1
Fizyka I Podstawy fizyki
dr hab. inż. Wojciech Wróbel
Wydział Fizyki
e-mail: [email protected]
konsultacje:
Gmach Mechatroniki, pok. 324; po umówieniu mailowym
http://www.if.pw.edu.pl/~wrobel/simr_f1_2017.html
2
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Przykład
Zdefiniuj przemieszczenie i drogę. Podaj
jednostki. Zaznacz na rysunku
przemieszczenie i drogę podczas ruchu ciała
z pkt. A do pkt. B.
B
A
3
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Przykład
Narysuj poprawnie wszystkie siły działające na
kulkę o masie m i promieniu R toczącą się po
równi pochyłej nachylonej pod kątem α
uwzględniając tarcie (współ. tarcia f ). Napisz
poprawnie równania II zasady dynamiki dla tej
kulki (ruchu postępowego i obrotowego)
g
R
4
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Przykłady
Są pytania o definicje – bo fizyka jest nauką ścisłą
Są pytania o zastosowanie w prostych przykładach
– bo zastosowanie tego ścisłego języka i
sformułowanych praw fizycznych pozwala opisać
otaczający nas świat!
5
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech
„po co nam fizyka na studiach… ”
• Poznać, zrozumieć otaczający nas świat –
nauki podstawowe
• Wykorzystać tę wiedzę o otaczającym nas
świecie – nauki stosowane (technika)
Działy fizyki Nauki techniczne
mechanika mechanika (techniczna),...
elektrodynamika elektrotechnika…
termodynamika silniki cieplne, lodówki, procesy chemiczne,...
optyka lasery, holografia, światłowody,...
fizyka jądrowa reaktory atomowe, medycyna (radioterapia),…
mechanika kwantowa szyfrowanie kwantowe, kropki kwantowe,…
fizyka ciała stałego elektronika, półprzewodniki, nadprzewodniki,
przewodniki superjonowe, magnetyki,…
7
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech
„po co nam fizyka na studiach… ”
• Poznać, zrozumieć otaczający nas świat –
nauki podstawowe
• Wykorzystać tę wiedzę o otaczającym nas
świecie – nauki stosowane (technika)
Działy fizyki Nauki techniczne
mechanika mechanika (techniczna),...
elektrodynamika elektrotechnika…
termodynamika silniki cieplne, lodówki, procesy chemiczne,...
optyka lasery, holografia, światłowody,...
fizyka jądrowa reaktory atomowe, medycyna (radioterapia),…
mechanika kwantowa szyfrowanie kwantowe, kropki kwantowe,…
fizyka ciała stałego elektronika, półprzewodniki, nadprzewodniki,
przewodniki superjonowe, magnetyki,…
Przykłady…
Maszyny proste…
Zabawki mechaniczne…
Jak działają, jakie zjawiska czy
prawa fizyczne pozwalają
opisać czy zrozumieć?
kolokwium?
8
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech
Co to jest „fizyka”
If it smells it’s chemistry
If it’s green or it wriggles it’s biology
If it doesn’t work it’s physics
9
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Zasady zaliczenia
Fizyka 0 (zajęcia wyrównawcze)
Na zajęciach odbędzie się 14 krótkich (5-10min.) kartkówek,
ocenianych po 1pkt za kartkówkę.
Każda kartkówka składać się będzie z jednego krótkiego
zadania, związanego z tematem poprzednich zajęć.
W ciągu semestru, regularnie przygotowując się do zajęć, można
więc uzyskać 14pkt.
Nie przewiduje się popraw kartkówek – liczy się
SYSTEMATYCZNOŚĆ
Dodatkowe punkty można uzyskać za rozwiązanie zadania przy
tablicy ale nie więcej niż 4pkt w sumie.
10
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Zasady zaliczenia
Fizyka 1
W semestrze odbędą się 2 kolokwia „połówkowe” na wykładach (około 7-8 tygodnia zajęć i na ostatnich zajęciach) po 12 pkt każde.
