań falowych do jednej płaszczyzny. Takie uporządkowanie uzyskujemy przepuszczając falę przez polaryzator. Gdy falę spolaryzowaną przepuścimy przez drugi polaryzator, ale ustawiony poprzecznie (analizator) uzyskamy wygaszenie fali.

 

 

Kąt Brewstera

Jeżeli promień odbity tworzy z promieniem załamanym kąt 90⁰, to promień odbity jest promieniem całkowicie spolaryzowanym (przypadek szczególny występujący np. dla światła).

 

 

Z prawa załamania

 

 

 

Wysokość - wielkość zależna od częstotliwości dźwięku. Im większa częstotliwość, tym wyższe dźwięki.

 

Barwa - cecha określająca, co wydaje dźwięk, często określana jako brzmienie.

 

Głośność - wielkość wyrażona w fonach określająca “siłę” dźwięku zależna również od częstotliwości dźwięku.

 

Ton - dźwięk wydawany przez źródło drgające ruchem harmonicznym.

 

Echo - fala dźwiękowa powstająca przez odbicie od przeszkody, docierająca do źródła dźwięku z pewnym opóźnieniem

 

Dudnienie - zjawisko periodycznej zmiany amplitudy w wyniku nakładania się fal o podobnych częstotliwościach.

 

Wielkości charakteryzujące dźwięk

Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej zależy od gęstości, temperatury i ciśnienia ośrodka, w którym fala się rozchodzi.

 

Prędkość fali w warunkach normalnych w powietrzu wynosi

Fala dźwiękowa nie rozchodzi się w próżni - brak ośrodka.

 

Długość fali dźwiękowej, podobnie jak długość każdej fali, możemy obliczyć ze wzoru:

Natężenie dźwięku

Miarą natężenia dźwięku I jest stosunek ilości energii, która w ciągu czasu
przechodzi przez powierzchnię
prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali dźwiękowej.

 

Próg słyszalności jest to taka minimalna wartość natężenia dźwięku, który jest słyszalny.

 

Poziom natężenia dźwięku wynosi n beli, jeżeli jego natężenie jest 10ⁿ raza większe od natężenia progu słyszalności.

Fale dźwiękowe. Falami dźwiękowymi lub akustycznymi nazywamy podłużne fale mechaniczne, mogące rozchodzić się w ciałach stałych, cieczach i gazach. Zakres częstotliwości fal dźwiękowych jest bardzo szeroki. Obejmuje on fale o częstotliwościach od ok. 20 Hz do 20000 Hz. Fale o częstotliwościach mniejszych od fal dźwiękowych to infradźwięki, a o wyższej ultradźwięki.

Ciśnienie i natężenie dźwięku. Rozważmy falę opisaną równaniem ξ = Acos(kx-ωt) , gdzie: ξ - wychylenie cząstek powietrza od położenia równowagi. Można wykazać, że ciśnienie wytworzone falą wyraża się wzorem: p = p_msin(kx-ωt), gdzie: p_m = kρv²A. Ze wzoru widać, że ciśnienie zmienia się w sposób harmoniczny. Zmiany ciśnienia fal dźwiękowych są przesunięte w fazie o π/2 względem wychyleń cząstek. Ciśnienia fal nie są duże. Najsłabszy słyszalny dźwięk o częstotliwości 1000 Hz ma amplitudę ciśnienia p_m = 2*10^-5 N/m², a najsilniejszy dźwięk jaki może znieść ucho ludzkie ma wartość p_m = 20 N/m². Są to wielkości małe w porównaniu z ciśnieniem atmosferycznym (10⁵ N/m²).

Moc fali. Moc jaką oddziaływuje fala zawarta w objętości V = Svt na prostopadłą powierzchnię S w czasie t:

Natężenie fali. Moc fali przypadająca na jednostkę powierzchni prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali:

Natężenie najsłabszego dźwięku wynosi 10^-12 W/m², najsilniejszego 1 W/m². Natężenie najsłabszego dźwięku I₀ = 10^-12W/m² przyjęto za natężenie odniesienia i wszystkie inne wartości natężenia porównuje się z I₀ w skali logarytmicznej.

Poziom natężenia dźwięku. Wielkość wyrażona wzorem:

Najsłabszy słyszalny dźwięk ma zerowy poziom natężenia, a najsilniejszy dźwięk o natężeniu 1 W/m² ma poziom 120 dB.

Długość fali światła emitowanego przez atom (jedno elektronowy) możemy określić wzorem:

Wzór ten opisuje też w przybliżeniu widma metali alkalicznych (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr). W pierwiastkach tych mamy jeden elektron walencyjny znacznie oddalony od jądra, pozostałe zaś elektrony tworzą zwarte powłoki bliskie jądra. Wzbudzenie takiego atomu polega na przejściu elektronu walencyjnego na wyższe poziomy energetyczne. Dlatego w przybliżeniu widma omawianych pierwiastków przypominają widmo wodoru. W miarę zwiększania się liczby elektronów w atomie, wzrasta liczba rozmaitych poziomów energetycznych i tym samym widmo staje się bardziej skomplikowane.

de Broglie - stwierdził, że ruch każdej cząstki (np. elektronu) ma cechy falowe, przy czym długość fali cząstki swobodnej, tzw. fali de Brogliea wynosi: λ = h/p ( h - stała Plancka, p - pęd cząstki). Hipoteza Brogilea została potwierdzona wieloma doświadczeniami, np: doświadczenie polegające na wywołaniu dyfrakcji i interferencji fal materii. Każdej poruszającej się cząstce materialnej można przypisać falę materii, której długość jest określona wzorem de Brogilea. Odkrycie fal dało początek mechanice kwantowej.

PYTANIE 17. Składanie drgań.

PYTANIE 17. Składanie drgań.

PYTANIE18 Procesy falowe w ośrodkach sprężystych.

Fale akustyczne, fale sprężyste, zaburzenia mechaniczne (fala) ośrodka sprężystego, nie powodujące przesunięcia średnich położeń atomów ośrodka.

W cieczach i gazach fala akustyczna jest falą podłużną, w ciałach stałych może być zarówno falą podłużną, jak i poprzeczną. W ujęciu bardziej tradycyjnym fale akustyczne to fale głosowe, czyli falowe podłużne zgęszczenia i rozrzedzenia powietrza odczuwane przez ucho ludzkie (dźwięk).

Fale akustyczne w płynie (ciecz, gaz) rozchodzą się z prędkością:

gdzie: Q - moduł ściśliwości ośrodka, ρ - gęstość, κ - Cp/Cv (adiabata), p - ciśnienie.

Dla powietrza w warunkach normalnych u = 331,8 m/s, dla wody wynosi 1497 m/s. Obserwuje się słaby, nierównomierny wzrost prędkości fali akustycznej w funkcji jej częstotliwości. Fale akustyczne podlegają prawu odbicia (echosonda), załamania (refrakcji) oraz dyfrakcji i interferencji

PYTANIE19. Równanie fali, interferencja.

