background image

Prof. dr hab. Jacek Ulański

Katedra Fizyki Molekularnej P. Ł.

www.p.lodz.pl/k-32

Wybrane działy fizyki:

- Mechanika
- Elektrostatyka
- Elektromagnetyzm
- Optyka

opracowane na podstawie podręczników :

J. Orear,  „Fizyka”, t. 1 i 2

R. Resnick, D. Holiday, „Fizyka” t.1 i 2
H. Herman, A. Kalesty
ński, L. Widomski, „Podstawy fizyki” (repetytorium)

FIZYKA

Wykłady na Wydziale Chemicznym Politechniki Łódzkiej

II semestr

background image

- Nauka doświadczalna, której celem jest 
poszukiwanie i poznawanie podstawowych 
praw przyrody.

- Rozwój  fizyki  polega  na  redukcji  i  
uproszczeniu podstawowych praw i na 
unifikacji teorii. 

Co to jest fizyka ?

background image

Typ

Ź

ródło

Zasięg

Względne

natężenie

Grawitacyjne

Masa

Długi

∼ 10

-38

Słabe

Cząstki 

elementarne

10

-18

m

∼ 10

-15

Elektro-

magnetyczne

Ładunek 

elektryczny

Długi

∼ 10

-2

Jądrowe

Hadrony

10

-15

m

1

Podstawowe oddziaływania

background image

Eksperyment fizyczny:

-

stara się uwzględnić wszystkie czynniki oddziałujące na badany układ;

-

ma skończoną dokładność (konieczna jest ocena błędu);

-

prowadzi do uogólnionych wniosków (ale formułowane prawa fizyczne 

mają ograniczony zakres stosowalności).

Złożoność wielu zjawisk --->

>

>

konieczność stosowania modeli,

to znaczy uproszczonych kopii rzeczywistych układów fizycznych, 

oraz posługiwania się

prawami empirycznymi

.

Zakresy stosowalności praw fizycznych:

zjawiska makroskopowe (>>

>>

>>

>> atomu ) i mikroskopowe;

nierelatywistyczne ((v/c)

2

<<

<<

<<

<< 1) i relatywistyczne.

background image

Skala porównawcza odległości

Rozmiary Wszechświata                      

10

26

m

Rozmiary galaktyk                                  

10

21 

m

Rozmiary Układu Słonecznego           

10

15

m

Ś

rednica Ziemi                                         

10

6

m

Wysokość Mont Everest                        

10

4

Wysokość człowieka                              

10

o

m

Rozmiar kryształków cukru                     

10

-4

m

Długość fali świetlnej (granica

rozdzielczości mikroskopu optycznego)   10

-6

m

Rozmiary wirusa                                     

10

-8 

m

Rozmiary atomu                                     

10

-9 

m

Promień jądra atomowego                     

10

-15 

m

Rozmiary struktur cząstek 

elementarnych                                     

10

-18 

m

background image

Skala porównawcza czasów

Wiek Wszechświata                                  

10

17 

s

Pojawienie się pierwszego człowieka         10

13

s

Wiek piramid                                            

10

12

s

Czas życia człowieka                                    10

9

s

Rok zwrotnikowy                                           10

7

s

Doba ziemska                                              10

5   

s

Czas życia swobodnego neutronu              10

3

s

Uderzenie serca                                        

10

o

s

Okres fal głosowych                                      10

-3

s

Okres fal radiowych                                       10

-6

s

Okres rotacji cząsteczek                               10

-12

s

Czas przejścia światła przez atom               10

-18

s

background image

Skala porównawcza mas

Masa Wszechświata                                    10

52 

kg

Masa Galaktyki                                             10

40

kg

Masa Słońca                                                 10

30

kg

Masa Ziemi                                                   10

24 

kg

Masa średniego domu                                  10

kg

Masa człowieka                                            10

2

kg

Masa komórki bakterii                                  10

-12

kg

Masa cząsteczki proteiny                             10

-22

kg

Masa cząsteczki tlenu                                  10

-26

kg

Masa elektronu                                             10

-30

kg

background image

Przedrostki jednostek

tera    [T]  - 10

12                           

mili    [m] - 10

-3

giga    [G] - 10

9

mikro [µ

µ

µ

µ] - 10

-6

mega  [M]  - 10

6

nano  [n]  - 10

-9

kilo     [k]  - 10

3

piko    [p]  - 10

-12

centy  [c]  - 10

-2

femto [f]   - 10

-15

background image

Naturalną skalę prędkości  wyznacza  prędkość
rozchodzenia się światła w próżni 

c

c

= 2,998 x 10

8

m s

-1

≈ 3 x 10

m s

-1

c

- maksymalna możliwa prędkość ruchu dowolnego 

obiektu (

c

- stała uniwersalna)

Jeśli (v/c)

2

<<

<<

<<

<< 

→ ruch nierelatywistyczny

Jeśli bliskie 

→ ruch relatywistyczny

żne prawa !

background image

Granicę dzielącą mechanikę klasyczną od  kwantowej 
wyznacza 

stała Plancka 

h

.

h

= 1,054 x 10

-34

kg m

2

s

-1

(stała uniwersalna).

