Wielkości fizyczne, ich pomiar i jednostki

Zobacz slidy

Treść prezentacji

Slide 1

Wykłady z fizyki dla studentów Wydziału Transportu Studia zaoczne Irena Gronowska tel. 22 2348337 igron if.pw.edu.pl www.if.pw.edu.pligron Zawierają pliki: SI, Newton, Drgania, Coulomb, Amper, Einstein, Planck, Schrödinger

Slide 2

Zestawy zadań do ćwiczeń rachunkowych: 1. WEKTORY2 2. PRAWA ZACHOWANIA 3. Grawitacja. 4. Drgania 5. ROWMAX1 6. ROWMAX2 7. ROWMAX3 6. TEORIA WZGLĘDNOŚCI (sem. 2) 7. Kwantowa natura promieniowania

Slide 3

Literatura: Robert Resnick, Dawid Halliday - Fizyka, PWN, Warszawa, 1998 Robert Resnick, Dawid Halliday, Walker - Podstawy fizyki, PWN, Warszawa, 2005 (i późniejsze wydania) Czesław Bobrowski - Fizyka, PWN, Warszawa, 1995 Eugeniusz Wnuczak - Fizyka. Działy wybrane, Wrocław 1995 Szczepan Szczeniowski - Fizyka doświadczalna. cz. IV Optyka, cz. V - Fizyka atomowa, PWN, Warszawa 1974 Charles Kittel, Walter D. Kinght, Malvin A. Ruderman Mechanika, PWN, Warszawa, 1973

Slide 4

Edward M. Purcell - Elektryczność i magnetyzm, PWN, Warszawa, 1974 Jay Orear - Fizyka, WNT, Warszawa, 1992 Encyklopedia fizyki współczesnej, PWN, Warszawa, 1983 B. M. Jaworski, A. A. Dietłaf - Fizyka. Poradnik encyklopedyczny, PWN, Warszawa, 1999 Kazimierz Blankiewicz, Małgorzata Igalson - Zbiór zadań rachunkowych z fizyki, WPW,Warszawa 1993 Krzysztof Jezierski, Bogumił Kołodka, Kazimierz Sierański - Fizyka, zadania z rozwiązaniami, Oficyna Wydawnicza, Wrocław 2000 Jearl Walker Podstawy Fizyki, Warszawa 2008, PWN

Slide 5

OCENA EGZAMINU Punkty otrzymane na egzaminie punkty z kartkówek OCENA 11-12 3 13-14 3.5 15-16 4 17-18 4.5 19 i więcej 5

Slide 6

Fizyka jako nauka Przedmiot badań - świat materialny Podstawowa metoda badań - wykonywanie eksperymentów. Na podstawie zebranych danych doświadczalnych znajdowane są związki przyczynowe, które formułuje się w postaci formuł matematycznych i formułuje prawa fizyczne.

Slide 7

Teoria - zbiór logicznie powiązanych praw Magnetyzm (B μ0i,) Elektryczność (i UR,.) Optyka (1d1 1d2 1f,) Rozwój fizyki Równania Maxwella

Slide 8

Metoda indukcji - metoda przechodzenia od najprostszych obserwacji do abstrakcyjnej teorii (anegdota o jabłku Newtona). Z twierdzeń teorii fizycznej za pomocą logicznego wnioskowania czyli drogą dedukcji można przewidzieć nowe zjawiska i wyniki doświadczeń. Zasady fizyki - fundamentalne prawa, na których opiera się pewna teoria. (Patrz. Newton)

Slide 9

Wielkości fizyczne - taka własność ciała lub zjawiska, którą można porównać ilościowo z taką samą własnością innego ciała lub zjawiska. Wielkości Wielkości podstawowe pochodne podane przez wyrażane za podanie sposobu ich pomocą wielkości pomiaru podstawowych

Slide 10

Przykłady wielkości fizycznych: długość, prędkość, praca, napięcie, temperatura, natężenie prądu, czas, liczność materii Przykłady wielkości, których nie zaliczamy do wielkości fizycznych: barwa, kształt, zapach Pomiar wielkości fizycznej polega na wyznaczaniu stosunku liczbowego danej wielkości do wielkości tego samego rodzaju przyjętej za jednostkę. Jednostki wielkości podstawowych - jednostki podstawowe - mogą być przyjęte dowolnie, jednostki wielkości pochodnych jednostki pochodne - definiuje się za pomocą jednostek podstawowych.