Interferencja fal, zjawisko wzajemnego nakładania się fal (elektromagnetycznych, mechanicznych, de Broglie itd.). Zgodnie z tzw. zasadą superpozycji fal, amplituda fali wypadkowej w każdym punkcie dana jest wzorem:

gdzie: A₁, A₂ - amplitudy fal cząstkowych, φ - różnica faz obu fal.

Maksymalnie A = A₁+A₂ dla φ=2k (fazy zgodne), minimalnie A=A₁-A₂ dla φ=(2k+1) (fazy przeciwne). Warunkiem zaistnienia stałego w czasie rozkładu przestrzennego amplitudy interferujących fal jest ich spójność (koherentność).

Dla fal mechanicznych i radiowych warunek spójności jest łatwy do uzyskania, natomiast dla światła zazwyczaj wymaga zastosowania układów rozdzielania i kolimowania wiązek (monochromatory) lub stosowania laserów. Wypadkowa fala, powstała z interferencji spójnych fal padających jest falą stojącą, np. dla światła obserwuje się kolejno następujące po sobie jasne i ciemne linie, krzywe, lub okręgi, w zależności od geometrii interferujących fal (tzw. prążki interferencyjne). Ciemne obszary występują w miejscach, gdzie różnica dróg optycznych wynosi δ=(2k+1)λ/2, gdzie: k - dowolna liczba całkowita zwana rzędem interferencji, λ - długość fali. Jasne obszary wystąpią dla δ=(2k)λ/2=kλ.

Interferencja światła

Przy interferencji światła zachodzącej dzięki wielokrotnemu odbiciu w płytce płasko-równoległej otrzymane prążki nazywa się prążkami (interferencyjnymi) równego nachylenia, przy interferencji otrzymywanej dzięki odbiciom w płytce o innych kształtach (klinowatej, sferycznej itp.) otrzymuje się tzw. prążki równej grubości. W przypadku odbicia światła od cienkiej, płaskiej i przezroczystej warstwy naniesionej na inną substancję (np. plamy cieczy hydrofobowej, np. nafty, na wodzie) obserwuje się interferencję światła odbitego od powierzchni nafty ze światłem odbitym od powierzchni granicznej rodzielającej naftę i wodę. W przypadku oświetlenia światłem białym uzyskuje się wygaszenie pewnych, oraz wzmocnienie innych barw, co obserwuje się jako mieniące się, tęczowe plamy barwne na wodzie. Zjawisko nosi nazwę interferencji na cienkich warstwach.

Częstotliwość fali, częstość υ zmian amplitudy fali związana z prędkością rozchodzenia się fali u (prędkość fazowa) i długością fali λ zależnością:

υ=u/λ

Częstotliwość fali określa się w Hz (herc).

Długość fali, odległość pomiędzy dwoma kolejnymi grzbietami fali.

PYTANIE20. Akustyka.

Cechy dźwięku

Wysokość - wielkość zależna od częstotliwości dźwięku. Im większa częstotliwość, tym wyższe dźwięki.

 

Barwa - cecha określająca, co wydaje dźwięk, często określana jako brzmienie.

 

Głośność - wielkość wyrażona w fonach określająca “siłę” dźwięku zależna również od częstotliwości dźwięku.

 

Ton - dźwięk wydawany przez źródło drgające ruchem harmonicznym.

 

Echo - fala dźwiękowa powstająca przez odbicie od przeszkody, docierająca do źródła dźwięku z pewnym opóźnieniem

 

Dudnienie - zjawisko periodycznej zmiany amplitudy w wyniku nakładania się fal o podobnych częstotliwościach.

 

Wielkości charakteryzujące dźwięk

Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej zależy od gęstości, temperatury i ciśnienia ośrodka, w którym fala się rozchodzi.

 

Prędkość fali w warunkach normalnych w powietrzu wynosi

Fala dźwiękowa nie rozchodzi się w próżni - brak ośrodka.

 

Długość fali dźwiękowej, podobnie jak długość każdej fali, możemy obliczyć ze wzoru:

Natężenie dźwięku

Miarą natężenia dźwięku I jest stosunek ilości energii, która w ciągu czasu
przechodzi przez powierzchnię
prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali dźwiękowej.

 

Próg słyszalności jest to taka minimalna wartość natężenia dźwięku, który jest słyszalny.

 

Poziom natężenia dźwięku wynosi n beli, jeżeli jego natężenie jest 10ⁿ raza większe od natężenia progu słyszalności.

PYTANIE21. Ultradzwieki, hiperdzwieki, defektoskopia dzwiekowa

Ultradźwięki, fale akustyczne o częstotliwości wyższej niż 16 kHz (tj. przekraczającej górny próg słyszalności dla człowieka) i niższej od 100 MHz (hiperdźwięk). W naturze ultradźwięki emitowane są przez niektóre ssaki (m.in. nietoperze i delfiny) i wykorzystywane przez nie do echolokacji.

Analogiczne zastosowanie znajdują ultradźwięki w technice. Ponadto, ze względu na silną zależność właściwości rozchodzenia się ultradźwięków w danym ośrodku od jego budowy, służą one do badania struktury różnych ciał, m.in. organizmów żywych (tzw. ultrasonografia). Zogniskowanych wiązek ultradźwięków używa się do odrywania ciał stałych z bardziej elastycznego podłoża (usuwanie kamienia nazębnego, rozbijanie kamieni nerkowych, oczyszczanie powierzchni metali przed lutowaniem itd.).

Energia drgań ultradźwięków może być też wykorzystana do rozpylania aerozoli i emulsji, a nawet do spawania.

Infradźwięki, fale akustyczne (dźwięk) o częstotliwości mniejszej od 20 Hz. Infradźwięki nie są słyszane przez człowieka, lecz przy odpowiednim poziomie ciśnienia akustycznego mogą oddziaływać powodując zaniepokojenie, nudności itp.

W naturze towarzyszą eksplozjom, trzęsieniom ziemi, wyładowaniom atmosferycznym itp. Infradźwięki są słabo tłumione w skorupie ziemskiej i w wodzie, mogą się rozchodzić na znaczne odległości.

Hiperdźwięk, dźwięk (fala sprężysta) o częstotliwości ponad 100 MHz, dla hiperdźwięku długość fali akustycznej jest porównywalna z długością fal świetlnych.

Defektoskopia, nie niszcząca metoda badań uszkodzeń i wykrywania defektów w przedmiotach, głównie metalowych (odlewach, odkuwkach, spawach itp.). Ze względu na wykorzystywane w badaniu zjawiska fizyczne rozróżnia się defektoskopię gamma, rentgenowską, luminescencyjną, magnetyczną i elektromagnetyczną oraz ultradźwiękową.

Defektoskopia gamma i rentgenowska polega na prześwietlaniu przedmiotu odpowiednim promieniowaniem przenikliwym i rejestracji obrazu za pomocą odpowiednich klisz, wizualizacji na ekranach elektrooptycznych i scyntylacyjnych lub rejestracji licznikowej.

