38. Oblicz jaka jest częstotliwość fal elektromagnetycznych używanych w telefonii komórkowej, jeśli wiadomo, że długość tych fal jest równa λ = 1/6m.

λ = 1/6 m

f = 1/T [1/s = Hz]

v = λ/T = λ * f

v = c = 299 792 458 m/s

v = c = λ * f

f = c/λ

f = 299 792 459/ 1/6 = 299 792 459*6 = 1 798 754 754Hz

39. Oblicz częstotliwość fal świetlnych o długości λ = 600nm.

λ = 600 nm = 600*10^-9 m = 0,0000006 m

f = 1/T [1/s = Hz]

v = λ/T = λ * f

v = c = 299 792 458 m/s

v = c = λ * f

f = c/λ

f = 299 792 459/ 0,0000006 = 499 654 098 333 333,(33) Hz

40. Wiązka światła niebieskiego o długości fali w powietrzu λ = 450nm wpada do wody. Prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w wodzie jest równa v = 2,25*10⁸m/s. Oblicz długość fali tego światła w wodzie. Jaki kolor zaobserwujemy, gdy wiązka ta trafi w wodzie bezpośrednio do naszego oka?

λ_p = 450 nm = 450*10^-9 m = 0,00000045 m - długość fali elektromagnetycznej w powietrzu

v_w = 2,25*10⁸m/s - prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w wodzie

f = 1/T [1/s = Hz]

v = λ/T = λ * f

v_p = c = 299 792 458 m/s - prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w powietrzu

v_p = c = λ_p * f

f = c/λ

f = 299 792 459/ 0,00000045 =666 205 464 444 444,(44) Hz

v_{w =} λ_w * f

λ_w = v_w/f

.

λ_w = 2,25*10⁸/666 205 464 444 444,(44) = 3,38*10^-7 m = 0,000000338 m

Zaobserwujemy kolor fioletowy? - Barwa fioletowa - światło o długości od 380 do 450 nm.

41. Opisz mechanizm tworzenia się grzywaczy fal morskich zbliżających się do brzegu.

Wraz ze zbliżaniem się do brzegu D↓ (głębokość zbiornika w m)

Prędkość fali v (i jej długość λ) maleją - bardziej dla cząsteczek wody leżącej głębiej,

co jest przyczyną…

deformacji fali i wzrostu H, a przez to…

silnego wzrostu (K = H/λ - stromość fali) czyli spiętrzania fali…

fala załamuje się (tzw. grzywacz) i formuje się…

tzw. fala przyboju (przybój).

42. Opisz jak wyznaczono średnią głębokość Oceanu Spokojnego na podstawie obserwacji fal tsunami powstałych po trzęsieniu ziemi w Sanriku (Japonia) w 1933 roku.

Odległość : Sanriku (płn Honsiu) - San Francisco d ≈8 500 km

Fala dotarła do San Francisco po t = 11,5 h

v = d/t

v = 8 500/11,5 ≈ 760 km/h

Ze wzoru:

v = pierw z g*D

D = v²/g

D ≈ 4 400 m

Jest to jedno z wczesnych oszacowań głębokości Oceanu Spokojnego.

43. Wyjaśnij jak wnioskuje się na podstawie obserwacji fal sejsmicznych, że jądro Ziemi jest płynne.

Na podstawie obserwacji fal sejsmicznych podłużnych p możemy wywnioskować, że jądro zewnętrzne Ziemi jest w stanie płynnym, gdyż następuje załamanie się tej fali p na granicy różnych ośrodków (pomiędzy płaszczem Ziemi, który jest w stanie stałym, a jądrem zewnętrznym, który jest w stanie płynnym). Przyczyną jest różna prędkość rozchodzenia się fal sejsmicznych w tych ośrodkach.

O tym, że jądro Ziemi jest płynne możemy wywnioskować również na podstawie fal sejsmicznych poprzecznych s, które nie może rozchodzić się w cieczy, a więc nie rozchodzi się ona w jądrze zewnętrznym, tylko w płaszczu Ziemi.

44. Omów podobieństwa i różnice pomiędzy następującymi kolorami:

a) zielony - czerwony

zielony - λ ~ 520-565

czerwony - λ ~ 625-740 nm

b) niebieski - purpurowy

niebieski - λ ~ 450-500

purpurowy - nałożenie się barwy czerwonej i niebieskiej?

c) czerwony - biały

czerwony - λ ~ 625-740 nm

biały - mieszanina fal elektromagnetycznych o różnych długościach fali (kolorach), w takich proporcjach, jak w promieniowaniu słonecznym.

d) szary - czarny

Szary - światło białe, ale o mniejszym nasileniu, np. słabiej jest odbijane

Barwa czarna - najciemniejsza z barw. W teorii oznacza całkowity brak światła widzialnego odbijanego przez ciało przy oświetleniu dowolnym światłem widzialnym. W praktyce miejsce tak ciemne, że poprzez kontrast z resztą otoczenia nie możemy określić jego barwy z powodu niedoboru światła z tego kierunku. W praktyce ciał doskonale czarnych, czyli ciał pochłaniających 100% padającego na nie światła nie ma, a jedną z najciemniejszych substancji jest sadza.

