PODSTAWY FIZYKI
Wykład
– semestr 1 (30 h) i 2 (15 h)
dr hab. inż. Bogusława ADAMOWICZ, prof.nzw. Pol.Śl.
Instytut Fizyki
– Centrum Naukowo-Dydaktyczne,
ul. Krzywoustego 2, p.422
Ćwiczenia rachunkowe
– mgr inż. Rafał UCKA
PODSTAWY FIZYKI
Wykład
– semestr 1 (30 h) i 2 (15 h)
dr hab. inż. Bogusława ADAMOWICZ, prof.nzw. Pol.Śl.
Instytut Fizyki
– Centrum Naukowo-Dydaktyczne,
ul. Krzywoustego 2, p.422
Ćwiczenia rachunkowe
– mgr inż. Rafał UCKA
Literatura
(1) Z. Kleszczewski, Fizyka klasyczna
, skrypt Pol. Śl.
(2) Z. Kleszczewski,
Fizyka kwantowa, atomowa i ciała stałego,
skrypt Pol. Śl.
(3) S. Kończak, A. Klimasek, Wykłady z podstaw fizyki, wyd. Pol.
Śl. 2002
(4) A. Zastawny, Zarys fizyki
, wyd. Pol. Śl. 1997
(5) Cz. Bobrowski, Fizyka
– krótki kurs, WNT, W-wa, 1998
(wyd.VI)
(6) J. Orear, Fizyka, WNT, W-wa, 1998
(6) A. Januszajtis
– Fizyka dla politechnik, PWN, W-wa, 1977
(7) R. Resnick, D. Halliday, Fizyka, PWN, W-wa
(8) R. Feynman,
Wykłady z Fizyki, PWN, W-wa
Przedmiot i metodologia fizyki
Świat zjawisk fizycznych
Oddziaływania fundamentalne i cząstki
elementarne
Wielkości fizyczne
Układy jednostek
Modele matematyczne i fizyczne
Fizyka jest źródłem technologii
Termodynamika
silniki
transport, komunikacja
Elektromagnetyzm
telefon, radio, tv
Optyka
światłowody
telekomunikacja
Fizyka ciała stałego
mikro- i nanoelektronika
Fizyka kwantowa
lasery, masery
Fizyka jądrowa
energetyka
Świat zjawisk fizycznych
10
20
10
10
10
0
10
-10
10
-20
Wiek wszechświata
Człowiek
Neutrony
Mion, pion naładowany
hiperion
Rezonanse
T
(s
ekundy)
Świat zjawisk fizycznych
Świat zjawisk fizycznych
Prawa fizyki są takie same
w całym wszechświecie
Fizyka jest podstawową nauką
przyrodniczą zajmującą się badaniem
najbardziej fundamentalnych i
uniwersalnych własności materii i zjawisk w
otaczającym nas świecie
Struktura materii
– elementarne „cegiełki”
Cząstki elementarne (2001)
Wiemy, że każdy kwark
występuje w 3 kolorach.
Istnieją tylko 3 generacje
kwarków i leptonów.
Przypuszczamy że kwarki i
leptony nie mają struktury
Oddziaływanie Natężenie wzg.
Grawitacyjne 10
-39
Elektromagnetyczne
10
-3
Słabe 10
-5
Silne 1
Oddziaływania fundamentalne
Świat zjawisk fizycznych
2
2
1
r
m
m
G
F
g
2
0
2
1
4
r
q
q
F
e
Prawo grawitacji
Prawo Coulomba
42
10
g
e
F
F
Grawitacja nie odgrywa
znaczącej roli w mikroświecie
F
g
F
g
F
e
F
e
Metodologia Fizyki
METODA:
- obserwacja
- pomiar
-
analiza danych doświadczalnych
hipoteza
model
prawo fizyczne
Wielkości fizyczne
– właściwości ciał lub zjawisk, które można
porównywać
ilościowo
z takimi samymi właściwościami innych
ciał lub zjawisk
• DOŚWIADCZENIE • MODEL MATEMATYCZNY
Pomiar
wielkości fizycznej – porównanie z wielkością tego samego
rodzaju przyjętą za
jednostkę
.