W defektoskopii luminescencyjnej pokrywa się badany przedmiot cieczą luminescencyjną, która wnika w szczeliny i pozostaje w nich po usunięciu nadmiaru cieczy z powierzchni. Po oświetleniu tak przygotowanego przedmiotu światłem ultrafioletowym obserwuje się wyraźne świecenie szczelin i rys wypełnionych śladami cieczy luminescencyjnej.

W defektoskopii magnetycznej przedmiot z ferromagnetyku pokrywa się proszkiem ferromagnetycznym, który gromadzi się wzdłuż szczelin powierzchniowych, wizualizując je.

W defektoskopii elektromagnetycznej bada się takie parametry materiału jak nasycenie namagnesowania, przenikalność magnetyczną, oporność właściwą itp. Odstępstwa od wartości wzorcowych dla danego materiału wskazują na defekty struktury.

W defektoskopii ultradźwiękowej bada się rozchodzenie się fali akustycznej wysokiej częstości w danym przedmiocie. Stosuje się tu metody: echa, cienia, rezonansu, impedancji oraz drgań własnych.

PYTANIE 22. Zjawisko Dopplera.

Zjawisko Dopplera

Polega ono na pozornej zmianie wysokości dźwięku (częstotliwości) wysyłanego przez źródło w wyniku względnego ruchu obserwatora i źródła.

 

f' - częstotliwość drgań rejestrowanych przez odbiorcę

f - częstotliwość drgań wysyłanych przez źródło

c - prędkość dźwięku

V - prędkość poruszania się odbiorcy

U - prędkość poruszania się źródła dźwięku

 

Górne znaki dotyczą przypadku, kiedy odbiorca lub źródło zbliżają się do siebie.

Dolne znaki oznaczają oddalanie się odbiornika lub źródła.

 

Jeżeli odległość między odbiornikiem a źródłem maleje, wtedy częstotliwość odbieranego dźwięku f' jest większa niż częstotliwość dźwięku wysyłanego f.

Jeżeli odległość rośnie, wówczas częstotliwość odbieranego dźwięku f' jest mniejsza niż częstotliwość emitowanego dźwięku f.

PYTANIE 23. Hałas i walka z hałasem.

Ochrona przed hałasem, działanie mające na celu ograniczenie ilości wytwarzanej przez źródła hałasu energii akustycznej, rozprzestrzeniania się jej, jak i przenikania do otoczenia człowieka. Działanie to, zwane też zwalczaniem hałasu, powinno uwzględniać aspekty zdrowotne, społeczne i ekonomiczne. Ochroną przed hałasem zajmuje się akustyka środowiska człowieka (obejmuje akustykę techniczną, budowlaną i urbanistyczną). W zakładzie pracy wpływ hałasu zmniejsza się przez właściwe rozmieszczenie stanowisk pracy, stosowanie izolacji dźwiękochłonnych, kabin dźwiękoszczelnych, konstruowanie urządzeń cichobieżnych oraz stosowanie ochrony indywidualnej (wkładki przeciw hałasowe, nauszniki itp.). W miastach ochrona przed hałasem obejmuje: wyciszanie źródeł hałasu, rozwiązania urbanistyczne (właściwe planowanie ulic, osiedli), zabezpieczenia akustyczno-urbanistyczne (pasy zieleni, wały ziemne, ekrany izolacyjne) oraz rozwiązania architektoniczne (układ pomieszczeń wrażliwych i niewrażliwych na hałas, rozpraszające dźwięk elewacje, dźwiękoszczelne okna).

Terenem chronionym jest teren, dla którego ustalono dopuszczalne poziomy hałasu zewnętrznego; w wybranych częściach takich terenów ustawia się strefy ciszy, w których obowiązuje zakaz wytwarzania hałasu. Sumaryczny poziom dźwięku (hałasu) emitowanego przez wszystkie źródła występujące na analizowanym obszarze określa się tzw. klimat akustyczny. W Polsce na hałas o średnim poziomie większym od 60 dB jest narażona ludność ok. 20% kraju. Ogółem ludność kraju zagrożoną hałasem o ponadnormatywnym poziomie szacuje się na ok. 33%, z czego 25% dotyczy zagrożenia w środowisku zewnętrznym, a 8% w budynkach i na stanowiskach pracy. Do pomiaru hałasu służą sonometry - mierniki poziomu dźwięku; sonometr składa się z mikrofonu, w którym energia fal akustycznych jest przekształcana w energię elektryczną, układu wzmacniającego, filtrów korekcyjnych, wychyłowego lub cyfrowego wskaźnika oraz zasilania.

hν = ϕ + E_k jest to równanie Einsteina dla zjawiska fotoeletrycznego.

Hałas, dźwięk szkodliwy lub niepożądany, ze względu na naturę procesu powstawania rozróżnia się hałas wibracyjny lub turbulentny, ze względu na zmiany czasowe rozróżnia się hałas stacjonarny, niestacjonarny, impulsowy i udarowy.

Wzorcowo hałas ocenia się korzystając z metody tzw. liczb N. Polega ona na porównaniu widma akustycznego danego hałasu z krzywymi, w przybliżeniu opisującymi wrażliwość akustyczną ucha (głośność) wyrażoną w fonach.

W praktyce stosuje się prostsze pomiary poziomu ciśnienia akustycznego wyrażanego w dB (decybelach, bel). Za szkodliwy uważa się hałas przekraczający 85 dB. Długotrwałe oddziaływanie hałasu o wyższym poziomie ciśnienia akustycznego prowadzi do trwałych ubytków słuchu. Oprócz hałasu szkodliwego definiuje się hałas uciążliwy, o niższym poziomie ciśnienia akustycznego.

Dopuszczalne poziomy hałasu w danych warunkach określane są przez odpowiednie normy, np. w centrum miast w dzień nie powinien on przekraczać 60 dB (w nocy 50 dB), natomiast na terenach chronionych (parkach, uzdrowiskach, itp.) odpowiednio 40 i 30 dB.

Ucho ludzkie charakteryzuje się różną wrażliwością na hałasy o różnym widmie akustyczym, podane normy dotyczą hałasu o wzorcowym widmie akustycznym.

PYTANIE24. Akustyka w urbanistyce i budownictwie.

Akustyczna izolacja, układ zabezpieczający (do określonego stopnia) wnętrze przed wnikaniem niepożądanych dźwięków z zewnątrz.

Skuteczna izolacja akustyczna wymaga stosowania specjalnych materiałów dźwiękochłonnych, odpowiednio zainstalowanych w zabezpieczanym pomieszczeniu.

PYTANIE25. Pole wokół ładunku elektrycznego.

Rodzaje ładunków elektrycznych

W przyrodzie występują dwa rodzaje ładunków elektrycznych: ładunki dodatnie i ładunki ujemne. Ładunki jednoimienne odpychają się, a różnoimienne przyciągają się. Podstawowym ładunkiem, tzw. elementarnym, jest ładunek jednego elektronu. Umownie zaznaczamy go jako “e”. Pozostałe ładunki są jego wielokrotnością i zaznaczamy je q lub Q.

