FO W1 Wprowadzenie Prawa Newtona


Fizyka Ogólna Wykad I 1
Fizyka Ogólna
Podr czniki
1. I.W. Sawieliew, Wykłady z fizyki, Wyd. Naukowe PWN Warszawa 1997.
t.1 Mechanika i fizyka cząsteczkowa
t.2 Elektryczność i magnetyzm, fale, optyka.
2. W. Bogusz, J. Garbarczyk, F. Krok, Podstawy Fizyki, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warszawa 1997, 1999.
3. C. Kittel, W. Knight, M. Ruderman, Mechanika;
4. F. C. Crawford: Fale, PWN, 1973; E. Purcell, Elektrodynamika, Wyd. Naukowe PWN Warszawa
1969.
Zbiory zadań
1. A.Hennel, W.Szuszkiewicz,  Zadania i problemy z fizyki WNT 2002
2. M. Baj, G. Szeflińska, M. Szymański, D. Wasik, Zadania i problemy z fizyki. Drgania i fale
skalarne, PWN, Warszawa 1993.
3. M. Baj, G. Szeflińska, M. Szymański, D. Wasik, Zadania i problemy z _fizyki. Fale
elektromagnetyczne. Fale materii, PWN, Warszawa 1996.
4. W.Brański, M.Herman, L.Widomski  Zbiór zadań z fizyki - Elektryczność i magnetyzm PWN 1979
lub pózniejsze wznowienia.
Literatura pomocnicza:
R.P.Feynmann, Rb.Leighton, M.Sands, Feynmanna Wykady z Fizyki , PWN 2001
Ian Stewart,  Czy Bóg gra w koŃci?
Fizyka Ogólna Wykad I 2
Zjawiska w fizyce odbywaj si w czasie i w przestrzeni
Rozpi toŃł rozmiarów i mas wyst pujcych we
wszechŃwiecie jest ogromna
Skala czasowa jest teó bardzo szeroka:
wiek ziemi 5 109 lat H" 1,5 1017 s
wiek wszechŃwiata jest rz du 1010 lat
okres rozpadu niektórych pierwiastków
promieniotwórczych 1,8 1017 lat H" 5 1024 s
z drugiej strony skali
najkrótsze czas óycia czstek elementarnych 10-23 s
redni czas óycia czowieka 109 s
Celem fizyki jest wyszukiwanie (odkrywanie)
praw ogólnych - uniwersalnych
Fizyka Ogólna Wykad I 3
Oddziaywania fundamentalne
Oddziaywania Nat óenie czasy
wzgl dne charakterystyczny
[s]
grawitacyjne 5,9 10-39 -
elektromagnetyczne 7,5 10-3 10-20 - 10-16
silne (jdrowe) 1 10-24 - 10-23
sabe 10-5 10-10 - 10-8
Oddziaływanie grawitacyjne:
prawo powszechnego cióenia Newtona -
F = G m1 m2
prawdziwe gdy rozmiary cia o masach m1 i
r2
m2 s mae w porównaniu z promieniem r.
G = (6,6720 ą 0,0041) 10-11 N m2 kg-2 staa grawitacyjna
elektromagnetyczne
procesy emisji i absorpcji promieniowania elektromagnetycznego
ale równieó
Fizyka Ogólna Wykad I 4
spr óystoŃł, spójnoŃł, tarcie, waóne w wielu procesach chemicznych i biologicznych
np. prawo Coulomba
0 = (8,85418782 ą 0,00000007) 10-
Q1 Q2
1
12
F =
C2 N-1 m-2 - staa dielektryczna
4Ą