Pomiary fizyczne
–
zawsze
obarczone
błędem
Jednostki podstawowe układu SI
Jednostka długości metr (m)
Jednostka masy kilogram (kg)
Jednostka czasu sekunda (s)
Jednostka natężenia prądu amper (A)
Jednostka temperatury kelwin (K)
Jednostka natężenia światła kandela (cd)
Jednostka ilości (liczności) materii mol (mol)
1 m
t
t=1s
Cs
133
próżnia
t = 1/299792458 s
Przedrostki dla jendostek
wielokrotnych i podwielokrotnych
Niektóre ważne stałe fizyczne
Podział fizyki
klasyczna
kwantowa
nierelatywistyczna
relatywistyczna
h
= 6.62·10
-34
Js
XXI wiek
XX wiek
FIZYKA
c
= 3·10
8
m/s
prędkość światła
stała Plancka
Kinematyka
• Pojęcia podstawowe
• Położenie i tor
• Prędkość i przyśpieszenie
• Przykłady ruchu
Pojęcia podstawowe
Skalary
– masa, czas, temperatura
Wektory
– prędkość, przyspieszenie, siła
Wektor r i jego składowe
z
y
x
r
r
r
r
2
2
2
z
y
x
r
r
r
r
Położenie i tor
Ruch
- zmiana
wzajemnego położenia jednych ciał względem drugich
wraz z upływem czasu
układ odniesienia
Punkt materialny :
obiekt obdarzony
masą, którego
rozmiary (objętość) możemy zaniedbać
Tor (trajektoria)
–
zbiór wszystkich
położeń punktu P
y
x
z
0
tor
P(x,y,z)
r(t)
Ruch jest pojęciem względnym
r
-
wektor wodzący
We współrzędnych kartezjańskich:
)
(t
r
r
)
(
)
(
)
(
t
z
z
t
y
y
t
x
x
Położenie punktu P -
Ruch prostoliniowy punktu materialnego
Położenie – współrzędna
s = s(t)
– funkcja czasu
0
s
1
s
2
A
1
A
2
s
0
t
1
t
2
Prędkość średnia
t
s
t
t
s
s
1
2
1
2
v
m/s
)
v
(
B
1
B
2
Prędkość chwilowa
B
1
B
2
=
s w przedziale czasu
t
dt
ds
t
s
lim
v
t
0
pochodna współrzędnej położenia
względem czasu
Geometryczna interpretacja pochodnej
funkcji
f
`
(x) → nachylenie stycznej
Przykład:
1
`
)
(
)
(
n
n
n
nax
ax
dx
ax
d
dt
t
s
t
t
)
(
v
2
1
Całka oznaczona prędkości
Całkowanie funkcji
dx
x
dF
x
f
)
(
)
(
całka nieoznaczona funkcji f(x):
C
x
F
dx
x
f
)
(
)
(
całka oznaczona funkcji f(x)
w granicach x
1
i x
2
:
)
(
)
(
)
(
1
2
2
1
x
F
x
F
dx
x
f
x
x
Przykład:
C
x
n
a
dx
ax
n
n
1
1
Ruch prostoliniowy jednostajny
V = const
Warunek początkowy: t = 0, s = 0
s = vt
Ruch prostoliniowy zmienny
V
– zależy od czasu: w chwili t
1
(t
2
)
– prędkość v
1
(v
2
)
Przyspieszenie średnie
t
v
a
2
/
)
(
s
m
a
Przyspieszenie chwilowe
2
2
)
(
dt
s
d
dt
ds
dt
d
a
2
1
v
t
t
adt
Ruch prostoliniowy jednostajnie zmienny
a = const
a
0
– ruch jednostajnie przyspieszony
a
0 -
ruch jednostajnie opóźniony
at
adt
t
0
v
Zmiana prędkości
Warunek początkowy: t = 0, v = v
0
Prędkość
v
:
v
– v
0
= at
v = v
0
+ at
Zmiana położenia:
2
0
0
0
0
2
1
v
)
v
(
v
at
t
dt
at
dt
s
t
t
lub:
2
0
0
2
1
v
at
t
s
s
s
warunek początkowy: t = 0, s = s
0
2
0
0
2
1
v
at
t
s
s
V(t)
t
t
i
V
i
0
s
i
= v
i
t
i
t
2
t
1
i
i
i
t
s
v
dt
t
s
t
t
2
1
)
(
v
t
0
Graficzne przedstawienie ruchu prostoliniowego
a=0
a
t
Ruch jednostajny
v=const
v
t
s = vt
s
t
Ruch jednostajnie przyspieszony
a>0
a
t
a<0
a>0
s
t
a<0
nachylenie stycznej
– v(t)
v
t
a<0
v
0
a>0
pole powierzchni pod
krzywą v(t) - droga
Prędkość jako wektor
s
m
t
r
sr
v
r
V
r(t+
t) =
r(t)
+
r
x
y
r(t)
Ruch krzywoliniowy
Wektor prędkości średniej
dt
r
d
t
r
t
0
lim
v
Wektor prędkości chwilowej
Wektor
v
jest zawsze styczny do toru
dt
dz
dt
dy
dt
dx
z
y
x
v
v
v
Wektor przyśpieszenia
2
v
s
m
t
a
sr
1
v
2
v
2
v
v
Wektor przyspieszenia
średniego
A
V
a
a
s
a
n
R
2
2
0
v
v
lim
dt
r
d
dt
d
t
a
t
Wektor przyspieszenia
chwilowego
2
2
z
2
2
y
2
2
x
dt
v
dt
v
dt
v
dt
z
d
d
a
dt
y
d
d
a
dt
x
d
d
a
z
y
x
n
s
a
a
a
dt
d
a
s
v
R
a
n
2
v
Ruch po okręgu
Droga kątowa
(rad)
Droga liniowa
s =
r
X
y
P
0
x
Y
r
dt
d
r
dt
r
d
)
(
dt
ds
v
r
v
Prędkość kątowa
dt
d
s
rad
)
(
Przyspieszenie
kątowe
2
2
dt
d
dt
d
2
)
(
s
rad
Okres ruchu T
–
czas na przebycie
=2
Gdy
=const to
T=2
/
Częstotliwość f
–
liczba obiegów na
jednostkę czasu
T
f
1
herc
s
f
1
)
(
Hz