Wymagane jest uzyskanie przynajmniej 5pkt z każdego kolokwium.
UWAGA! Podczas kolokwium będzie wyznaczony czas ok.5 min,
kiedy będzie można korzystać ze „ściąg” i „przypomnieć” sobie
wzory.
Punkty uzyskane z „Fizyki 0” (max. 14pkt) sumują się z punktami uzyskanymi z kolokwiów na wykładach (max. 24pkt).
Do zaliczenia przedmiotu „Fizyka 1” należy uzyskać 19 pkt z 38
możliwych.
11
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Zasady zaliczenia
EGZAMIN W SESJI
W sesji zimowej odbędzie się egzamin z Fizyki1, który będzie miał
formę poprawy 1 i/lub 2 kolokwium z wykładów. Będzie również
część zadaniowa gdzie będzie można poprawić punktację z Fizyki0.
UWAGA! Punkty uzyskane podczas sesji ZASTĘPUJĄ punkty zdobyte w ciągu semestru!
Punktacja: Ocena
0 - 19 2.0
19.1 - 22.7 3.0
22.8 - 26.6 3.5
26.7 - 30.5 4.0
30.6 - 34.4 4.5
34.5 - 38.0 5.0
12
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Bibliografia
• David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Podstawy fizyki tom
1,2,3,4,5 , Wydaw. Naukowe PWN,2005.
• Władysław Bogusz, Jerzy Garbarczyk, Franciszek Krok, Podstawy Fizyki , Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa
1997 (lub wydanie nowsze)
• B.M Jaworski, A.A. Dietłaf, Fizyka - poradnik encyklopedyczny,
Wydaw. Naukowe PWN,1997 (lub nowsze). • Jay Orear fizyka tom 1,2 , Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,
Warszawa 1990,2004
• Fizyka. Repetytorium. Wzory i Prawa z Objaśnieniami Kazimierz
Sierański, Piotr Sitarek, Krzysztof Jezierski
• Fizyka. Repetytorium. Zadania z Rozwiązaniami Krzysztof Jezierski, Kazimierz Sierański, Izabela Szlufarska
• Fizyka. Zadania z Rozwiązaniami. Część I i Część II Krzysztof Jezierski, Bogumił Kołodka, Kazimierz Sierański
• Skrypt dostępny na stronie
13
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Program – Fizyka 1
1) Wiadomości wstępne; wielkości fizyczne, układ jednostek SI; układ współrzędnych,
operacje na wektorach. Rachunek na jednostkach, szacowanie wielkości
fizycznych.
2) Podstawy dynamiki. Równania ruchu. Przemieszczenie, droga, prędkość,
przyśpieszenie.
3) Definicja pędu. Zasady dynamiki Newtona. Praca i energia. Definicja i obliczanie
pracy
4) Energia potencjalna pola grawitacyjnego i sił sprężystych. Energia kinetyczna.
Zasady zachowania energii i pędu w mechanice
5) Ruch obrotowy. Związek wielkości występujących w opisie ruchu obrotowego i
postępowego. Zasada zachowania momentu pędu. Energia ruchu obrotowego.
6) Podstawy hydrostatyki. Pojęcie ciśnienia. Prawo Pascala – zastosowania w
urządzeniach hydraulicznych. Prawo Archimedesa, areometr.
7) Podstawy hydrodynamiki, przepływ cieczy, równanie ciągłości i równanie
Bernoulliego – sondy prędkości i ciśnienia, pompa wodna, skrzydło. Własności
płynów rzeczywistych - opór dynamiczny i współczynnik oporu, efekt Magnusa.
8) Podstawy termodynamiki. Teoria kinetyczna gazu. Temperatura, ciepło, zasady
termodynamiki. Podstawowe przemiany termodynamiczne. Równanie stanu gazu.
Cykle termodynamiczne, entropia.
9) Mechanizmy przekazywania ciepła, opór cieplny, zastosowania w izolacji
termicznej. Rozszerzalność cieplna ciał stałych i cieczy.