r2
0
próóni
Oddziaywanie grawitacyjne jest wi c duóo sabsze nió elektrostatyczne:
F e2 H" 4 1042
el
=
4 Ą G m2
F 
gr 0
dla dwóch elektronów
JesteŃmy w stanie obserwował oddziaywanie grawitacyjne tylko dlatego, óe z duó dokadnoŃci
zachowana jest oboj tnoŃł elektryczna cia.
Komentarz:
RównoŃci adunków protonu i elektronu (z dokadnoŃci do znaku) nie zakada si z góry!
RównoŃł ta bya wielokrotnie weryfikowana doŃwiadczalnie róónymi sposobami.
Obecnie uwaóa si , óe jest ona stwierdzona z dokadnoŃci lepsz nió 10-21 e, gdzie e adunek elementarny
elektronu.
Fizyka Ogólna Wykad I 5
Przykad:
Einstein usiowa wyjaŃnił pochodzenie pola magnetycznego Ziemi zakadajc ma róónic tych
adunków. Okazuje si , ó musiayby ona był wi ksza nió 10-19 e, gdzie e adunek elementarny.
Podobnie usiowano wyjaŃnił rozszerzanie si WszechŃwiata (Lyttleton i Bondi, 1959). Wymagaoby
to róónicy rz du 10-18 e.
Jak widał dopiero doŃwiadczenia przekonay nas, óe te i podobne hipotezy nie s prawdziwe.
Oddzia drowe):
ywania silne (j


odpowiedzialne przede wszystkim za wizanie nukleonów w jdra atomowe i za reakcje mi dzy
czstkami elementarnymi. Zasi g ma bardzo krótki ~ 10-15 m.
Oddzia abe:
ywania s


Powoduje spontaniczny rozpad niektórych jder atomowych w rozpadzie  i rozpady wielu czstek
elementarnych. Zasi g jego jest nieznany - szacuje si , óe jest on < 10-18 m.
Dowodzi si , óe w wysokich energiach ( > 100 GeV w ukadzie Ńrodka masy czstek oddziaujcych)
oddziaywania sabe i elektromagnetyczne zbiegaj si w jedno tzw. oddziaywanie elektromagnetosabe
(elektrosabe). Za t unifikacj przyznano w 1979 roku Nagrod Nobla z fizyki.
Fizyka Ogólna Wykad I 6
Oddzia si pól
ywania przenosz  w przestrzeni za pomoc


Istnienie pola jest równoznaczne z tak zmian wasnoŃci przestrzeni, óe na czstk obdarzon
odpowiedni wasnoŃci dziaa sia zwizana z danym polem.
Przykad: na czstk obdarzan mas w polu grawitacyjnym dziaa sia grawitacyjna.
Pola si polami wektorowymi - kaódemu punktowi przestrzeni przyporzdkowany jest odpowiedni
s


wektor
W przypadku pola skalarnego - kaódemu punktowi przestrzeni przyporzdkowuje si skalar
Przykad: pole temperatury
Pola mog mieł wasnoŃci kwantowe: wtedy zwizane z polem s korpuskuy (czstki).
Przykad: kwantem pola elektromagnetycznego jest foton
J zykiem fizyki jest matematyka:
analiza matematyczna - w mechanice klasycznej równania ruchu s równaniami
róóniczkowymi
analiza funkcjonalna - w mechanice kwantowej równania ruchu s równaniami operatorowymi
teoria pola
geometria róóniczkowa
teoria grup
Fizyka Ogólna Wykad I 7
Opis ruchu: kinematyka
Fizyka posuguje si przyblióeniami (idealizacjami, modelami)
Definicja
Punkt materialny jest punkt matematyczny obdarzony mas.
Punt materialny porusza si po torze.
r r
Tor opisuje funkcja r = r (t)
Tor zapisujemy w wybranym ukadzie wspórz dnych:
r
r (t) = (x(t), y(t),z(t)) kartezjańakie
r
r (t) = ( (t),(t),z(t) cylindryczne
r
r (t) = ( (t),(t),(t)) sferyczne
mog był inne ukady wspórz dnych - paraboliczne, hiperboliczne.....
Patrz np.: wikipedia: układ_współrzędnych {HYPERLINK: pl.wikipedi.org\wiki\Układ_współrzędnych}
Fizyka Ogólna Wykad I 8
Tor bywa nazywany kinematycznym równaniem ruchu.
Prosze nie mylił z dynamicznym równaniem ruchu.
Równanie toru otrzymuje si po wyrugowaniu z toru czasu.
Równanie toru otrzymuje si po wyrugowaniu z toru czasu.
Pr dkoŃł dana jest przez
r
r dr
gdzie podano przykład wektora
v =
dt prędkości we współrzędnych
r dx dy dz kartezjańskich
ł
v = ł , ,
ł ł
dt dt dt
ł łł
inaczej:
r r
dr d r dr r d
i
r
= (r ) = + r
i i
r r
dt dt dt dt
pr dkoŃł liniowa obrotowa
Podobnie przyspieszenie
r
2
r r
a = d
dt2
Fizyka Ogólna Wykad I 9
Przykad:
Dana jest zaleónoŃł pr dkoŃci od czasu w ruchu na paszczynie:
r r
r
v( t ) = 3 t2 i + 2 j
Std przyspieszenie ciaa:
r
r
a( t ) = 6 t i
a parametryczne równanie toru:
r r
r r r
r( t ) = +" v( t ) dt = t3i + 2 t j + r0
tor ciaa:
x ( t ) = t3 y ( t ) = 2 t
a std:
1
x ( y ) =
y3
8
Przykad: Punkt materialny porusza si na paszczynie.
Kinematyczne równania ruchu w ukadzie kartezjaskim
x = c t cos ( b t )
y = c t sin ( b t )
Fizyka Ogólna Wykad I 10
Kinematyczne równania ruchu w ukadzie biegunowym:
podstawienie: r = ct oraz  = bt daje
x = r cos 
y = r sin
rownanie toru otrzymuje si eliminujc czas

