Zakres materiału wykładu z fizyki – geologia , gospodarka zasobami mineralnymi i wodnymi – pierwszy rok studiów dziennych, rok akademicki 2011/2012
Wielkości fizyczne i opis ruchu postępowego.
Wielkości skalarne i wektorowe, ich własności oraz działania na wektorach ( umiejętność dodawania , odejmowania , własności iloczynu skalarnego oraz wektorowego) . Opis ruchu (wielości służące do opisu ruchu – położenie, przemieszczenie, prędkość, przyspieszenie - rozróżnienie wielości średnich i chwilowych – definicje ), klasyfikacja i opis podstawowych typów ruchu (ruch jednostajny, jednostajnie zmienny, niejednostajnie zmienny) . Zależności pomiędzy wielkościami w ruchu jednostajnym i jednostajnie zmiennym ( umiejętność wyznaczenia położenia i prędkości )
Analiza graficzna ruchu jednowymiarowego: interpretacja wykresów funkcji położenia, prędkości i przyspieszenie od czasu ( umiejętność wyznaczenia prędkości , przyspieszenia i zmiany położenia na podstawie nachyleń krzywych i pól powierzchni ograniczonej krzywą i osią czasu )
Mechanika punktu materialnego
Zasady dynamiki Newtona - Pierwsza zasada jako zasada bezwładności (względność ruchu). Umiejętność analizy sił będących w równowadze i odniesienie ich do stanu ruchu ciała – spoczynek , ruch jednostajny prostoliniowy. Pojecie pędu (wielkość wektorowa) – znajomość definicji oraz umiejętność wyznaczenia pędu ciała i pędu układu ciał . Druga zasada w przypadku szczegółowym ( dla stałej masy) oraz ogólnym jako zmiana pędu wywołana popędem siły (z uwzględnieniem tego , że użyte wielkości są wielkościami wektorowymi). Wnioskowanie o działających siłach na podstawie obserwowanego ruchu oraz przewidywanie ruchu na podstawie znajomości działających sił. Umiejętność interpretowania akcji i reakcji (wskazanie sił działających oraz ciał działających oraz ciał na które siły działają) w oparciu o trzecia zasadę dynamiki. Zasada zachowania pędu jako uogólnienie zasad dynamiki (sformułowanie zasady zachowania pędu, umiejętność wnioskowania zmiany pędu elementów układu np. przy zderzeniach , rozpadzie lub podczas ruchu przy wzajemnym oddziaływaniu)
Opis ruchu jednostajnego i niejednostajnego po okręgu (kinematyka i dynamika- przyspieszenie i siła dośrodkowa) , pojęcie prędkości i przyspieszenie kątowego i ich związek z odpowiednimi wielkościami w ruchu postępowym po okręgu.
Pojęcie pracy jako mechanicznego sposobu przekazywania energii Definicja pracy jako iloczynu skalarnego siły i przemieszczenia (pracę wykonuje tylko siła styczna do toru) Wyznaczanie pracy przypadku działania zmiennej siły ( interpretacja pola pod wykresem zależności siły od położenia w przypadku ruchu jednowymiarowego. Pojecie energii kinetycznej (praca wykonana nad ciałem prowadząca do uzyskania prędkości). Moc jako tempo wykonywania pracy (prędkość przekazywania energii)
Inercjalne i nieinercjalne układy odniesienia – pojecie i przykłady sił bezwładności.
Mechanika bryły sztywnej
Opis ruchu bryły sztywnej. Zasady dynamiki bryły sztywnej , pojęcie momentu bezwładności, momentu siły, momentu pędu. Energia kinetyczna związana z ruchem obrotowym. Zasada zachowania momentu pędu.
Oddziaływania grawitacyjne
Prawo powszechnej grawitacji, pojęcie pola grawitacyjnego, praca przy przemieszczaniu w polu grawitacyjnym ( zachowawczość pola) . Natężenie i potencjał pola grawitacyjnego. Zasada superpozycji (wyznaczanie potencjału i natężenia w przypadku wielu źródeł ). Energia potencjalna ciał oddziaływujących grawitacyjnie. Ruch ciała w polu grawitacyjnym (spadek swobodny, rzuty, ruch po orbicie) . Zasada zachowanie energii mechanicznej ciał poruszających się swobodnie w polu grawitacyjnym.