14
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Uwaga
Materiały zamieszczane na stronie to jest tylko
materiał pomocniczy i to głównie dla mnie w
prowadzeniu wykładu!
Na kolokwium obowiązywać będzie
całokształt omawianych zagadnień:
+ to co było na slajdach
+ to co mówiłem
+ to co na tablicy
15
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Metodologia
Eksperymenty często
dają informacje jedynie
o pewnej własności
badanego obiektu
16
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Metodologia
Staramy się opisać nie tylko
te poszczególne cechy,
właściwości obiektu ale
również połączyć różne
cechy w jeden spójny obraz,
model tego obiektu oraz
jeżeli możliwe zaproponować
wyjaśnienie tych właściwości.
18
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech
Fizyka opiera się na obserwacjach doświadczalnych
oraz na pomiarach ilościowych.
Podstawy fizyki
19
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech
Fizyka opiera się na obserwacjach doświadczalnych
oraz na pomiarach ilościowych.
Podstawy fizyki
20
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech
Każdy pomiar dowolnej wielkości
jest zawsze obarczony
niepewnością pomiarową
(błędem pomiarowym).
niepewność 1mm niepewność 0.01mm
Pomiary
Pomiar – porównanie ilościowe ze wzorcem
21
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech
Każdy pomiar dowolnej wielkości jest zawsze obarczony
niepewnością pomiarową (błędem pomiarowym).
Niepewność
niepewność względna 0.05%; 5*10-4
W niektórych pomiarach udaje się osiągnąć
niepewności rzędu 10-16
Stałe fizyczne
szczególnie ważne wielkości fizyczne
Istotne szczególnie dla weryfikacji praw fizycznych
22
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Stałe fizyczne
Nazwa stałej Symbol Wartość Jednostka Względna
niepewność
Prędkość światła w
próżni c 299 792 458 m·s-1 (dokładnie)
Stała grawitacji G 6,674 28(67)·10−11 m3·kg−1·s−2 1,0·10−4
Stała Plancka h 6,626 068 96(33)·10−34 J·s 5,0·10−8
Ładunek elementarny e 1,602 176 487(40)·10−19 C 2,5·10−8
Masa elektronu me 9,109 382 15(45)·10−31 kg 5,0·10−8
Masa protonu mp 1,672 621 637(83)·10−27 kg 5,0·10−8
Masa neutronu mn 1,674 927 211(84)·10−27 kg 5,0·10−8
Stała Avogadra NA 6,022 141 79(30)·1023 mol−1 5,0·10−8
… … … … …
23
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech
Oszacuj ilość kroków z Warszawy do Krakowa.
Szacowanie
Szacunkowa odległość z Warszawy do Krakowa
to 300km. Szacunkowa długość kroku to 80cm.