45. Co to jest energia wewnętrzna ciała i jak można ją wyznaczyć?

Energia wewnętrzna - jest to suma energii kinetycznych wszystkich cząsteczek i atomów ciała w ich ruchu chaotycznym w ciele oraz ich energii potencjalnych wzajemnych oddziaływań:

U = K + E^p = ∑_i( K_i + E^p_i),

gdzie:

K - całkowita energia kinetyczna cząsteczek

E^p - całkowita energia potencjalna oddziaływań cząsteczek

K_i - energia kinetyczna i-tej cząsteczki

E_i - energia potencjalna oddziaływań i-tej cząsteczki z pozostałymi cząsteczkami

Nie można obliczyć wartości całkowitej energii wewnętrznej ciała, a jedynie zmiany energii wewnętrznej ∆U.

46. Podaj pierwszą zasadę termodynamiki i omów pojęcia pracy wykonanej nad ciałem.

I zasada termodynamiki - przyrost energii wewnętrznej ciała (układu) ∆U jest równy sumie pracy W wykonanej nad ciałem przez siły zewnętrzne (inne ciało/układ) oraz ciepła Q dostarczonego do ciała (układu):

∆U = W + Q

Praca wykonana nad ciałem - jest to również, jak w przypadku Q przekazanie mu energii. Polega ono na zmianie objętości układu pod wpływem działania siły zewnętrznej. Czyli praca wykonana nad ciałem polega na zmianie jego objętości, kształtu, czy też stanu skupienia.

47. Podaj, co to jest temperatura.

Temperatura - jest to wielkość fizyczna będąca miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek substancji:

K ~ k*T

Jednostką temperatury w układzie SI jest kelwin (1K).

k = 1,38*10^-23J/K - stała fizyczna, tzw. stała Boltzmanna

48. Omów jak w kinetyczno - molekularnym obrazie budowy materii wyjaśnić można proces wyrównania się temperatur dwóch ciał będących w bezpośrednim kontakcie ze sobą.

Równowaga temperaturowa

Stwierdzenie:

„Dwa ciała, np. woda i kawałek metalu mają tę samą temperaturę” oznacza, że średnia energia kinetyczna poruszających się cząsteczek każdego ciała jest taka sama.

Wyrównywanie się temperatur:

• Stykamy ze sobą dwa ciała, które mają różną temperaturę

• Cząsteczki ciała o temperaturze wyższej (większa energia kinetyczna cząsteczek) zderzają się z cząsteczkami ciała o niższej temperaturze (mniejsza energia kinetyczna)

• Zaczynają „rozpędzać” te wolniejsze cząsteczki

Następuje przekaz energii wewnętrznej od jednego ciała do drugiego.

Wynik: stan, w którym wszystkie cząsteczki obu ciał mają taką samą (średnio) energię kinetyczną. Nastąpiło wyrównanie temperatur (taki stan omawianego układu dwóch ciał nazywamy równowagą temperaturową).

Przekaz energii wewnętrznej, który tutaj nastąpił nazywamy przepływem ciepła lub prościej - ciepłem.

49. Oblicz, z jaką średnią prędkością poruszają się atomy gazowego helu, którego temperatura równa jest t = 27⁰C. Potrzebne dane: liczba masowa helu A = 4, jednostka masy atomowej m₀ = 1,66*10^-27 kg, stała Boltzmanna k = 1,38*10^-23 J/K.

t = 27⁰C = 27 + 273,15 K = 300,15 K

A = 4

m₀ = 1,66*10^-27 kg

k = 1,38*10^-23 J/K

k*T/2 = mv²/2 *2

k*T = mv²

v² = k*T/m

v = pierwiastek z k*T/m

m = A* m₀

m = 4*1,66*10^-27 kg = 6,64*10^-27 kg

v = pierwiastek z 1,38*10^-23 *300,15 /6,64*10^-27 = pierw z 62,38*10⁴ = 7,9*10² m/s = 790 m/s

50. Co to jest ciepło?

Ciepło (Q) - jest formą energii.

∆U = W + Q

Ciepło - jest to jedna z form zmiany energii wewnętrznej ciała, zachodząca przez przekaz energii od ciała o wyższej o wyższej temperaturze do ciała o temperaturze niższej.

