Spis treści
3
Spis treści
1. Wprowadzenie .................................................................................... 1-1
1.1 Istota Fizyki ................................................................................ 1-1
1.2 Pojęcia podstawowe .................................................................... 1-2
1.3 Jednostki ..................................................................................... 1-2
1.4 Matematyka w Fizyce ................................................................. 1-3
1.4.1 Modele matematyczne w fizyce ........................................................... 1-3
1.4.2 Analiza wymiarowa ............................................................................. 1-4
1.4.3 Formalizm matematyczny .................................................................... 1-4
2. Ruch jednowymiarowy ...................................................................... 2-1
2.1 Prędkość ...................................................................................... 2-1
2.1.1 Prędkość stała ...................................................................................... 2-1
2.1.2 Prędkość chwilowa .............................................................................. 2-1
2.1.3 Prędkość średnia .................................................................................. 2-2
2.2 Przyspieszenie ............................................................................. 2-3
2.2.1 Przyspieszenie jednostajne i chwilowe ................................................ 2-3
2.2.2 Ruch jednostajnie zmienny .................................................................. 2-3
3. Ruch na płaszczyźnie ......................................................................... 3-1
3.1 Przemieszczenie, prędkość i przyspieszenie ............................... 3-1
3.2 Rzut ukośny ................................................................................ 3-2
3.3 Ruch jednostajny po okręgu ....................................................... 3-4
4. Dynamika punktu materialnego ....................................................... 4-1
4.1 Wstęp .......................................................................................... 4-1
4.2 Definicje ...................................................................................... 4-1
4.2.1 Masa ..................................................................................................... 4-1
4.2.2 Pęd ....................................................................................................... 4-2
4.2.3 Siła ....................................................................................................... 4-2
4.3 Zasady dynamiki Newtona ......................................................... 4-2
4.3.1 Pierwsza zasada dynamiki Newtona .................................................... 4-3
4.3.2 Druga zasada dynamiki Newtona ........................................................ 4-3
4.3.3 Trzecia zasada dynamiki Newtona ...................................................... 4-4
5. Dynamika punktu materialnego II ................................................... 5-1
5.1 Siły kontaktowe i tarcie .............................................................. 5-1
5.1.1 Siły kontaktowe ................................................................................... 5-1
5.1.2 Tarcie ................................................................................................... 5-1
5.2 Siły bezwładności ....................................................................... 5-2
6. CiąŜenie powszechne (grawitacja) .................................................... 6-1
6.1 Prawo powszechnego ciąŜenia .................................................... 6-1
6.2 Doświadczenie Cavendisha ........................................................ 6-3
6.2.1 WaŜenie Ziemi ..................................................................................... 6-4
6.3 Prawa Keplera ruchu planet ........................................................ 6-5
6.4 CięŜar .......................................................................................... 6-6
6.4.1 CięŜar pozorny, masa bezwładna i masa grawitacyjna ........................ 6-6
6.5 Pole grawitacyjne ........................................................................ 6-7
6.5.1 Pole grawitacyjne wewnątrz kuli ......................................................... 6-8
Spis treści
4
7. Praca i energia .................................................................................... 7-1
7.1 Wstęp .......................................................................................... 7-1
7.2 Praca wykonana przez stałą siłę .................................................. 7-1
7.3 Praca wykonana przez siłę zmienną ........................................... 7-3
7.4 Energia kinetyczna i twierdzenie o pracy i energii ..................... 7-5
7.5 Moc ............................................................................................. 7-6
8. Zasada zachowania energii ................................................................ 8-1
8.1 Wstęp .......................................................................................... 8-1
8.2 Siły zachowawcze i niezachowawcze ......................................... 8-1
8.3 Energia potencjalna ..................................................................... 8-3
8.3.1 Energia potencjalna i potencjał pola grawitacyjnego ........................... 8-5
8.4 Zasada zachowania energii ......................................................... 8-7
9. Zasada zachowania pędu ................................................................... 9-1
9.1 Środek masy ................................................................................ 9-1
9.2 Ruch środka masy ....................................................................... 9-3
9.3 Pęd układu punktów materialnych .............................................. 9-5
9.4 Zasada zachowania pędu ............................................................ 9-6
10. Zasada zachowania pędu II ............................................................. 10-1
10.1 Układy o zmiennej masie .......................................................... 10-1
10.2 Zderzenia .................................................................................. 10-2
10.2.1 Wstęp ................................................................................................. 10-2