Slide 11

długość drogi prędkość czas wielkość pochodna wielkości podstawowe Uwaga! Stosowany wzór nie jest wzorem zawsze słusznym, stosowany jest dla przypadku ruchu jednostajnego (patrz sl 37). Odpowiedni zapis dla jednostek: jednostka długości jednostka prędkości jednostka czasu metr sekunda

Slide 12

Wielkości fizyczne, ich pomiar i jednostki Międzynarodowy układ jednostek SI

Slide 13

Zasady tworzenia układów jednostek Jeżeli wybierzemy pewne wielkości podstawowe, to możemy na podstawie tych jednostek zdefiniować jednostki pochodne. Określone w taki sposób jednostki, podstawowe i pochodne, tworzą układ jednostek. Najczęściej używane układy jednostek: Międzynarodowy układ jednostek SI Układy CGS, CGSES, CGSEM, Układ techniczny, zwany ciężarowym

Slide 14

Układ SI Systeme International dUnites (Franc.) Siedem jednostek podstawowych (bazowe) Dwie jednostki uzupełniające Jednostki pochodne

Slide 16

Zasady tworzenia jednostek wtórnych Jednostki wtórne są wielokrotnościami lub podwielokrotnościami jednostek podstawowych i pochodnych.

Slide 17

Przedrostek eksa penta tera giga mega kilo hekto deka decy centy mili mikro nano piko femto atto Oznaczenie E P T G M k h da d c m n p f a Mnożnik 1018 1015 1012 109 106 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18

Slide 18

Jednostki podstawowe 1m 1K 1s 1 kg 1 mol 1A 1 cd

Slide 19

Metr (1 m) Pierwotny wzorzec długości związany był z wymiarami kuli ziemskiej: metr równy jest jednej czterdziestomilionowej część długości południka przechodzącego przez Paryż. Na podstawie takiej definicji i po wykonaniu pomiarów południka kuli ziemskiej sporządzono wzorzec metra w postaci sztaby wykonanej ze stopu platyny z irydem. Dokładniejsze pomiary południka wykazały, że wykonany wzorzec różni się od poprzedniej wartości. Zrezygnowano więc z pierwotnej definicji i przyjęto, że metrem będzie długość wykonanego wzorca. Jednak wzrastające z czasem precyzja pomiarów spowodowała konieczność zmiany tego wzorca.

Slide 20

Następna definicja metra była oparta na pomiarze długości fali pomarańczowej linii widmowej wysyłanej podczas wyładowań elektrycznych przez atomy czystego izotopu kryptonu o liczbie masowej 86. Definicja brzmiała: Metr jest długość równa 1 650 763,73 długości fali w próżni promieniowania odpowiadająca przejściu między poziomami 2p10 a 5d5 atomu kryptonu 86. Obecna definicja brzmi: Metr (m) jest długość drogi przebytej w próżni przez światło w czasie 1 299 792 458 s (XVII Gen. Konf. Miar 1983 r.)

Slide 21

Kilogram (1 kg) Definicja jednostki związana jest ze wzorcem w sposób następujący: Kilogram (kg) jest to masa międzynarodowego wzorca tej jednostki masy przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar w Sevres (III Gen. Konf. Miar w 1901 r.). Masa tego wzorca wykonanego ze stopu platyny z irydem miała być równa masie 1 dm3 wody destylowanej w temperaturze 40 C. Później okazało się, że objętość 1 kg wody destylowanej w tej temperaturze wynosi 1,000 028 dm3, mimo to utrzymano wzorzec platynowo-irydowy jednostki masy.

Slide 22

Sekunda (1 s) Sekundę najpierw określano jako 186 400 część średniej doby słonecznej. Dobą słoneczną nazywamy czas między dwoma kolejnymi przejściami Słońca przez płaszczyznę południka, na którym znajduje się obserwator. Prędkość Ziemi w ruchu wokół Słońca zmienia się w ciągu roku, doba słoneczna nie jest stałym okresem czasu i średnią dobę słoneczną znajdujemy jako średnią ze wszystkich w roku. W ruchu Ziemi wokół jej osi występują jednak nieregularności -czas oparty na średniej dobie słonecznej był niedokładny. Postanowiono więc oprzeć definicję sekundy na obiegu orbitalnym Ziemi wokół Słońca.

Slide 23

Definicja brzmiała następująco: sekunda jest 131 556 925,9747 częścią roku zwrotnikowego 1900 roku stycznia 0 godzina 12 czasu efemeryd (data 1900 roku stycznia 0 godzina 12 według przyjętej przez astronomów umowy oznacza południe 31 grudnia 1899 roku). Rok zwrotnikowy jest odstępem czasu między kolejnymi wiosennymi porównaniami dnia z nocą. Długość roku zwrotnikowego zmniejsza się o 0,53 s na sto lat. Ta definicja była bardzo kłopotliwa. Obowiązująca obecnie definicja oparta jest na wzorcu atomowym. Sekunda (s) jest to czas równy 9 192 632 770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu 133Cs (XII Gen. Konf. Miar w 1964 r.).

