1

Fizyka I Podstawy fizyki

dr hab. inż. Wojciech Wróbel

Wydział Fizyki

e-mail: wrobel.studia@gmail.com

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,…

6

Fizyka 1 Wróbel

Wojciech Nauka - technika

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.

17

Fizyka 1 Wróbel

Wojciech Metodologia

Problem

Hipoteza

EKSPERYMENT JAKO

NARZĘDZIE

WERYFIKACJI

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

24

Fizyka 1 Wróbel

Wojciech Szacowanie

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

34

Fizyka 1 Wróbel

Wojciech

t

sv

Δt

Δxv

Wielkości pochodne

Jednostki pochodne

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

36

Fizyka 1 Wróbel

Wojciech

Przeliczanie jednostek miar

37

Fizyka 1 Wróbel

Wojciech Jednostki - przedrostki