Jednostką ciepła, podobnie, jak energii, jest w układzie SI dżul (1 J).

Inna jednostka: 1 kaloria (1 cal = 4,1868 J), jest używana wyłącznie w kontekście pomiarów ilości ciepła.

51. Podaj główne mechanizmy przepływu ciepła.

Przewodnictwo cieplne - bezpośredni kontakt ciała o wyższej temperaturze z ciałem o temperaturze niższej.

Jest to zmiana energii wewnętrznej ciała poprzez przekazywanie jego cząsteczkom drgań w bezpośrednim kontakcie z ciałem o wyższej energii kinetycznej drgań cząsteczek (wyższej temperaturze).

Przewodnictwo cieplne jest przekazem energii.

• Konwekcja - przekazywanie ciepła za pośrednictwem strumienia cieczy lub gazu. Konwekcja jest przekazem materii i energii.

Konwekcja samorzutna (naturalna) - przemieszczanie się lżejszej (o mniejszej gęstości) cieczy lub gazu do góry.

Przykłady:

- gotowanie wody (konwekcja a przewodzenie ciepła)

- prądy cyrkulacji atmosferycznej, np. prądy wstępujące w strefie równikowej.

• Promieniowanie cieplne - przekazywanie ciepła bez pośrednictwa ośrodka materialnego - poprzez wysyłanie fal elektromagnetycznych. Promieniowanie cieplne jest przekazem energii.

Przykłady:

- energia ze Słońca dociera do Ziemi poprzez fale elektromagnetyczne (cieplne, widzialne, ultrafioletowe…)

- promiennik ciepła („słoneczko”)

- ciepło ogniska lub „kominka” odbierane z boku

52. Jaki jest fizyczny powód wyróżniania tzw. dobrych i złych przewodników ciepła?

Przewodnictwo cieplne - bezpośredni kontakt ciała o wyższej temperaturze z ciałem o temperaturze niższej.

Dobre przewodniki ciepła bardzo łatwo przekazują to ciepło innemu ciału. O dobrej, czy złej przewodności cieplnej możemy wnioskować na podstawie tzw. współczynnika przewodności cieplnej:

[α] = W/m*K = J/ s*m*K

Dobrym przewodnikiem ciepła jest np. miedź.

Przewodność cieplna, inaczej współczynnik przewodnictwa ciepła, określa zdolność substancji do przewodzenia ciepła. W tych samych warunkach więcej ciepła przepłynie przez substancję o większym współczynniku przewodności cieplnej.

Przewodność cieplna jest wielkością charakterystyczną substancji w danym stanie skupienia i jego fazie. Dla substancji niejednorodnych jest zależna od ich budowy, porowatości itp. Dla małych zakresów temperatur w technice przyjmuje się, że przewodność cieplna nie zależy od temperatury. W rzeczywistości przewodność cieplna zależy od temperatury. Substancjami najlepiej przewodzącymi ciepło są metale, najsłabiej gazy.

53. Wyjaśnij, dlaczego noszenie grubego swetra zapewnia poczucie ciepła?

Gruby sweter zatrzymuje ciepło naszego ciała, które jest przez nas oddawane do otoczenia. Dzięki noszeniu ciepłych sweterków to ciepło nie ucieka, tylko do nas powraca i zapewnia to nam poczucie ciepła.

54. Co to jest ciało doskonale czarne?

Ciało doskonale czarne - ciało fizyczne, które jest idealnym absorberem, pochłania całe padające promieniowanie. Takie ciało nazywa się ciałem doskonale czarnym.

np. „Dziupla” (mały otwór w dużym pudle) oświetlona z zewnątrz

Z prawa Kirchhoffa wynika, że ciało doskonale czarne jest idealnym emiterem. Oznacza to, że emituje największą możliwą w danej temperaturze ilość promieniowania.

55. Podaj i omów prawo Wiena.

Prawo Wiena - długość fali promieniowania λ_max ciała doskonale czarnego dla której intensywność promieniowania I = I (λ, T) osiąga maksimum jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury ciała T:

λ_max = const/T

gdzie:

T - temperatura ciała (w kelwinach)

const = 2896 μm*K - tzw. stała Wiena

(1 μm = 10^-6 m = 0,000001 m).

56. Podaj i omów prawo Stefana - Boltzmanna.

Prawo Stefana-Boltzmanna opisuje całkowitą moc wypromieniowywaną przez ciało doskonale czarne w danej temperaturze.

Φ = σ*T⁴

gdzie:

Φ - strumień energii wypromieniowywany w kierunku prostopadłym do powierzchni ciała [W / m²]

σ - stała Stefana-Boltzmanna

T - temperatura w skali Kelvina

---