t =
b
c
r =  spirala Archimedesa
b
pr Ńł
 dkoŃł w tym ruchu
 Ńł
 Ńł
r r
r
& &
v = x i + y j
| v | = c 1 + b2 t
Przyspieszenie
r
2 2
r r
d v
x y
r
a = = d i + d j
dt
dt2 dt2
| a | = b c 4 + b2 t 2
Fizyka Ogólna Wykad I 11
Prawa dynamiki Newtona
Zasada wzgl dnoŃci Galileusza
Opisujc zjawiska mechaniczne czyni si to wzgl dem pewnego uk
adu odniesienia.


Prosz nie mylił z ukadem wspórz dnych...
Na ogó w róónych ukadach odniesienia prawa ruchu b d
miay inn postał. Przypadkowy dobór ukadu odniesienia moóe
spowodował powaóne komplikacje w opisie zjawiska.
Przykad pozorny ruch planet na niebie
{HYPERLINK: http://faculty.fullerton.edu/cmcconnell/Planets.html}
Istnieje jednak wyróóniona klasa ukadów odniesienia
(inercjalne uk
ady odniesienia),


w których speniona jest I zasada dynamiki Newtona:
jeóeli na dane ciao nie dziaa óadna sia to ciao to spoczywa bd porusza si ruchem jednostajnym
prostoliniowym.
Zasada wzgl dnoŃci Galileusza istnieje nie jeden a nieskoczenie wiele inercjalnych ukadów odniesienia
poruszajcych si wzgl dem siebie ruchem jednostajnym prostoliniowym. We wszystkich tych ukadach
przestrze i czas maj jednakowe wasnoŃci i jednakowe s w nich prawa mechaniki.
Z regu (ale nie zawsze!) przy analizie uk ugujemy si inercjalnymi
y adów mechanicznych pos 


uk
adami odniesienia.