Jeśli  parametr  ruchu  mikrocząsteczki  mający  wymiar 
[kg m

2

s

-1

] jest porównywalny z 

h

, to ruchem tym rządzi 

mechanika kwantowa.

Dotyczy  to z reguły bardzo małych odległości.

background image

Rozważmy iloczyn

m v r

(ma wymiar [kg m

2

s

-1

]) dla 

elektronu w atomie wodoru:

m

= 10

-30

kg,        

v

= 0,01 c

dla 

r

≈ 1 Å = 10

-10

m  (rozmiar atomu wodoru)

h

= 1,054 x 10

-34

kg m

2

s

-1

m v r

≈ 10

-30

[kg] × 0,01 × 3×10

[m s

-1

] × 10

-10

[m] ≈

h

Ruch elektronu w atomie wodoru ma charakter  kwantowy.

background image

Mechanika

klasyczna

kwantowa

relatywistyczna nierelatywistyczna   relatywistyczna  nierelatywistyczna

Prawa  mechaniki  nierelatywistycznej  wynikają z 
praw  mechaniki relatywistycznej  (gdy  (v/c)

2

<< 1; 

podstawiając w równaniach 

c

→ ∞);

prawa  mechaniki  klasycznej  stanowią graniczny 
przypadek praw mechaniki kwantowej (gdy

h

→ 0).

background image

Jednostki

Międzynarodowy Układ Jednostek Miar 

SI

(

Systeme International

) - uniwersalny i koherentny.

Jednostki podstawowe i uzupełniające

Długość

l,b,h,r,d,s

metr

m

m

Masa

m

kilogram

kg

kg

Czas

t

sekunda

s

s

Natężenie

prądu elek.

l

amper

A

A

Wielkość

Symbol

wielkości

Jednostka

Symbol

jednostki

Wymiar

Wzór

określający

background image

Temperatura

T,θ

kelvin

K

K

Ś

wiatłość

I(J)

kandela

cd

cd

Kąt płaski

α,β,γ,θ

radian

rad

α=L/r

Kąt bryłowy

υ,φ,ω,Ω

steradian

sr

Ω=S/r

2

Wielkość

Symbol

wielkośc

i

Jednostka

Symbol

jednostki

Wymiar

Wzór

określając

y

Jednostki podstawowe i uzupełniające (c.d.)

background image

Analiza wymiarowa

prosta metoda kontroli poprawności wyprowadzeń i obliczeń, może służyć

też do rozwiązywania zadań (z dokładnością do stałej)

Przykład:

Podać zależność prędkości samochodu  od jego  przyspieszenia

a

przebytej drogi

s

,  gdy  rusza  się on  ze  stanu  spoczynku  ze  stałym 

przyspieszeniem.

v   

a

x

s

y

d t 

-1

= (d t

-2

)

d

y

d t 

-1

= d

x+y

t

-2x

1= x +y     -1 = -2x =>   y = 1/2     x = 1/2

czyli: v

a

1/2

s

1/2

, inaczej:  

Poprawny wzór: v =  

s

a

2a s

background image

Dokładność i cyfry znaczące

Błędy systematyczne i przypadkowe - nie do uniknięcia !.
Poprawa dokładności - powtarzanie pomiarów i uśrednianie. 
Błąd średniej = σ /

(tylko dla błędów przypadkowych).

Przy obliczeniach podajemy tylko tyle cyfr wyniku, aby przedostatnia 
cyfra była pewna (nie obarczona błędem).

Przykład 1:
= 10 m (z dokładnością 1%), = 3s (dokładnie); 
zadanie: obliczyć prędkość.

= 10/3 m s

-1

= 3,3333(3) m s

-1

?   

Prawidłowo:   = 3,33 m s

-1

Przykład 2:
podać długość pręta złożonego z dwóch odcinków:

d

1

= 2,21 m i d

2

= 0,0231 m

2,21

+ 0,0231

------------------------------

2,2331 m ?        Prawidłowo:       d

1

d

2

= 2,23 m

n

background image

Skalary i wektory

Skalary, np: czas, objętość, masa, temperatura, praca

- są określone przez liczbę i jednostkę

Wektory, np: droga, prędkość przyspieszenie, siła, pęd

- są określone przez wartość bezwzględną

(liczbę dodatnią - skalar), kierunek i zwrot.