Często mówi się, że ciało naelektryzowane jest dodatnio - ma większą ilość ładunków dodatnich ponad ilość swobodnych ładunków ujemnych (elektronów) lub ujemnie - ma większą ilość elektronów niż liczba ładunków dodatnich (protonów). Przy równej liczbie protonów i elektronów mówimy, że ciało jest nienaelektryzowane.

Są trzy rodzaje elektryzowania ciał:

• przez pocieranie, w czasie którego dochodzi do zetknięcia powierzchni obu ciał, umożliwiającego przechodzenie elektronów lub jonów z jednego ciała do drugiego; po rozłączeniu oba ciała są naładowane różnoimiennie.

• przez dotyk ciało naelektryzowane ujemnie dotknięte do innego ciała nienaelektryzowanego przekazuje połowę swojego ładunku

• przez indukcję (wpływ); zachodzi pod wpływem pola elektrycznego; następuje przesuwanie ładunków swobodnych z jednego końca ciała na drugi, przez co na jednym końcu jest np. ładunek dodatni, a na drugim ładunek ujemny

 

Zasada zachowania ładunku

W układzie odizolowanym algebraiczna suma ładunków elektrycznych jest wielkością stałą (nie może ulec zmianie).

 

Mamy dwa ładunki różnoimienne

 

 

Całkowita ich suma po zetknięciu wynosi -2q

 

 

Po rozdzieleniu tych ładunków każdy z nich ma ładunek -1q

 

 

Prawo Coulomba

 

 

Siła wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ich środkami.

Wartość tej siły możemy obliczyć ze wzoru:

 

 

Siła ta zależy również od ośrodka, w którym znajdują się ładunki.

 

gdzie

przenikalność dielektryczna próżni

przenikalność dielektryczna ośrodka

 

Pole elektrostatyczne

Polem elektrycznym nazywamy własność przestrzeni polegającą na tym, że na ładunki umieszczone w tej przestrzeni działają siły elektrostatyczne.

 

Pole elektrostatyczne jest polem źródłowym. Źródłem pola są ładunki elektryczne. Ładunki o małej wartości w porównaniu z ładunkami wytwarzającymi pole elektrostatyczne nazywają się ładunkami próbnymi. Umownie przyjmujemy, że posiadają one ładunki dodatnie.

Liniami pola elektrostatycznego nazywamy umowne linie, po których poruszałby się ładunek próbny umieszczony w tym polu, a kierunek jego ruchu wyznaczałby zwrot linii pola.

Oto przykład linii pola centralnego.

 

 

Natężenie pola elektrostatycznego

Natężeniem pola elektrostatycznego nazywamy stosunek siły elektrycznej działającej na ładunek próbny znajdujący się w danym punkcie pola do wartości tego ładunku.

 

 

Dla źródła posiadającego ładunek kulisty możemy zapisać:

 

 

Po uproszczeniu otrzymujemy wzór na wartość tego natężenia:

 

 

Natężenie jest to wielkość wektorowa charakteryzująca pole elektrostatyczne. Kierunek i zwrot natężenia jest taki sam, jak kierunek i zwrot siły określanej w danym punkcie pola.

 

Przy obliczaniu wypadkowej wartości natężenia pola elektrostatycznego korzystamy z zasady superpozycji.

 

 

Dipol elektryczny jest to układ dwóch ładunków punktowych oddalonych od siebie. Ładunki te są różnoimienne, ale bezwzględna ich wartość pozostaje stała.

 

Praca w polu elektrostatycznym

Pracę w polu centralnym można obliczyć jako pole figury zawartej między wykresem F = f (r) a osią 0r.

 

 

Trudno byłoby obliczyć pole takiej figury. Wartość siły nie jest stała. Należałoby korzystać z rachunku całkowego.

My podamy wzór gotowy.

 

 

Wzór ten określa wartość pracy, jaką trzeba wykonać przy użyciu siły zewnętrznej, aby przesunąć ładunek próbny q w polu elektrostatycznym z punktu A do punktu B. r_A i r_B są to odpowiednio odległości: początkowa i końcowa ładunku próbnego q od ładunku Q będącego źródłem pola.

 

Energia potencjalna

Energia potencjalna ładunku q w punkcie A jest równa pracy potrzebnej do wykonania, aby ten ładunek przenieść z nieskończoności do punktu A. Energia potencjalna ładunku w nieskończoności jest równa zeru.

Znak energii potencjalnej zależy od tego czy ładunki są jednoimienne E_p>0, czy różnoimienne E_p<0.

 

 

Potencjał pola elektrostatycznego

Potencjałem V pola elektrostatycznego nazywamy stosunek energii potencjalnej ładunku punktowego do wartości tego ładunku.

 

 

Dla ładunku kulistego wytwarzającego pole centralne możemy wyprowadzić inny wzór na potencjał:

 

 

Po uproszczeniu otrzymujemy

 

 

Potencjał jest wielkością skalarną określającą pole elektrostatyczne. Znak potencjału zależy od znaku ładunku wytwarzającego pole.

 

 

Wypadkowy potencjał pola elektrostatycznego powstaje przez dodanie potencjałów pochodzących od poszczególnych ładunków.

 

Podobnie jak w polu grawitacyjnym, możemy przy pomocy potencjału obliczyć wartość wykonanej w polu elektrostatycznym pracy.

 

 

Otrzymujemy wzór na pracę, którą możemy obliczyć przy pomocy potencjałów:

 

Prąd elektryczny

Prąd elektryczny jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Nośnikami energii elektrycznej w przewodnikach są elektrony. W cieczach mogą to być jony dodatnie lub ujemne.

Warunkiem płynięcia prądu jest różnica potencjałów w przewodnikach. Przyjęto, że prąd w przewodnikach płynie od wyższego do niższego potencjału. W metalach przepływ prądu jest to uporządkowany ruch elektronów (ładunek ujemny). Za kierunek płynięcia prądu przyjmujemy kierunek odwrotny czyli od + do -.

 

Natężenie prądu elektrycznego jest to stosunek ładunku, jaki przepłynął przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu, w jakim ten przepływ nastąpił.

 

 

W prądzie stałym natężenie prądu nie zależy od czasu.

 

 

 

Elektroliza

Elektroliza to przepływ prądu elektrycznego przez elektrolit, któremu towarzyszą różne procesy chemiczne.

 

Elektrolity to wszystkie związki chemiczne, które przy zastosowaniu rozpuszczalnika przewodzą prąd elektryczny.

 

Dysocjacja elektrolityczna to rozpad cząsteczek kwasów, zasad i soli na jony pod wpływem rozpuszczalnika.

 

Ogniwo galwaniczne to układ dwu elektrod wykonanych z różnych związków chemicznych tak dobranych, że po zanurzeniu w elektrolicie przewodzą prąd elektryczny.

