1 Fizyka Dr Grzegorz Górski [email protected]www:

2 Literatura D. Halliday, R. Resnick „Fizyka” J. Orear „Fizyka”Sz. Szczeniowski „Fizyka doświadczalna”

3 Program Wykładu Podstawowy aparat matematyczny wykorzystywany w fizyce: wektory, pochodne, całki. Kinematyka punktu materialnego. Opis ruchu, prędkość, przyspieszenie, rzut pionowy i ukośny. Dynamika punktu materialnego. Siła, Zasady dynamiki Newtona. Praca i energia. Praca, moc, energia. Zasady zachowania energii. Kinematyka i dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej. Pojęcie bryły sztywnej. Opis ruchu bryły sztywnej. Zasady dynamiki dla bryły sztywnej.

4 Ruch drgający i falowy. Opis ruchu drgającego. Rodzaje falRuch drgający i falowy. Opis ruchu drgającego. Rodzaje fal. Zjawiska falowe. Kinematyczna teoria gazów. Ciśnienie, temperatura i gaz doskonały. Prawo gazów doskonałych. Zasady termodynamiki. Pierwsza i druga zasada termodynamiki. Cykl Carnota. Entropia. Elektrostatyka. Prawo Coulomba. Pole elektryczne. Prawo Gaussa. Prąd elektryczny. Prawo Ohma. Obwody prądu stałego. Siła elektromotoryczna. Pole magnetyczne. Pojęcia opisujące pole magnetyczne. Prawo Ampère’a. Prawo Faradaya. Optyka geometryczna. Odbicie i załamanie światła. Zwierciadła i soczewki.

5 Optyka falowa. Zasada Huygensa. Zjawisko dyfrakcji i interferencjiOptyka falowa. Zasada Huygensa. Zjawisko dyfrakcji i interferencji. Siatka dyfrakcyjna. Polaryzacja światła. Elementy fizyki kwantowej. Falowa natura materii. Prawo Plancka. Zasada nieoznaczoności. Równanie Schrödingera. Fizyka atomowa i fizyka ciała stałego. Atom wodoru. Zasada Pauliego. Teoria swobodnych elektronów w metalu. Pasmowa teoria ciała stałego.

6 Czym jest fizyka? Fizyka jest podstawową nauką przyrodniczą, zajmującą się badaniem najbardziej fundamentalnych i uniwersalnych własności materii i zjawisk w otaczającym nas świecie. Ostatecznym celem badań fizycznych jest poznanie praw fizyki, czyli związków i korelacji między faktami i zjawiskami fizycznymi wyrażonymi w postaci wzorów matematycznych. Cechą praw fizycznych jest uniwersalność i niezmienniczość.

7 Oddziaływania fundamentalne1. Oddziaływanie grawitacyjne (podstawowe znaczenie w ruchach ciał niebieskich, czy przy opisie ruchu ciał na Ziemi) występuje pomiędzy ciałami obdarzonymi masą. 2. Oddziaływanie elektromagnetyczne (emisja i absorpcja promieniowania elektromagnetycznego, tarcie, sprężystość). Występuje ono pomiędzy ładunkami elektrycznymi i momentami magnetycznymi.

8 3. Oddziaływanie słabe (spontaniczna przemiana  jąder atomowych, rozpad wielu cząstek elementarnych, np. mionu czy cząstek dziwnych). 4. Oddziaływanie silne (jądrowe) [związanie nukleonów w trwałe układy, reakcje między cząstkami elementarnymi (np. kwarki, antykwarki i gluony) oraz ich rozpady].

9 Pomiary, wielkości fizyczne i jednostkiPomiar – najlepszy weryfikator teorii fizycznych Wielkości fizyczne – własności ciał lub zjawisk, które można porównać ilościowo podczas pomiaru z takimi samymi własności innych ciał lub zjawisk.

10 Pomiary, wielkości fizyczne i jednostkiWielkości fizyczne dzielimy na podstawowe i pochodne Wielkości podstawowe – wielkości których nie definujemy lecz podajemy sposób pomiaru. Są to: długość (l), masa (m), czas (t), temperatura (T), natężenie prądu elektrycznego (i), światłość (I), ilość materii (n) Wielkości pochodne – wielkości definiowane za pomocą wielkości podstawowych, np.. Predkość, przyspieszenie, siła.

11 Pomiary, wielkości fizyczne i jednostkiOperacyjna definicja wielkości podstawowych polega na: Wyborze odpowiedniego wzorca Ustaleniu sposobu porównania wzorca z wielkością podstawową Idealny wzorzec charakteryzuje się Łatwością dostępu Niezmienniczością Miarą wielkości fizycznej jest pewna ilość jednostek wzorca. Podając wartość wielkości fizycznej należy również podać jednostkę w której ta wielkość jest wyrażona

12 Pomiary, wielkości fizyczne i jednostkiZbiór jednostek wielkości fizycznych nazywamy układem jednostek. Dawne układy to: CGS (centymetr, gram, sekunda) MKS (metr, kilogram, sekunda) Od 1960 r. obowiązuje międzynarodowy układ jednostek (skrót SI – Systéme International)