Slide 24

Kelvin (1 K) Kelvin (K) jest to 1273,16 część temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody (XII Gen. Konf. Miar w 196764 r.). Punkt potrójny wody jest to taki punkt, w którym lód, woda i para wodna współistnieją w stanie równowagi. Taki stan wody osiągany jest tylko w określonym ciśnieniu.. Punkt potrójny jest jednym ze stałych punktów międzynarodowej skali temperatur.

Slide 25

Pa 611.73 0.01 C o Typowy rozkład stanów równowagi z zaznaczonymi wartościami punktu potrójnego dla wody

Slide 26

Mol (1 mol) Jednostka ilości dowolnych cząstek nazwana została licznością materii lub ilością materii (monitor Polski Nr 4, poz 19). Jednostką podstawową jest mol, którego definicja oparta jest na prawie Avogadra, formułowanym następująco: 1mol (gramoatom lub gramocząsteczka każdej substancji zawiera liczbę cząsteczek, równą liczbie Avogadra NA.

Slide 27

NA 6,02 1023 Mol (mol) jest to liczność materii występująca, gdy liczba cząstek jest równa liczbie atomów zawartych w masie 0,012 kg 12C (węgla o masie atomowej 12), (XIV Gen. Konf. Miar w 1971 r.).

Slide 28

Amper (1A) Definicja ampera oparta jest na własnościach magnetycznych prądu elektrycznego. Skorzystano tutaj ze zjawiska przyciągania się dwóch przewodników przez które płyną prądy elektryczne w tym samym kierunku.

Slide 29

F1 F2 I1 F1 I2 F2 I1 płynie równolegle do I2 B1 B2 Oddziaływanie dwóch przewodników z prądem; prądy płyną prostopadle do płaszczyzny rysunku. B1 - indukcja magnetyczna wokół przewodnika z prądem I1. Drugi przewodnik z prądem I2 znajduje się w polu B1 wytworzonym przez pierwszy. Analogicznie, przewodnik z prądem I1 - w polu B2.

Slide 30

Amper jest natężeniem prądu nie zmieniającego się, który płynąc w dwóch równoległych prostolinijnych przewodach nieskończenie długich o przekroju kołowym znikomo małym, umieszczonych w próżni w odległości 1m, wywołuje między tymi przewodami siłę równą 2 10-7 N na każdy metr długości przewodu (IX Gen. Konf. Miar w 1948 r.). 1 N (Newton) jest jednostką siły. W układzie SI jest to jednostka pochodna od kilograma, metra i sekundy (II zasada Newtona). 1N kg m s2

Slide 31

Kandela (1 cd) Początkowa definicja brzmiała następująco: Kandela jest to światłość, jaką ma w kierunku prostopadłym powierzchnia (1 600 000) m 2, ciała doskonale czarnego (promiennika zupełnego), w temperaturze krzepnięcia platyny pod ciśnieniem 101 325 paskali (ciśnienie normalne - 1 atmosfera fizyczna). Obecna definicja jest następująca:

Slide 32

Obecna definicja jest następująca: Kandela (cd) jest to światłość, jaką ma w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o częstotliwości 540 1012 Hz i którego natężenie w tym kierunku jest równe 1683 Wsr (XVI Gen. Konf. Miar w 1979 r.).

Slide 33

Jednostki uzupełniające Radian i steradian Jednostki uzupełniające mają charakter matematyczny.

Slide 34

Radian Radian jest to jednostką miary łukowej kąta płaskiego, równy jest stosunkowi łuku l do promienia tego łuku r. Ścisła definicja jest następująca: Radian jest to kąt płaski zawarty między dwoma promieniami koła, wycinającego z jego okręgu łuk o długości równej promieniowi tego koła. rl

Slide 35

l r r l

Slide 36

Steradian Kąt bryłowy jest to część przestrzeni ograniczona powierzchnią stożkową. Jeżeli ze środka pewnej powierzchni kulistej o promieniu r poprowadzimy powierzchnię stożkową wycinającą część kuli o powierzchni S, to powierzchnia ta ograniczy kąt bryłowy równy stosunkowi powierzchni S do kwadratu promienia r.

Slide 37

S r2 Jednostka miary kąta bryłowego S S 2 r O r Steradian jest kątem bryłowym o wierzchołku w środku kuli, wycinającym z jej powierzchni część równą powierzchni kwadratu o boku równym promieniowi tej kuli.