10.1.2 Zderzenia w przestrzeni jednowymiarowej ....................................... 10-3
11. Elementy szczególnej teorii względności ........................................ 11-1
11.1 Wstęp ........................................................................................ 11-1
11.1.1 Zasada względności ........................................................................... 11-1
11.1.2 Transformacja Galileusza .................................................................. 11-1
11.1.3 Dylatacja czasu .................................................................................. 11-3
11.2 Transformacja Lorentza ............................................................ 11-5
11.2.1 Jednoczesność .................................................................................... 11-5
11.2.2 Skrócenie długości ............................................................................. 11-6
11.2.3 Stałość przedziału czasoprzestrzennego ............................................ 11-6
11.2.4 Dodawanie prędkości ......................................................................... 11-7
11.2.5 ZaleŜność masy od prędkości ............................................................ 11-8
11.2.6 RównowaŜność masy i energii ........................................................... 11-9
12. Ruch obrotowy .................................................................................. 12-1
12.1 Wstęp ........................................................................................ 12-1
12.2 Kinematyka ruchu obrotowego ................................................. 12-1
12.3 Dynamika ruchu obrotowego .................................................... 12-2
12.3.1 Moment siły ....................................................................................... 12-2
12.3.2 Moment pędu ..................................................................................... 12-2
12.3.3 Zachowanie momentu pędu ............................................................... 12-3
12.4 Ciała sztywne i moment bezwładności ..................................... 12-5
12.5 Ruch postępowo-obrotowy ciała sztywnego ............................ 12-6
12.6 Ruch precesyjny (bąk) .............................................................. 12-8
13. Ruch drgający ................................................................................... 13-1
13.1 Siła harmoniczna ....................................................................... 13-1
Spis treści
5
13.2 Okres drgań ............................................................................... 13-2
13.3 Wahadła .................................................................................... 13-3
13.3.1 Wahadło proste ............................................................................................. 13-3
13.3.2 Wahadło fizyczne .......................................................................................... 13-4
13.4 Energia ruchu harmonicznego prostego ................................... 13-5
13.5 Oscylator harmoniczny tłumiony .............................................. 13-7
13.5.1 Straty mocy, współczynnik dobroci ................................................... 13-9
13.6 Drgania wymuszone oscylatora harmonicznego ...................... 13-9
13.6.1 Rezonans .......................................................................................... 13-11
13.6.2 Moc absorbowana ............................................................................ 13-12
14. Statyka i dynamika płynów ............................................................. 14-1
14.1 Ciśnienie i gęstość .................................................................... 14-1
14.2 Zmiany ciśnienia wewnątrz nieruchomego płynu .................... 14-2
14.3 Prawo Pascala i prawo Archimedesa ........................................ 14-3
14.4 Pomiar ciśnienia (barometr) ...................................................... 14-4
14.5 Ogólny opis przepływu płynów ................................................ 14-4
14.6 Równanie Bernoulliego ............................................................ 14-6
14.6.1 Dynamiczna siła nośna ...................................................................... 14-7
15. Fale w ośrodkach spręŜystych ......................................................... 15-1
15.1 Fale mechaniczne ...................................................................... 15-1
15.2 Fale rozchodzące się w przestrzeni ........................................... 15-1
15.3 Rozchodzenie się fal, prędkość fal ........................................... 15-3
15.4 Przenoszenie energii przez fale ................................................. 15-4
15.5 Interferencja fal ......................................................................... 15-5
15.6 Fale stojące ............................................................................... 15-6
15.6.1 Układy drgające, przykład ................................................................. 15-6
15.7 Dudnienia - modulacja amplitudy ............................................. 15-7
15.8 Zjawisko Dopplera .................................................................... 15-8
16. Kinetyczna teoria gazów i termodynamika I ................................. 16-1
16.1 Prawo gazów doskonałych ........................................................ 16-1
16.2 Temperatura .............................................................................. 16-2
16.1.1 Termometry ....................................................................................... 16-3
16.3 Ekwipartycja energii ................................................................. 16-3
16.3.1 Zerowa zasada termodynamiki .......................................................... 16-3
16.3.2 Ekwipartycja energii .......................................................................... 16-3
16.4 Pierwsza zasada termodynamiki ............................................... 16-4
16.5 Ciepło właściwe ........................................................................ 16-5
16.5.1 Ciepło właściwe przy stałej objętości ................................................ 16-5
16.1.2 Ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu .............................................. 16-6
16.6 RozpręŜanie izotermiczne ......................................................... 16-7