13 Pomiary, wielkości fizyczne i jednostkiPodstawowe jednostki to: Metr (m) – j. długości Kilogram (kg) – j. masy Sekunda (s) – j. czasu Amper (A) – j. natężenia prądu Kelwin (K) – j. temperatury termodynamicznej Kandela (cd) – j. światłości Mol (mol) – j. ilości materii radian [rad]- miara kąta płaskiego , steradian [sr] - miara kąta bryłowego. Jednostki pochodne definiujemy za pomocą jednostek podstawowych np. 1 N = 1 kg*1m/(1s)2 (j. siły)

14 Pomiary, wielkości fizyczne i jednostkiMetr Dawniej Wzorzec ze stopu platynowo-irydowego równy jednej dziesięciomilionowej odległości od bieguna do równika mierzonej wzdłuż południka przechodzącego przez Paryż

15 Pomiary, wielkości fizyczne i jednostkiObecnie Metr jest długością równą , 73 długości fali w próżni promieniowania monochromatycznego o barwie pomarańczowej emitowanego przez atom kryptonu 86

16 Rozmiary obiektów fizycznych

17 Przegląd podstawowych rozmiarów109= Meter Orbita Księżyca 1013= Metrów Układ Słoneczny 1011= Metrów Droga Ziemi w 6 tygodniach 1022= Metrów Nasza Galaktyka z obłokiem Magellana 104= Metrów Akcelerator LEP 103=1000 Metrów CERN 105= Metrów Jezioro Genewskie 1026= Metrów 9325 Galaktyk 1023= Metrów 1020= Metrów 106= Metrów 108= Metrów 1014= Metrów 101=10 Metrów 100=1 Metr 107= Metrów 102=100 Metrów

18 Przegląd podstawowych rozmiarów10-14= Metra Jądro Atomowe 10-10= Metra Atom Węgla 10-8= Metra Molekuła DNS 10-5= Metra Włosek 10-4= Metra Facetten 10-15= Metra Proton z Kwarkami 10-3=0.001 Metra Oko Muchy 10-2=0.01 Metra 10-1=0.1 Metra 100=1 Metr 10-7= Metra 10-6= Metra

19 Przedrostki wielokrotności i podwielokrotnościOzn. Wielokr. Podwiel. deka- hekto- kilo- mega- giga- tera- da- h- k- M- G- T- 101 102 103 106 109 1012 decy- centy- mili- mikro- nano- piko- d- c- m- n- p- 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12

20 Wektory lub B (Cechy wektorów) A Oznaczenie wektorówWektor opisujący przemieszczenie punktu materialnego z położenia A do B ma postać B (Cechy wektorów) A

21 Działania na wektorachDodawanie Dodawanie jest przemienne Dodawanie jest łączne

22 Odejmowanie

23 Rozkład wektora na składowey O x

24 Wersor Wersorami nazywamy wektory jednostkowe o długości równej jeden, a kierunku i zwrocie zgodnym z osiami układu y O x

25 Analityczne dodawanie wektorówAnalityczne odejmowanie wektorów

26 Mnożenie wektorów - Iloczyn skalarny Wynikiem iloczynu skalarnego jest liczba

27 - Iloczyn wektorowy Wynikiem iloczynu wektorowego wektorów a i b jest wektor c prostopadły do płaszczyzny utworzonej przez wektory a i b . Zwrot wektora c określa reguła śruby prawoskrętnej

28 Iloczyn skalarny i wektorowy dla wersorówx Układ prawoskrętny z

29 Analityczne mnożenie wektorów

30 Pochodna funkcji w punkciePochodna funkcji jednej zmiennej y=f(x), oznaczana symbolicznie y’, f ’(x), jest to nowa funkcja zmiennej x, równa przy każdej wartości x granicy stosunku przyrostu funkcji Dy do odpowiadającego mu przyrostu zmiennej niezależnej Dx, gdy Dx dąży do zera: Warunkiem koniecznym istnienia pochodnej (różniczkowalności) funkcji f w punkcie x jest ciągłość funkcji w punkcie x.

31 Interpretacja geometryczna pochodnej funkcji w punkciePochodna funkcji f w punkcie x0.

32 Pochodne wybranych funkcji

33 Reguły różniczkowania

34 Pochodna funkcji złożonej

35 Całkowanie funkcji Całkowanie funkcji to operacja odwrotna do różniczkowania Polega na znalezieniu tzw. funkcji pierwotnej, czyli funkcji, która po zróżniczkowaniu da funkcję wyjściową: Funkcja F(x) jest nazywana całką nieoznaczoną funkcji f(x) Funkcja pierwotna może być wyznaczona z dokładnością do stałej nazywanej stałą całkowania

36 Podstawowe całki C - stała całkowania

37 Reguły całkowania

38 Całka oznaczona Całką oznaczoną funkcji f w granicach od x1 do x2 nazywamy różnicę wartości funkcji pierwotnej F(x) w punktach x2 i x1 W obszarze całkowania funkcja f musi być ciągła Interpretacja geometryczna Całka oznaczona jest liczbowo równa polu powierzchni pod wykresem funkcji f(x)