 

 

Prawa elektrolizy Faradaya

 

I prawo

Masa substancji wydzielonej na elektrodzie jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu płynącego przez elektrolit i do czasu trwania elektrolizy (iloczyn natężenia prądu i czasu to ładunek).

 

 

k - równoważnik elektrochemiczny

 

II prawo

Określa równoważnik elektrochemiczny

 

 

F = N_e e

 

F - stała Faradaya

- masa molowa

- wartościowość

- liczba Avogadra

e - ładunek elementarny

 

Prawo Ohma

Włączając opornik, amperomierz i woltomierz do obwodu prądu stałego możemy dla danego opornika zmierzyć zależność natężenia prądu od napięcia.

 

 

Należy zwrócić uwagę, że amperomierz włączamy do obwodu szeregowo, a woltomierz równolegle.

 

Po dokonaniu pomiarów można przedstawić charakterystykę prądowo-napięciową.

 

 

Zależność między napięciem a natężeniem jest wprost proporcjonalna, przy czym współczynnikiem proporcjonalności jest odwrotność oporu.

 

Stosunek napięcia mierzonego na końcach przewodnika do natężenia prądu płynącego przez przewodnik jest stała (zakładamy stałą temperaturę przewodnika).

 

 

Jednocześnie należy podkreślić, że opór nie zależy ani od napięcia, ani od natężenia.

 

Opór zależy natomiast od własności samego przewodnika i jest wprost proporcjonalny do długości l przewodnika, a odwrotnie proporcjonalny do pola przekroju s przewodnika. Współczynnikiem proporcjonalności jest opór właściwy
przewodnika (wielkość ta jest charakterystyczna dla danego materiału).

 

 

Każde ogniwo charakteryzują dwie wielkości:

E - siła elektromotoryczna ogniwa

r - opór wewnętrzny ogniwa

 

Możemy określić w ten sposób prawo Ohma dla obwodu zamkniętego.

 

Natężenie prądu płynącego w obwodzie jest wprost proporcjonalne do siły elektromotorycznej, a odwrotnie proporcjonalne do całkowitego oporu w obwodzie.

 

 

Łączenie ogniw

szeregowo

równolegle

 

Siła elektromotoryczna

Siła elektromotoryczna ogniwa E określa wartość pracy W, jaką musi wykonać ogniwo w celu przesunięcia ładunku
q do wartości tego ładunku.

 

 

Pomimo takiej nazwy, siła elektromotoryczna nie ma nic wspólnego z jednostką siły. Jej wielkość mierzymy w voltach [V] i odpowiada ona napięciu, jakie panuje między biegunami źródła, gdy nie płynie przez nie prąd elektryczny.

 

Prawa Kirchhoffa

 

I prawo

Suma natężeń prądów wpływających do danego węzła sieci równa jest sumie natężeń prądów wypływających z węzła sieci.

 

 

II prawo

Suma wszystkich sił elektromotorycznych i spadków napięć w oczku sieci jest równa zeru.

 

 

Gdyby okazało się, że założony kierunek nie jest zgodny z kierunkiem płynięcia prądu należy przed iloczynem I i R wstawić znak “-”.

 

Łączenie oporników

szeregowe I = I1 = I2 = I3 = const U = U1 + U2 + U3 z prawa Ohma możemy wstawić U = R I otrzymujemy RI = R1I1 + R2I2 + R3I3 dzielimy stronami przez (stałe) I R = R1 + R2 + R3

równoległe Z I prawa Kirchoffa I = I1 + I2 + I3 U = U1 = U2 = U3 = const z prawa Ohma możemy wstawić otrzymujemy dzielimy stronami przez (stałe) U

 

Praca, moc prądu elektrycznego

Z pola elektrostatycznego znamy wzór określający pracę potrzebną do przesunięcia ładunku między dwoma punktami.

 

W = q (V₂ - V₁)

 

różnica potencjałów to nic innego jak napięcie U

 

W = q U

 

jednocześnie z definicji natężenia prądu możemy wyliczyć ładunek

 

q = I t

 

i wstawić go do wzoru na pracę

 

W = U I t

 

Wzór ten łatwo jest zapamiętać - wójt (pisany w fizyce, oczywiście, z błędem ortograficznym)

 

Do wzoru tego swobodnie możemy podstawiać wielkości z prawa Ohma

 

 

Przy tej okazji dobrze byłoby wspomnieć treść prawa Joule'a

Przepływowi prądu elektrycznego towarzyszy wydzielanie się ciepła, które równe jest iloczynowi napięcia na końcach przewodnika, natężenia prądu i czasu przepływu tego prądu.

 

Q = W = U I t

Pojemność elektryczna

Pojemnością elektryczną C przewodnika nazywamy stosunek ładunku Q zgromadzonego na przewodniku do potencjału V, jaki ten przewodnik wytwarza. Jest to wielkość stała dla danego przewodnika.

 

 

Zasłaniając szukaną wielkość bez problemu możemy przekształcić powyższy wzór.

Pojemność jest cechą przewodnika i nie zależy ani od ładunku, ani od potencjału.

 

Kondensator płaski

Kondensatory służą do gromadzenia ładunku elektrycznego.

Kondensator płaski to układ dwóch metalowych płytek o polu powierzchni s oddalonych od siebie o odległość d, z których jedna wpływa na wzrost pojemności drugiej.

 

 

Pojemność kondensatora płaskiego zależy od jego parametrów.

 

 

- określa względną przenikalność dielektryka, którą można obliczyć dzieląc pojemność kondensatora z dielektrykiem przez pojemność kondensatora próżniowego o tych samych parametrach.

 

Pojemnością kondensatora nazywamy stosunek zgromadzonego na nim ładunku Q do różnicy potencjałów U między jego okładkami.

 

 

Łączenie kondensatorów

szeregowe Q = Q1 = Q2 = Q3 U = U1 + U2 + U3 gdzie dla Q = const możemy przez Q podzielić Odwrotność pojemności układu kondensatorów połączonych szeregowo jest równa odwrotności pojemności poszczególnych kondensatorów.

równoległe Q = Q1 + Q2 + Q3 gdzie Q= C U U1 = U2 = U3 = U = const CU = C1U1 + C2U2 + C3U3 dzielimy przez U otrzymujemy C = C1 + C2 + C3 Pojemność układu kondensatorów połączonych równolegle równa jest sumie pojemności poszczególnych kondensatorów.

 

Energia naładowanego kondensatora

Zależność między ładunkiem gromadzonym w kondensatorze a napięciem między okładkami kondensatora przedstawia się następująco.

 

 

Pracę interpretujemy graficznie jako pole figury zawarte pod tym wykresem.

Energia kondensatora jest równa pracy potrzebnej do naładowania kondensatora. Energię tę możemy określić wzorem:

 

 

Do tego wzoru możemy podstawiać dowolnie przekształcony wzór:

 

PYTANIE27. Przyrządy w fizyce współczesnej.