Wielkość fizyczną można przedstawić jako wektor gdy:

1. Spełnia prawo równoległoboku przy dodawaniu
2. Jej wartość, kierunek i zwrot nie zależą od wyboru

układu współrzędnych.

Oznaczenia wektorów : 

v

(w druku); v (pisane);

I

v

I

(wartość skalarna wektora 

v

)

Dwa wektory są równe, jeśli mają jednakowe wartości, 

kierunki i zwroty (mogą mieć różne położenia w przestrzeni).

background image

Dodawanie wektorów

Reguła równoległoboku

Reguła wieloboku

a

b

c

a

b

c

a +

b +

d

a +

b +

d

a +

b +

d

a +

b +

d

a

a

a

a

b

b

b

b

d

d

d

d

d

d

d

d

b

b

b

b

a +

b +

d

a +

b +

d

a +

b +

d

a +

b +

d

a +

b +

d

a +

b +

d

a +

b +

d

a +

b +

d

a

a

a

a

a

a

a

a

b

b

b

b

b

b

b

b

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

b

b

b

b

b

b

b

b

c

a

b

(

a

b

) +

d

a

+ (

b

d

)

background image

aaaa

bbbb

bbbb

----bbbb

aaaa

----bbbb

eeee

(a 

(a 

(a 

(a –––– b) ?

b) ?

b) ?

b) ?

e= a 

e= a 

e= a 

e= a –––– bbbb

aaaaaaaa

bbbbbbbb

bbbb

----bbbb

aaaa

----bbbb

eeee

bbbbbbbb

----bbbb

----bbbb

aaaa

----bbbb

eeee

aaaaaaaa

----bbbb

----bbbb

eeeeeeee

(a 

(a 

(a 

(a –––– b) ?

b) ?

b) ?

b) ?

e= a 

e= a 

e= a 

e= a –––– bbbb

a

b

b

a

k(

a

b

) = k 

a

+ k

b

a

-

b

a

+ (-

b

)

background image

Składowe i współrzędne wektora

Kartezjański układ

współrzędnych

=

+

+

r

r i

r j

r k

x

y

z

→ → →

i j k wektory jednostkowe

, ,

Wektor jest określony przez podanie jego trzech współrzędnych [r

x

, r

y

, r

z

]; 

=

+

+

r

r

r

r

x

y

z

2

2

2

+

=

+

+

+

+

+

=

a b a i

a j a k b i

b j b k

x

y

z

x

y

z

(

)

(

)

(

)

=

+

+

+

+

+

=

+

+

x

x

y

y

z

z

x

y

z

a

b i

a

b j

a

b k

c i

c j

c k

background image

Pochodna wektora względem argumentu skalarnego

r = r (t);     r

x

= r

x

(t),     r

y

= r

y

(t),    r

z = 

r

z

(t)

= lim

∆t→o

= lim

∆t→o 

=

dr

dt

r

t

r t

t

r t

t

(

)

( )

+

lim

∆t→o

t

k

t

rz

j

t

r y

i

t

rx

k

t

t

rz

j

t

t

r y

i

t

t

rx

+

+

+

+

+

+

+

=

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

lim

∆t→o

=

+

+

+

+

+







[ (

)

( )]

[ (

)

( )]

[ (

)

( )]

x

x

y

y

z

z

r

r

r

r

r

r

t

t

t i

t

t

t

t j

t

t

t

t k

t

d r

dt

x

 

i

d r

dt

y

 

j

d r

dt

z

k

 

 

Jeśli

(t) - wektor położenia to  

- prędkość chwilowa

r

V

background image

Przykład

: Wektor położenia cząstki jest dany wyrażeniem:

+  

r

1

C t i

(

)

2

3

2

C t C t j

 

V

 = 

d r

dt

 =  

d C t

dt

(

)

1

   + 

d C t C t

dt

(

)

2

3

2

  

j

 

=  

 

1

C i

 + (

2

C

2

3

C t )

j

 

 

Dla t = 0      

V

(0) = 

1

C i

 +  

2

C j

 

V( )

0

 = 

1

2

2

2

C

C

+

 

Przyspieszenie 

a

 = 

dV

dt

d

dt

 

1

2

3

C i

C

C

j

(

2

t)

+







 

= (-2C

3

)

j