16.7 RozpręŜanie adiabatyczne ......................................................... 16-7
17. Kinetyczna teoria gazów i termodynamika II ............................... 17-1
17.1 Średnia droga swobodna ........................................................... 17-1
17.2 Rozkład prędkości Maxwella .................................................... 17-2
17.3 Równanie Van der Waalsa ........................................................ 17-3
17.4 Entropia i druga zasada termodynamiki ................................... 17-4
Spis treści
6
17.4.1 Procesy odwracalne i nieodwracalne ................................................. 17-4
17.4.2 Cykl Carnota ...................................................................................... 17-4
17.4.3 Druga zasada termodynamiki ............................................................ 17-5
17.4.4 Termodynamiczna skala temperatur .................................................. 17-6
17.4.5 Entropia.............................................................................................. 17-6
17.5 Stan równowagi, zjawiska transportu ....................................... 17-9
17.5.1 Stan równowagi ................................................................................. 17-9
17.5.2 Zjawiska transportu .......................................................................... 17-10
18. Siła elektrostatyczna ........................................................................ 18-1
18.1 Wstęp ........................................................................................ 18-1
18.2 Ładunek elektryczny ................................................................. 18-1
18.2.1 Kwantyzacja ładunku ......................................................................... 18-1
18.2.2 Zachowanie ładunku .......................................................................... 18-1
18.3 Prawo Coulomba ....................................................................... 18-1
18.3.1 Zasada superpozycji ........................................................................... 18-1
18.4 Pole elektryczne ........................................................................ 18-2
18.4.1 Linie sił .............................................................................................. 18-3
18.5 Prawo Gaussa. ........................................................................... 18-4
19. Elektrostatyka I ................................................................................ 19-1
19.1 Wstęp ........................................................................................ 19-1
19.2 Kuliste rozkłady ładunków ....................................................... 19-1
19.2.1 Jednorodnie naładowana sfera ........................................................... 19-1
19.2.2 Jednorodnie naładowana kula ............................................................ 19-2
19.2.3 Liniowe rozkłady ładunków .............................................................. 19-3
19.2.4 Płaskie rozkłady ładunków ................................................................ 19-4
19.2.5 Powierzchnia przewodnika ................................................................ 19-5
19.3 Potencjał elektryczny ................................................................ 19-5
20. Elektrostatyka II .............................................................................. 20-1
20.1 Obliczanie potencjału ............................................................... 20-1
20.2 Pojemność ................................................................................. 20-2
20.3 Energia pola elektrycznego ....................................................... 20-2
20.4 Dielektryki ................................................................................ 20-3
20.4.1 Dielektryki, pogląd atomistyczny ...................................................... 20-3
20.1.2 Dielektryki - rozwaŜania ilościowe.................................................... 20-5
20.5 Trzy wektory elektryczne ......................................................... 20-6
21. Prąd elektryczny i pole magnetyczne ............................................. 21-1
21.1 Prąd elektryczny ....................................................................... 21-1
21.2 Prawo Ohma ............................................................................. 21-2
21.2.1 Wyprowadzenie prawa Ohma ............................................................ 21-2
21.3 Straty cieplne ............................................................................ 21-4
21.3.1 Siła elektromotoryczna ...................................................................... 21-4
21.4 Obwody prądu stałego .............................................................. 21-5
21.4.1 Prawa Kirchoffa ................................................................................. 21-5
21.5 Pole magnetyczne ..................................................................... 21-6
21.5.1 Siła magnetyczna ............................................................................... 21-6
21.5.2 Działanie pola magnetycznego na obwód z prądem .......................... 21-7
Spis treści
7
21.5.3 Efekt Halla ......................................................................................... 21-9
22. Pole magnetyczne, indukcja elektromagnetyczna ......................... 22-1
22.1 Prawo Ampera .......................................................................... 22-1
22.2 Strumień magnetyczny ............................................................. 22-2
22.3 Przykładowe rozkłady prądów .................................................. 22-2
22.3.1 Pręt (przewodnik) .............................................................................. 22-2
22.3.2 Cewka (solenoid) ............................................................................... 22-3
22.3.3 Dwa przewodniki równoległe ............................................................ 22-4
22.4 Prawo Biota-Savarta ................................................................. 22-4
22.5 Indukcja elektromagnetyczna ................................................... 22-6
22.5.1 Prawo Faradaya.................................................................................. 22-6
22.5.2 Reguła Lenza ..................................................................................... 22-6