Licznik czerenkowski, licznik Czerenkowa, detektor szybkich cząstek naładowanych rejestrujący (z użyciem fotopowielaczy) światło emitowane na skutek zjawiska Czerenkowa towarzyszącego przelotowi cząstki. Ośrodkiem roboczym wypełniającym licznik jest zazwyczaj gaz, istnieją jednak liczniki wypełnione cieczą lub ciałem stałym.

Wyróżnia się progowe oraz różnicowe liczniki czerenkowskie. Liczniki progowe rejestrują przelot cząstki o prędkości większej od zadanej: zjawisko Czerenkowa występuje, gdy prędkość cząstki jest większa od prędkości światła w danym ośrodku. Przy jednakowej energii cząstki o mniejszej masie spoczynkowej poruszają się szybciej.

Dobierając ciśnienie gazu wypełniającego licznik można uzyskać warunki, w których np. pion wywołuje zjawisko Czerenkowa, a proton już nie. Liczniki takie (lub ich kombinacje) służą do szybkiej identyfikacji cząstek pojawiających się w oddziaływaniu. Liczniki różnicowe umożliwiają pomiar kąta emisji promieniowania czernkowskiego, a co za tym idzie, pomiar prędkości cząstki (co przy danej energii cząstki pozwala określić jej masę).

Oba rodzaje liczników czerenkowskich (lub ich kombinacje) stosuje się w fizyce jądrowej wysokich energii jako elementy tzw. trygerów.

Detektory półprzewodnikowe, elektroniczne (czynne) detektory promieniowania jonizującego zbudowane z materiału półprzewodnikowego (półprzewodniki). Detektor półprzewodnikowy jest dużą diodą (złącze p-n) spolaryzowaną zaporowo.

Napięcie polaryzujące, materiał półprzewodnikowy i szczegóły konstrukcji zależą od rodzaju rejestrowanego promieniowania. Do rejestracji kwantów gamma wykorzystuje się duże monokryształy germanu typu p (lub czasem n).

W przypadku promieniowania rentgenowskiego oraz cząstek naładowanych (głównie alfa i czasami beta) stosuje się monokryształy krzemu. Krzemowe detektory rentgenowskie są zazwyczaj większej objętości niż detektory cząstek alfa, w których, ze względu na małą przenikliwość cząstek alfa złącze p-n musi znajdować się praktycznie na powierzchni detektora.

W celu zmniejszenia szumów detektory kwantów gamma i rentgenowskich chłodzone są zazwyczaj ciekłym azotem, detektory cząstek naładowanych ze względu na mniejsze szumy (mniejszą objętość czynną) pracują w temperaturze pokojowej.

W detektorze półprzewodnikowym istnieje obszar (objętość czynna), w którym brak swobodnych elektronów lub dziur przewodzących. Detektory o płaskiej objętości czynnej nazywane są planarnymi, a o symetrii walcowej - koaksialnymi. Cząstka jonizująca przenikająca przez objętość czynną wytwarza tam ładunki, których suma jest proporcjonalna do energii cząstki. Wysokie napięcie polaryzujące diodę (tj. detektor) powoduje dryf ładunków i pojawienie się sygnału prądowego.

Ze względu na proporcjonalność sygnału do energii padającej cząstki detektory półprzewodnikowe wykorzystuje się w układach spektrometrycznych (promieniowania alfa, gamma lub rentgenowskiego).

Detektor podczerwieni, wykrywacz promieniowania podczerwonego. Najważniejsze znaczenie mają detektory podczerwieni: cieplny, którego działanie oparte jest na wykorzystaniu zmian rezystancji lub napięcia w wyniku cieplnego działania promieniowania, oraz fotoelektryczny, działający w wyniku zamiany energii promienistej na energię cieplną.

Detektory podczerwieni stosowane są coraz częściej jako wyposażenie samolotów bojowych.

Detektory promieniowania jonizującego, układy służące do wykrywania i rejestracji jonizującego promieniowania przenikliwego.

Wyróżnia się detektory bierne (detektory termoluminescencyjne i fotoluminescencyjne, elektrometry), detektory śladowe (klisze rentgenowskie, emulsje jądrowe, komory pęcherzykowe, komory Wilsona) oraz detektory czynne (inaczej elektroniczne: detektory gazowe, liczniki scyntylacyjne, liczniki czerenkowskie i detektory półprzewodnikowe).

Detektory gazowe to komory jonizacyjne, liczniki proporcjonalne, liczniki Geigera-Mullera, komory iskrowe i komory streamerowe. Dwa ostatnie rodzaje są równocześnie detektorami śladowymi.

Geigera-Müllera licznik, licznik G-M, gazowy detektor promieniowania jonizującego, pracujący w zakresie napięcia wyładowania koronowego. Najczęściej jest to kondensator cylindryczny wypełniony gazem szlachetnym. Katodę stanowią zewnętrzne ścianki, anodę cienki drut przebiegający w osi symetrii. Wokół centralnej elektrody (anody) istnieje silne, niejednorodne pole elektryczne, wywołane przyłożonym napięciem. Pojawienie się w tym obszarze swobodnego elektronu (np. w wyniku przejścia cząstki promieniowania jonizującego) inicjuje wyładowanie koronowe, ilość wytworzonych w nim swobodnych elektronów zależy wyłącznie od parametrów detektora, nie zależy od energii jonizującej cząstki. Wyładowanie jest “gaszone” dzięki domieszkom wieloatomowych cząstek organicznych, np. alkoholu (w tzw. detektorach samogasnących) lub poprzez obniżenie napięcia (w tzw. detektorach niesamogasnących).

Ze względu na brak informacji o energii rejestrowanych cząstek, a także swoją prostotę i taniość, liczniki GM stosuje się tylko w prostych układach detekcyjnych, z zastosowaniem do rejestracji promieniowania alfa i beta (tzw. liczniki okienkowe) lub beta i gamma (liczniki cienkościenne) lub tylko gamma (liczniki GM grubościenne). Nazwa licznika pochodzi od nazwisk niemieckich fizyków, którzy w 1928 skonstruowali pierwszy licznik tego typu: Hansa Geigera (1882-1945) i Walthera Müllera.

Licznik proporcjonalny, gazowy detektor promieniowania jonizującego pracujący w zakresie napięć, dla których występuje zjawisko tzw. wzmocnienia gazowego, tj. proporcjonalnego wzrostu ładunku docierającego do elektrody względem ładunku jonizacji pierwotnej. Zjawisko to występuje wokół jednej elektrody licznika, wykonanej z cienkiego napiętego drutu, wokół którego panuje silne pole elektryczne.

Ze względu na szczegółowe rozwiązania konstrukcyjne liczników wynikające z ich optymalizacji pod kątem rodzaju pomiaru wyróżnia się: liczniki proporcjonalne przepływowe wykorzystywane do pomiarów całkowitej aktywności promieniowania alfa lub promieniowania beta, liczniki proporcjonalne wewnętrznego napełniania służące do pomiaru aktywności gazów radioaktywnych, rentgenowskie liczniki proporcjonalne, liczniki proporcjonalne z trójfluorkiem boru służące do detekcji neutronów termicznych (dzięki reakcji neutronów z borem z emisją cząstek alfa), liczniki proporcjonalne protonów odrzutu itd.