Ruch drgający i fale
Warunki występowania i opis ruchu harmonicznego prostego. (amplituda , okres, częstotliwość, faza, wychylenie, siła sprężysta). Zmiany położenia, prędkości, przyspieszenia i energii( całkowitej, kinetycznej i potencjalnej) w ruchu harmonicznym prostym. Ruch tłumiony, ruch wymuszony ( zjawisko rezonansu).
Pojęcie i opis fali biegnącej (fala jako zaburzenie rozchodzące się w ośrodku, parametry opisujące falę – częstotliwość, amplituda, prędkość rozchodzenia, długość fali, powierzchnia falowa, promień fali, natężenie fali, fale poprzeczne i podłużne)
Zjawiska falowe - odbicie i załamanie fali na granicy dwóch ośrodków ( prawo odbicia i załamania), dyfrakcja i interferencja fali ( warunki obserwowania dyfrakcji, zasada superpozycji, wzmocnienie i osłabienie fal na skutek interferencji w zależności od fazy interferujących fal) opis i wyjaśnienie wpływu ruchu źródła i obserwatora na mierzoną częstotliwość rejestrowanej fali – efekt Dopplera
Fala stojąca jako wynik interferencji przeciwbieżnych fal spójnych, warunki powstawania fali stojącej. Pojęcia węzłów i strzałek, określenie amplitudy , energii i fazy w przypadku fali stojącej ( a strzałce amplituda jest sumą amplitud a energia jest większa niż suma energii, w obszarze między węzłami wszystkie punkty drgają w zgodnej fazie a w sąsiednich obszarach w fazach przeciwnych, energia nie jest przekazywana w przestrzeni),
Oddziaływania elektrostatyczne i elektromagnetyczne
Prawo Coulomba, pole elektrostatyczne i jego opis ( natężenie pola zasada superpozycji, praca w polu elektrycznym, potencjał pola), zachowanie się materii w polu elektrostatycznym ( polaryzacja dielektryków), pole magnetyczne ( ruch ładunku jako przyczyna pola magnetycznego, pole magnetyczne prostoliniowego przewodnika i solenoidu, oddziaływanie pola magnetycznego na poruszający się ładunek-siła elektrodynamiczna), zjawisko indukcji elektromagnetycznej.
Prąd elektryczny w metalach, gazach i elektrolitach ( warunki przepływu prądu, swobodne nośniki, pojęcie oporu, prawo Ohma). Efekty towarzyszące przepływowi prądu (wydzielanie ciepła w metalach, przenoszenie materii w elektrolitach elektroliza).
Elementy termodynamiki
Temperatura jako miara średniej energii kinetycznej ruchu chaotycznego cząsteczek. Warunki równowagi termodynamicznej, pojęcie ciepła i energii wewnętrznej. Skutki wymiany ciepła (zmiana temperatury, przejścia fazowe – pojecie ciepła właściwego pojemności cieplnej, ciepło przemiany, bilans cieplny). Własności gazu doskonałego i gazów rzeczywistych – przemiany gazowe. Pojęcie pary nasyconej, wpływ temperatury i ciśnienia na przemiany fazowe wody.
Zasady termodynamiki(zerowa, pierwsza i druga), warunki pracy silnika cieplnego i pompy cieplnej.
Elementy fizyki atomowej i jądrowej
Budowa atomu, poziomy energetyczne i dyskretne widma emisji i absorpcji atomów swobodnych. Oddziaływania jądrowe, promieniotwórczość naturalna (rodzaje i własności promieniowania).