23. Indukcja elektromagnetyczna, energia pola magnetycznego ....... 23-1
23.1 Indukcyjność ............................................................................. 23-1
23.1.1 Transformator .................................................................................... 23-1
23.1.2 Indukcyjność własna .......................................................................... 23-1
23.1.3 Indukcja wzajemna ............................................................................ 23-2
23.2 Obwody RC i RL, stałe czasowe .............................................. 23-3
23.2.1 Obwód RC ......................................................................................... 23-3
23.2.2 Obwód RL .......................................................................................... 23-4
23.3 Energia a pole magnetyczne ..................................................... 23-6
23.4 Gęstość energii a pole magnetyczne ......................................... 23-6
24. Drgania elektromagnetyczne ........................................................... 24-1
24.1 Wstęp ........................................................................................ 24-1
24.2 Obwód LC ................................................................................. 24-1
24.3 Obwód szeregowy RLC ............................................................ 24-2
24.3.1 Rezonans ............................................................................................ 24-5
24.4Moc w obwodzie prądu zmiennego ....................................................... 24-6
25. Równania Maxwella ......................................................................... 25-1
25.1 Podstawowe równania elektromagnetyzmu .............................. 25-1
25.2 Indukowane pole magnetyczne ................................................. 25-2
25.3 Prąd przesunięcia ...................................................................... 25-4
25.4 Równania Maxwella ................................................................. 25-5
26. Fale elektromagnetyczne ................................................................. 26-1
26.1
Równanie falowe ...................................................................... 26-1
26.2
Linie transmisyjne ..................................................................... 26-1
26.2.1
Kabel koncentryczny ..................................................................................... 26-2
26.2.2
Pola i prądy w kablu koncentrycznym .......................................................... 26-3
26.2.3
Falowód......................................................................................................... 26-4
26.3
Wnęki rezonansowe .................................................................. 26-4
26.4
Promieniowanie ........................................................................ 26-6
26.5
Wektor Poyntinga ..................................................................... 26-7
27. Optyka geometryczna i falowa ........................................................ 27-1
27.1 Wstęp ........................................................................................ 27-1
27.1.1 Odbicie i załamanie ........................................................................... 27-1
27.1.2 Zasada Fermata .................................................................................. 27-1
Spis treści
8
27.2 Warunki stosowalności optyki geometrycznej ......................... 27-4
27.1.1
Zasada Huyghensa ........................................................................................ 27-5
28. Interferencja ..................................................................................... 28-1
28.1 Doświadczenie Younga ............................................................ 28-1
28.2 Koherencja ................................................................................ 28-4
28.3 NatęŜenie w doświadczeniu Younga ........................................ 28-4
28.4 Interferencja w cienkich błonkach ............................................ 28-7
29. Dyfrakcja ........................................................................................... 29-1
29.1 Pojedyncza szczelina ................................................................ 29-2
29.2 Pojedyncza szczelina, rozwaŜania jakościowe ......................... 29-4
29.3 Pojedyncza szczelina, rozwaŜania ilościowe ............................ 29-5
29.4 Równoczesna interferencja i dyfrakcja na dwóch szczelinach . 29-7
30. Siatki dyfrakcyjne ............................................................................ 30-1
30.1 Siatki dyfrakcyjne ..................................................................... 30-1
30.2 Dyfrakcja promieni Roentgena (promieni X) ........................... 30-3
30.3 Prawo Bragga ............................................................................ 30-5
31. Polaryzacja ........................................................................................ 31-1
31.1 Płytki polaryzujące ................................................................... 31-2
31.2 Polaryzacja przez odbicie ......................................................... 31-4
31.3 Załamanie podwójne ................................................................. 31-5
32. Światło a fizyka kwantowa .............................................................. 32-1
32.1 Źródła światła ........................................................................... 32-1
32.2 Ciało doskonale czarne ............................................................. 32-2
32.3 Teoria promieniowania we wnęce, prawo Plancka .................. 32-4
32.3.1 RozwaŜania klasyczne ....................................................................... 32-4
32.3.2 Teoria Plancka promieniowania ciała doskonale czarnego ................ 32-5
32.3.3 Zastosowanie prawa promieniowania w termometrii ........................ 32-6
32.4 Zjawisko fotoelektryczne .......................................................... 32-7
32.5 Efekt Comptona ...................................................................... 32-10
33. Model atomu Bohra ......................................................................... 33-1
33.1 Wstęp ........................................................................................ 33-1
33.2 Widma atomowe ....................................................................... 33-2