Woltomierz, miernik elektryczny służący do pomiaru napięcia, włączany równolegle do obwodu elektrycznego. Zbudowany jest z odpowiednio wyskalowanego mikroamperomierza i dużego opornika elektrycznego. Pomiar odbywa się poprzez wyznaczenie natężenia prądu płynącego przez woltomierz, który charakteryzuje się znaczną opornością wewnętrzną. W zależności od zastosowania rozróżnia się woltomierze prądu zmiennego i woltomierze prądu stałego.

Amperomierz, przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego. Działanie amperomierza opiera się na pomiarach efektów elektromagnetycznych, cieplnych itp., wywołanych przepływającym prądem. Włącza się go szeregowo do obwodu elektrycznego, w związku z czym istotną cechą jest jego niewielka oporność wewnętrzna, nie wpływająca na wartość mierzonego prądu. Amperomierze klasyfikuje się ze względu na: rodzaj mierzonego prądu (amperomierze prądu stałego i przemiennego - te ostatnie mierzą wartość skuteczną, rzadziej średnią), wartość mierzonego prądu (mikro-, miliamperomierze lub kiloamperomierze - duży zakres pomiaru uzyskuje się przez zastosowanie boczników lub przekładników prądowych w przypadku prądu zmiennego), konstrukcję (np. magnetoelektryczny, elektromagnetyczny, cieplny), rodzaj wskazań (analogowy, cyfrowy).

Omomierz, miernik elektryczny służący do pomiaru oporności (oporność elektryczna) przewodnika. Zbudowany jest zazwyczaj z amperomierza połączonego szeregowo z badanym oporem i mierzącego prąd płynący z wewnętrznego źródła zasilania omomierza (np. baterii) przez ten opór.

Do pomiarów małych oporności stosuje się omomierze zbudowane w innym układzie: zawierają one woltomierz, badany opór włączony jest do niego równolegle. Pomiarów bardzo dużych oporności dokonuje się za pomocą megaomomierzy, wyposażonych w ręczne generatory wysokiego napięcia.

Galwanometr, czuły miernik elektryczny służący do pomiaru bardzo małych natężeń i napięć prądu lub ładunków elektrycznych.

Ze względu na konstrukcję wyróżnia się galwanometry wskazówkowe, lusterkowe (najdokładniejsze) i ze wskaźnikiem świetlnym. Istnieją galwanometry do pomiaru prądów stałych lub zmiennych. Współczesne galwanometry prądu zmiennego często posiadają wzmacniacze elektroniczne wzmacniające badane prądy i miliamperomierze mierzące je.

Specjalną kategorią galwanometrów są galwanometry balistyczne. Są to przyrządy magnetoelektryczne o dużym momencie bezwładności części ruchomej. Galwanometr balistyczny służy do pomiaru krótkich impulsów prądowych (Balistyczny pomiar).

PYTANIE28. Efekty kwantowe w przyrodzie.

Kwantowe przejścia, spontaniczne lub wymuszone zmiany stanu układu kwantowego (cząsteczki (molekuła), atomu, jądra atomowego itp.). Towarzyszy im emisja lub absorpcja porcji energii (kwant).

Molekuła, cząsteczka, drobina, elektrycznie obojętny układ atomów związanych chemicznie (wiązanie chemiczne). Termin drobina bywa używany także w szerszym znaczeniu obejmującym, oprócz molekuł, także atomy, jony i rodniki (wszelkie cząstki chemiczne, tzn. stabilne układy jąder atomowych i elektronów).

Emisja, zjawisko wysyłania promieniowania lub cząstek.

Przejście promieniste, zmiana stanu układu kwantowego związana z emisją lub absorpcją promieniowania elektromagnetycznego (fotonów). Przejście promieniste charakteryzowane jest przez własną multipolowość promieniowania.

Przejście bezpromieniste, zmiana stanu układu kwantowego (np. atomu lub grupy atomów) nie związana z emisją lub absorpcją promieniowania elektromagnetycznego (fotonów).

Absorpcja promieniowania, pochłanianie energii fal (elektromagnetycznych, akustycznych, promieniowania korpuskularnego) w układach materialnych. Dla różnych rodzajów promieniowania mechanizm absorpcji jest odmienny. W wielu przypadkach absorpcja ma charakter rezonansowy.

Promieniowanie elektromagnetyczne, zaburzenia pola elektromagnetycznego (fale elektromagnetyczne) rozchodzące się w próżni z prędkością światła, polegające na poprzecznym (wzajemnie do siebie i do kierunku rozchodzenia się fali) drganiu wektorów natężeń pól magnetycznego i elektrycznego.

Zgodnie z zasadą dualizmu korpuskularno-falowego fale te można traktować jak strumienie fotonów. Promieniowanie elektromagnetyczne może mieć charakter promieniowania cieplnego lub inny: np. promieniowanie hamowania, synchrotronowe promieniowanie.

Foton, kwant pola promieniowania elektromagnetycznego. Masa spoczynkowa fotonu równa jest zero (oszacowanie eksperymentalne daje wielkość < 10^-48g), porusza się z prędkością światła c, ma energię E=hν, (h - stała Plancka, ν - częstotliwość odpowiadającej fali elektromagnetycznej), jest bozonem, nie posiada momentu magnetycznego ani ładunku elektrycznego.

Fotony powstają w wyniku przejścia układu, np. atomu lub jądra atomowego ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii, podczas zmiany pędu cząstki naładowanej, a także w wyniku anihilacji par elektron-pozyton.

Hipotezę istnienia fotonu wysunął w 1905 A. Einstein. Foton oddziałuje elektromagnetycznie ze wszystkimi cząstkami elementarnymi. Teorię fotonu i jego oddziaływań jest przedmiotem badań elektrodynamiki kwantowej.

PYTANIE 29 Promieniowanie kosmiczne.

Kosmiczne promieniowanie, strumień jąder atomowych, kwantów gamma i neutronów docierających do Ziemi z przestrzeni kosmicznej (tzw. promieniowanie kosmiczne pierwotne) oraz innych cząstek, wytwarzanych przez promieniowanie kosmiczne pierwotne w reakcjach jądrowych z jądrami atomów gazów atmosferycznych (tzw. promieniowanie kosmiczne wtórne). Oprócz cząstek elementarnych w reakcjach tych (głównie w reakcjach spalacji) tworzone są tzw. kosmogenne izotopy promieniotwórcze (np. ¹⁴C, ⁷Be, ¹⁰Be, ²²Na itd.).