Dzieląc odległość Warszawa-Kraków przez
długość kroku otrzymujemy: 300000m/0.8m=375000=3.75×105 kroków
105 kroków
25
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech
Oszacuj liczbę stroicieli pianin w Warszawie
1 osoba na 100 ma pianino w Warszawie mieszka 2×106 osób czyli liczba pianin jest rzędu
2×104
jeden stroiciel może nastroić 3 pianina/dzień czyli około 103
pianin/rok
średnio pianino stroi się 1 raz/rok
liczba stroicieli:
(liczba pianin do nastrojenia)/(liczba pianin, które stroiciele mogą nastroić w ciągu roku) =2×104/ 103 , czyli 20
Szacowanie
26
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech
Oszacuj liczbę stroicieli pianin w Warszawie 1 osoba na 100 ma pianino w Warszawie mieszka 2×106 osób czyli liczba pianin jest rzędu 2×104
jeden stroiciel może nastroić 3 pianina/dzień czyli około 103 pianin/rok
średnio pianino stroi się 1 raz/rok
liczba stroicieli: (liczba pianin do nastrojenia)/(liczba pianin, które stroiciele mogą nastroić) =2×104/ 103 , czyli 20
Szacowanie
27
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Pomiary w fizyce
właściwość wielkość fizyczna Jednostka
rozmiar
długie – krótkie długość l metr [m]
czas
długo – krótko czas t sekunda [s]
stan termiczny
ciepłe - zimne temperatura T kelwin [K]
prąd elektryczny
duży – mały natężenie prądu I amper [A]
wysokość dźwięku
niski - wysoki częstość f hertz [Hz]
… … …
wielkości fizyczne • opisują właściwości
• poprzez porównanie ze wzorcem pozwalają również
ilościowo określić tę właściwość
28
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Fizyka • wielkości fizyczne opisują właściwości
obiektów i pozwalają również
ilościowo porównać te właściwości
• prawa fizyczne formułuje się na
podstawie doświadczeń
• wielkością fizyczną jest każda
wielkość, która daje się mierzyć czyli
porównywać ze wzorcem jednostki
tej wielkości
• w definicji wielkości fizycznej zawarte
są informacje dotyczące jej pomiaru
• fizyka stosuje matematyczny opis
zjawisk („matematyka jest językiem
fizyki”)
wielkości fizyczne
dokładnie („ściśle”)
zdefiniowane
„empirycznie”
Fizyka jest nauką ścisła i empiryczną
29
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech
• W fizyce istnieje pewna liczba podstawowych wielkości
fizycznych, a pozostałe wielkości są wielkościami
zależnymi, pochodnymi.
• Istnienie zasad i praw szczegółowych powoduje
wzajemne powiązanie wielkości fizycznych.
• Fizyka opiera się na pewnej minimalnej liczbie praw
podstawowych o charakterze pewników – zasady
fizyczne.
• Inne szczegółowe prawa fizyczne wyprowadzamy z
zasad fizyki za pomocą modeli fizycznych opisywanych
zjawisk.
• Wzorce jednostek fizycznych potrzebne tylko dla
wielkości podstawowych.
Fizyka
30
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Wielkości fizyczne
Wielkości fizyczne przykłady
Skalarne (są liczbami)
Masa m, czas t,
temperatura T, energia E,
objętość V, praca W, …
Wektorowe (są wektorami) Położenie 𝒓, prędkość 𝒗,
siła 𝑭, …
Tensorowe (są macierzami)
Tensor momentu
bezwładności, tensor
naprężeń,…
𝑝 = 𝑚𝑣 ; 𝐿 = 𝑟 × 𝑝 ; ΔW=ΔU+Q
31
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Wielkości wektorowe
Dodawanie i odejmowanie wektorów
• wektor prędkości łodzi względem
brzegu jest sumą wektorów prędkości
łodzi względem wody i wektora
prędkości wody względem brzegu
• ruch łodzi jest złożeniem dwóch ruchów
– ruchu łodzi względem wody i ruchu
wody względem brzegu
• będziemy poszukiwać czy da się
analizować różne złożone ruchy jako
złożenie ruchów prostych
32
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Układ odniesienia,
układ współrzędnych Układ kartezjański (prostokątny)
𝑟 =(x,y) (2D) 𝑟 =(x,y,z) (3D)
Układ biegunowy (2D) 𝑟 =(r,φ)
Układ sferyczny (3D) 𝑟 =(r,φ,θ)
33
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech Podstawowe wielkości
Układ SI (Systeme International)
Wielkość Nazwa Symbo
l
Długość metr m
Masa kilogram kg
Czas sekunda s
Natężenie prądu elektrycznego amper A
Temperatura Kelwin K
Ilość materii mol mol
Światłość kandela cd
Kąt płaski radian rad
Kąt bryłowy steradian sr
35
Fizyka 1 Wróbel
Wojciech
Wielkości i jednostki pochodne
• Wielkości fizyczne można przedstawić
jako kombinację kilku wielkości
podstawowych
• Jednostki wielkości pochodnych odzwierciedlają ich relację z
jednostkami podstawowymi
wygodniej
redukcjonizm