Wymagana jest znajomość pojęć (definicje) oraz znajomość modeli opisujących obserwowane zjawiska na poziomie omawianym na wykładach ( opis ilościowy – równania określające związki pomiędzy wielkościami używanymi do opisu zjawisk, warunki i zakresy stosowalności, interpretacja, opis jakościowy – warunki występowania zjawisk oraz związki skutkowo przyczynowe opisywanych procesów)
Przykładowe pytania:
Wystrzelona w powietrze raca (sztuczne ognie) w pewnym momencie wybucha i rozpada się na wiele części. Zakreśl poprawne informacje dotyczące tego procesu, przy założeniu, że pomijamy opory powietrza.
Całkowita energia lecącej racy nie zmienia się
Całkowita energia rośnie gdy raca porusza się w górę a maleje gdy porusza się w dół.
Pęd racy maleje podczas ruchu w górę.
Pęd układu rośnie podczas wybuchu.
Energia kinetyczna zwiększa się podczas wybuchu kosztem zmniejszania grawitacyjnej energii potencjalnej.
Po przyłożeniu napięcia do metalowego ciała płynie w nim prąd elektryczny. Prawdą jest, że :
Prąd płynie ponieważ na swobodne elektrony działa pole elektryczne.
Wewnątrz ciała nie ma pola elektrycznego ponieważ jest przewodnikiem.
Elektrony na końcu o potencjale dodatnim(+) mają większa prędkość niż na końcu o potencjale ujemnym (-) ponieważ w polu były przyspieszane.
Elektrony w całym przewodniku mają tę samą średnią energię kinetyczną ponieważ w trakcie przepływu prądu tracą energie na rzecz otoczenia.
Moc wydzielana w przewodniku jest proporcjonalna do przyłożonego napięcia i proporcjonalna do natężenia płynącego prądu.
Karetka pogotowia posiada syrenę wysyłającą dźwięk jako sygnał informacyjny odbierany przez kierowcę w samochodzie. Prawdą jest, że :
W przypadku zbliżania się karetki kierowca słyszy dźwięk coraz głośniejszy na skutek efektu Dopplera
W przypadku zbliżania się karetki ze stałą predkością, na skutek efektu Dopplera, dźwięk odbierany przez kierowcę ma coraz większą częstotliwość
W przypadku zbliżania się karetki ze stałą predkością, na skutek efektu Dopplera, dźwięk odbierany przez kierowcę ma wyższą częstotliwość niż nadawana ale niezmienną
W przypadku oddalania się karetki dźwięk jest coraz cichszy, gdyż natężenie fali maleje z odległością
Dźwięk zmienia się w taki sam sposób bez względu na to czy porusza się karetka (np. zbliża do kierowcy), czy porusza się samochód (kierowca zbliża się do karetki) gdyż ruch jest względny
Prawidłowe odpowiedzi z komentarzem:
a), c) nieprawidłowe odpowiedzi to b) – energia całkowita ciała poruszającego się swobodnie w polu nie zmienia się, d)- podczas wybuchu poszczególne części uzyskują pęd ale układ jako izolowany nie zmienia swojego pędu (pęd jest wektorem i ich suma może być 0) e)- energia kinetyczna rośnie ale nie kosztem potencjalnej energii grawitacyjnej tylko energii chemicznej (a więc energii oddziaływanie miedzy cząsteczkami)
a), d), e) nieprawidłowe pozostałe.natężenie pola elektrycznego wewnątrz przewodnika jest równe 0 (nie ma pola) tylko w warunkach statycznych tzn. gdy nie płynie prąd , odpowiedź c) jest przeciwieństwem odp.d)
c), d) nieprawidłowe a)dźwięk jest coraz głośniejszy ale nie jest to efekt Dopplera b) częstotliwość jest inna niż wysyłana ale w przypadku stałej prędkości nie zmienia się e)ponieważ efekt Dopplera jest związany z ruchem źródła, obserwatora oraz ośrodkiem (trzy elementy) nie można tu zastosować zasady względności ruchu ruch źródła powoduje zmianę długości fali w ośrodku, podczas gdy ruch obserwatora powoduje wcześniejsze lub późniejsze rejestrowanie frontu falowego.