Średnia energia cząstek promieniowania pierwotnego wynosi 10 GeV, maksymalne energie są miliard razy większe. Łączny średni strumień pierwotnego promieniowania kosmicznego wynosi ok. 1400 cząstek na m² na sekundę i na steradian, przy czym są to głównie jądra wodoru, tj. protony, stanowią one ok. 93% cząstek.

Promieniowanie pierwotne ma mieszane pochodzenie, jego głównymi źródłami są: centrum Galaktyki, otoczki gwiazd supernowych (np. mgławice planetarne), obiekty pozagalaktyczne i Słońce. W promieniowaniu wtórnym obserwuje się wszystkie rodzaje cząstek elementarnych, kolejne oddziaływania wysokoenergetycznych cząstek i cząstek wtórnych tworzą, w zależności od rodzaju padających cząstek, tzw. lawiny hadronowe (hadrony) lub tzw. lawiny elektromagnetyczne (kwanty gamma i pary negaton z pozytonem).

Natężenie i skład wtórnego promieniowania kosmicznego zależy wyraźnie od wysokości n.p.m. oraz, w wyniku oddziaływania z ziemskim polem magnetycznym, od szerokości geograficznej. W pobliże powierzchni Ziemi dociera głównie składowa mionowa (mion). Roczna dawka skuteczna otrzymywana od promieniowania kosmicznego (suma wszystkich rodzajów cząstek) dla przeciętnego mieszkańca Ziemi wynosi 0,37 mSv.

Promieniowanie kosmiczne odkrył (1910) Teodor Wulf (fizyk francuski, jezuita), pierwszymi badaczami (m.in. w eksperymentach balonowych) byli: V. Hess (od 1911), R.A. Millikan, W. Kolhörster i in. Najwięcej odkryć dokonano w tej dziedzinie w latach 1925-1965, np. odkryto wiele cząstek elementarnych (m.in. pozyton, hiperony, mezony π i K, mion, itd.).

PYTANIE 30. Oddziaływania w przyrodzie.

Magnetyzm, magnetyczne oddziaływania, ogół zjawisk wzajemnego oddziaływania poruszających się ładunków elektrycznych postrzeganych makroskopowo jako wzajemne oddziaływanie na siebie prądów elektrycznych, prądów z magnesami i magnesów. Oddziaływanie zachodzi poprzez pola magnetyczne.

Mikroskopowo zjawiska magnetyczne są konsekwencją relatywistycznych efektów zjawisk elektrycznych. Własności magnetyczne ciał (diamagnetyzm, paramagnetyzm, ferromagnetyzm, ferrimagnetyzm, antyferromagnetyzm) wynikają z wzajemnych oddziaływań orbitalnych i spinowych momentów magnetycznych w atomach substancji.

Oddziaływania fizyczne, wpływ jednego elementu materii na inny jej element związany ze zmianą (przekazem) energii. Wszystkie stwierdzone oddziaływania w świecie fizykalnym i wywołane nimi zjawiska mogą być wyjaśnione jako przejawy istnienia czterech tzw. fundamentalnych oddziaływań fizycznych: grawitacyjnego (ma ona istotne znaczenie tylko dla obiektów makroświata), elektromagnetycznego oraz oddziaływań silnych i oddziaływań słabych (decydujących o procesach zachodzących w mikroświecie).

Przykładowo dwa protony oddziałują na siebie poprzez każdy z czterech wymienionych rodzajów oddziaływań, przy czym siły działające na skutek oddziaływania silnego są ok. stukrotnie większe niż elektromagnetyczne, które z kolei są tysiąckrotnie większe od sił odziaływania słabego, te ostatnie są aż 10³⁵ razy większe od sił grawitacji działających pomiędzy nimi.

Istnieje tendencja do stworzenia jednej teorii obejmującej wszystkie oddziaływania fizyczne (wielka unifikacja). W obecnej chwili grawitację opisuje ogólna teoria względności, oddziaływanie elektromagnetyczne elektrodynamika kwantowa, oddziaływanie silne chromodynamika kwantowa, oddziaływania słabe teoria jednocząca te oddziaływania z elektromagnetycznymi w tzw. oddziaływania elektrosłabe (mała unifikacja).

We wszystkich fundamentalnych oddziaływaniach fizycznych istnieją pola fizyczne i ich źródła. Wszystkie oddziaływania fizyczne oprócz grawitacji mają charakter kwantowy (istnieją próby opracowania kwantowej teorii grawitacji).

W ujęciu kwantowym pola fizyczne utożsamiane są z bozonami (fotony, gluony, bozony pośredniczące Z i W), źródłami pól są fermiony (leptony i kwarki). Oddziaływanie polega na wymianie wirtualnych bozonów danego rodzaju. Oddziaływania o skończonym zasięgu (tj. silne i słabe oddziaływania) związane są z bozonami o niezerowych masach, oddziaływania elektromagnetyczne mają nieskończony zasięg (foton jest bezmasowy).

PYTANIE 31 Temat dowolny.

PYTANIE 32.Pytanie dowolne.

Słońce - najbliższa Ziemi gwiazda, centralne ciało Układu Słonecznego, główne źródło energii docierającej do Ziemi i najsilniejszy obiekt na niebie. Słońce jest niedużą gwiazdą o jasności absolutnej 4^m,84. Masa Słońca wynosi 1,991*10³⁰ kg (332 958 mas Ziemi), promień 696 tys. km, średnia gęstość 1,41 g/cm³, przyśpieszenie grawitacyjne na powierzchni 274 m/s², temperatura fotosfery około 6000 K, temperatura centrum około 16 mln K, moc promieniowania słonecznego jest równa 3,826*10²⁶ J/s. Źródłem energii promieniowanej przez Słońce są reakcje termojądrowe przemiany wodoru w hel, zachodzące w jego wnętrzu, zwłaszcza przemiany tzw. cyklu proton-proton. W wyniku tego cyklu reakcji - protony łączą się w cząstkę α, przy czym wydziela się energia w ilości 4,27*10^-12 J na jedną przemianę. Warunkiem koniecznym zachodzenia tych reakcji jest temperatura kilkunastu mln. K panująca w jądrze Słońca (d = 100 g/cm³). Produkowana w jądrze Słońca energia jest przenoszona w postaci promieniowania ku jego powierzchni, ulegając w kolejnych warstwach Słońca absorpcji i ponownej emisji. Na Ziemię dociera znikoma część całkowitej energii promieniowania słonecznego, ale i tak na powierzchnię 1 m² ustawioną prostopadle do promieni pada ok.1370 J/s (tzw. stała prom. Słonecznego)

Kolektor Słoneczny - urządzenie do absorpcji promieniowania słonecznego i wykorzystywania jego energii do podgrzewania nośnika ciepła (wody, powietrza, oleju); stosowany do ogrzewania budynków i w elektrowniach słonecznych. Kolektor słoneczny skupiający; skupia promieniowanie słoneczne na zbiorniku nośnika ciepła, ogrzany nośnik przekazuje ciepło parze napędzającej turbinę parową sprzęgniętą z generatorem elektrycznym.

 

 

---