33.3 Model Bohra atomu wodoru ..................................................... 33-3
34. Fale i cząstki ...................................................................................... 34-1
34.1 Fale materii ............................................................................... 34-1
34.2 Struktura atomu i fale stojące ................................................... 34-3
34.3 Mechanika falowa ..................................................................... 34-4
34.4 Znaczenie funkcji
ψ
.................................................................. 34-6
34.5 Zasada odpowiedniości ............................................................. 34-7
34.6 Zasada nieoznaczoności ............................................................ 34-8
35. Lasery ................................................................................................ 35-1
35.1 Emisja spontaniczna ................................................................. 35-1
35.2 Absorpcja .................................................................................. 35-1
35.3 Emisja wymuszona ................................................................... 35-1
35.4 Rozkład Boltzmana ................................................................... 35-2
35.5 Laser .......................................................................................... 35-5
Spis treści
9
36. Atomy wieloelektronowe, układ okresowy pierwiastków. ............ 36-1
36.1 Liczby kwantowe ...................................................................... 36-1
36.2 Zasada Pauliego ........................................................................ 36-2
36.2.1 Spin elektronu .................................................................................... 36-2
36.3 Atomy wieloelektronowe, układ okresowy pierwiastków ........ 36-3
36.4 Promienie X .............................................................................. 36-5
37. Materia skondensowana .................................................................. 37-1
37.1 Wstęp ........................................................................................ 37-1
37.2 Rodzaje kryształów (rodzaje wiązań) ....................................... 37-1
37.2.1 Kryształy cząsteczkowe ..................................................................... 37-1
37.2.2 Kryształy o wiązaniach wodorowych ................................................ 37-2
37.2.3 Kryształy jonowe ............................................................................... 37-2
37.2.4 Kryształy atomowe (kowalentne) ...................................................... 37-2
37.2.5 Ciała metaliczne ................................................................................. 37-2
37.3 Pasma energetyczne .................................................................. 37-3
37.4 Fizyka półprzewodników .......................................................... 37-5
37.4.1 Domieszkowanie półprzewodników .................................................. 37-5
37.5 Zastosowania półprzewodników ............................................... 37-6
37.5.1 Termistor............................................................................................ 37-6
37.5.2 Złącze p - n ........................................................................................ 37-6
37.5.3 Baterie słoneczne ............................................................................... 37-7
37.5.4 Fotodiody ........................................................................................... 37-7
37.5.5 Diody świecące .................................................................................. 37-7
37.5.6 Tranzystor .......................................................................................... 37-7
37.5.7 Inne urządzenia .................................................................................. 37-8
37.6 Własności magnetyczne ciał stałych ......................................... 37-8
37.6.1 Diamagnetyzm ................................................................................... 37-9
37.6.2 Paramagnetyzm .................................................................................. 37-9
37.6.3 Ferromagnetyzm .............................................................................. 37-10
38. Fizyka jądrowa ................................................................................. 38-1
38.1 Wstęp ........................................................................................ 38-1
38.2 Rozmiary jąder .......................................................................... 38-1
38.3 Oddziaływanie nukleon-nukleon .............................................. 38-2
38.4 Rozpady jądrowe i reakcje jądrowe .......................................... 38-4
38.4.1 Rozpad alfa ........................................................................................ 38-4
38.1.2 Promieniowanie
γ
............................................................................... 38-6
38.1.3 Rozpad
β
............................................................................................ 38-6
38.1.4 Rozszczepienie jąder atomowych ...................................................... 38-7
38.1.5 Reakcja syntezy jądrowej .................................................................. 38-8
38.5 Cykl Ŝycia słońca ...................................................................... 38-9
38.5.1 Chmura .............................................................................................. 38-9
38.5.2 Globule .............................................................................................. 38-9
38.5.3 Protogwiazda ................................................................................... 38-10
38.1.4 Słońce .............................................................................................. 38-10
38.1.5 Czerwony olbrzym ........................................................................... 38-12
38.1.6 Białe karły ........................................................................................ 38-12
Spis treści
10
38.1.7 Czarne karły ..................................................................................... 38-12
38.1.8 Gwiazda neutronowa ....................................................................... 38-13
38.1.9 Czarna dziura ................................................................................... 38-13