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. Ciążenie powszechne (grawitacja) .................................................... 6-1

6.1 Prawo powszechnego ciążenia .................................................... 6-1

6.2 Doświadczenie Cavendisha ........................................................ 6-3

6.2.1 Ważenie Ziemi ..................................................................................... 6-4

6.3 Prawa Keplera ruchu planet ........................................................ 6-5

6.4 Ciężar .......................................................................................... 6-6

6.4.1 Ciężar 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 Zależność masy od prędkości ............................................................ 11-8

11.2.6 Równoważność 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 sprężystych ......................................................... 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 Rozprężanie izotermiczne ......................................................... 16-7

16.7 Rozprężanie 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 - rozważania 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 Natężenie 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, rozważania jakościowe ......................... 29-4

29.3 Pojedyncza szczelina, rozważania 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 Rozważania 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 życia 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