Slide 38

Definicje wielkości fizycznych według Słownika fizycznego Słownik fizyczny Wiedza Powszechna Warszawa 1984

Slide 39

Prędkość v, wielkość wektorowa r v t Prędkość średnia Prędkość chwilowa: r przesunięcie t czas, w którym nastąpiło przesunięcie t dowolny, skończony czas r dr v lim dt t 0 t

Slide 40

Przyspieszenie a, wielkość wektorowa v a t v zmiana prędkości t czas, w którym nastąpiła zmiana prędkości Jeżeli zmiany prędkości w krótkim czasie to def. następująca: v dv a lim dt t 0 t

Slide 41

SIŁA Wielkość fizyczna wektorowa, stanowiąca miarę oddziaływań między ciałami. Oddziaływanie to odbywa się za pomocą pól fizycznych. Działanie siły powoduje nadanie ciałom przyspieszeń lub ich odkształcenie. Siły często zależą od właściwości ciała, na które działają, np. siła ciążenia zależy od masy, a siła działająca na ciało w polu elektromagnetycznym od jego ładunku.

Slide 42

Masa wielkość określona dla danego ciała lub obiektu fizycznego, który wyznacza zachowanie jego pod działaniem siły lub pod działaniem pola grawitacyjnego oraz jako źródło pola grawitacyjnego. Masa bezwładna równa stosunkowi siły do pochodnej prędkości v F m dv dt m masa v - prędkość F - siła

Slide 43

Masa grawitacyjna Jest wielkość opisująca oddziaływanie dwóch ciał zgodnie z prawem powszechnego ciążenia. m1 m2 F G r2 F - siła oddziaływania ciał, G - stała grawitacji m1, m2 - masy oddziałujących ciał, r - odległość ciał.

Slide 44

Energia Uniwersalna wielkość fizyczna, nadająca się do opisu wszelkiego rodzaju procesów i oddziaływań występujących w przyrodzie. Cechą energii jest to, że podlega zasadzie zachowania. Energia jest funkcją stanu fizycznego. Może być przenoszona z jednego obiektu na drugi. Energia ośrodków ciągłych oraz pól fizycznych charakteryzuje się przez gęstość energii, a jej przepływ przez strumień. Energia jest wielkością addytywną.

Slide 45

Pęd Wektorowa wielkość fizyczna, zdefiniowana dla punktu materialnego jako iloczyn masy m i prędkości v: p m v Pęd układu punktów materialnych nazywa się sumę pędów wszystkich punktów, równą iloczynowi masy M całego układu i prędkości środka masy: v śr Do zmiany pędu koniecznejest działanie siły F. dp Zapisujemy to jako F dt

Slide 46

Moment siły Wektorowa wielkość fizyczna, określona wzorem: r F gdzie τ - moment siły względem punktu P r wektor łączący punkt P z punktem zaczepienia siły F τ r P F

Slide 47

Moment pędu Wektorowa wielkość fizyczna, charakteryzująca ruch układu mechanicznego względem pewnego, wyróżnionego punktu P w układzie odniesienia. Dany jest przez iloczyn wektorowy: L r p r wektor łączący punkt P z punktem materialnym o masie m p pęd punktu materialnego P v prędkość punktu materialnego L r P m v

Slide 48

Ciepło W fizyce termin ten oznacza formę przekazywania energii lub sposób przekazywania energii między układami. Ciało nie izolowane adiabatycznie może oddawać lub otrzymywać energię bez wykonania pracy. Taki bezpośredni sposób nazywa się ciepłem. Ilość pobranej lub oddanej w ten sposób energii nazywa się ilością ciepła. Przyrost lub spadek temperatury T jest proporcjonalny do ilości ciepła Q. Q CT C pojemność cieplna, zależy od masy i materiału układu, Q przyrost ilości ciepła, T przyrost temperatury

Slide 49

Temperatura Jedna z podstawowych wielkości fizycznych, będąca miarą nagrzania. Temperaturę można tylko ściśle zdefiniować dla stanów równowagi termodynamicznej. Z mikroskopowego punktu widzenia temperatura danego ciała reprezentuje intensywność ruchów cieplnych cząsteczek tworzących dane ciało. Temperatura bezwzględna ciała jest proporcjonalna do średniej energii kinetycznej ruchów cieplnych cząsteczek.

Slide 50

Kartkówka (ubiegły semestr) Planeta porusza się po elipsie wokół nieruchomego Słońca. Największa odległość od Słońca wynosi a, najmniejsza b. Masz Słońca M, planety m. Napisać prawa zachowania energii i momentu pędu, traktując układ Słońce Ziemia jako odosobniony. M b vb r a va m

Slide 51

2 energia Moment pędu mv mM E G 2 r L r mv Dla punktów leżących na długiej półosi elipsy: 2 2 mvb mM mva mM G G 2 b 2 a amva bmvb

Slide 52

Kartkówka 2 W jakiej odległości od powierzchni Ziemi przyspieszenie ziemskie zmniejszy się dwukrotnie? Dane: R - promień Ziemi M masa Ziemi G stała grawitacji g m M G 2 R x2 Rozwiązanie m x odległość ciała o masie m od powierzchni Ziemi g 2G M R x2 Rx x 2GM g 2GM R g