Fizyka Ogólna Wykad I 12
Nie istnieje wi c absolutny ukad odniesienia - uprzywilejowany wzgl dem wszystkich innych.
Czy jednak doŃwiadczalnie moóna stwierdził istnienie inercjalnego ukadu odniesienia ?
Przecieó na to aby taki ukad istnia wszystkie siy dziaajce na dane ciao musz w nim znikał - jest to
wi c przyblióenie!
II prawo Newtona
Ze szkoy znacie je w postaci
r
r
F = m a
masa m jest miar bezwadnoŃci ciaa
Jej defincja jest waŃnie II zasada dynamiki Newtona.
Postał powyósza zakada staoŃł masy w czasie.
Ogólniejsza postał II zasady dynamiki
r
r
dp
F =
dt
r r
gdzie w mechanice klasycznej p d p a" m v .
Ta ogólniejsza postał obowizuje równiez poza mechnik klasyczn np. w mechanice relatywistycznej.
Twierdzenie o p dzie i pop dzie
r
t t Interpretacja:
1 1
r
dp
dt = F (t) dt
dziaanie siy kumuluje si w czasie: maa sia dziaajc dostatecznie dugo da
+" +"
dt
t t
0 0 taki sam skutek jak duóa sia dziaajc odpowiednio krótko
t
1
r
r r
p ( ) - p ( ) = F (t) dt
t1 t0
+"
t
0
Fizyka Ogólna Wykad I 13
Komentarz:
Czy takie sformuowanie prawa o p dzie i pop dzie zgadza si Wam z doŃwiadczeniem wasnym ?
Tarcie (rozpraszanie energii, dysypacja) zasadniczo nie naleóy do mechaniki - zwizane z nim sa tzw.  siy
niemechaniczne .
III zasada dynamiki Newtona
Gdy ciao A dziaa na ciao B to ciao B dziaa na ciao A z tak sam sia ale przecinie skierowan.
Komentarz:
Siy nie maj samodzielnego bytu
ciaa nie musz był w kontakcie mechnicznym: mog oddziaywac poprzez pola si
III zasada dynamiki Newtona jest milczcym postulatem o natychmiastowym przenoszeniu si
oddziaywa na dowoln odlegoŃł. Siy o takiej wasnoŃci nazywamy newtonowskimi.
Fizyka Ogólna Wykad I 14
Równania ruchu w mechanice klasycznej:
r r
2
jest to równanie wektorowe
r r r dr
m d = F wyp ( r, , t )
równowaóne 3 równaniom
dt
dt2
skalarnym:
r
2
Klasyfikacja równa ruchu
r dr
x
m d = F x ( r, , t )
Newtona:
dt
dt2
r
s to równania róóniczkowe
2
r dr
y
m d = F y ( r, , t )
zwyczajne II rz du.
dt
dt2
r
2
r dr
z
Rozwizaniem tych równa jest tor
m d = F z ( r, , t )
r
dt
dt2
r ( t )
czyli 3 funkcje:
x = x ( C1, C2 , C3 , C4 , C5 , C6 , t )
y = y ( C1, C2 , C3 , C4 , C5 , C6 , t )
z = z ( C1, C2 , C3 , C4 , C5 , C6 , t )
Rozwi ruchu daje wi  krzywych.
zanie równa  c rodzin
 
 
Rozwizania specyficzne dla zadanej sytuacji fizycznej znajduje si za pomoc warunków
pocz
tkowych


r
r
r ( t = 0 ) = r0
Warunek pocztkowy moóna zapisał w postaci:
r
r
v ( t = 0 ) = v0
Fizyka Ogólna Wykad I 15
x ( C1, C2 , C3 , C4 , C5 , C6 , t ) = x0
Jest to 6 równa algebraicznych na
niewiadome
y ( C1, C2 , C3 , C4 , C5 , C6 , t ) =
y0
stae Ci, i =1,...,6
z ( C1, C2 , C3 , C4 , C5 , C6 , t ) = z0
dx
( C1, C2 , C3 , C4 , C5 , C6 , t ) = vx
0
dt
dy
( C1, C2 , C3 , C4 , C5 , C6 , t ) = vy
0
dt
dz
( C1, C2 , C3 , C4 , C5 , C6 , t ) = vz
0
dt
PrzyczynowoŃł równa
Ńł ruchu:
Ńł
Ńł
JeŃli znane s:
r
r r
F, r0 , v0
r r
to moóna znaleł r( t )oraz v( t )w kaódej chwili t.
Dla wielu równa róóniczkowych zwyczajnych istniej ogólne metody ich rozwizywania.
W dalszym cigu wykadu, w elektrodynamice i optyce, spotkamy si z równaniami ruchu dla pola
elektromagnetycznego (równania Maxwella):
te równania s równaniami o pochodnych czstkowych


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
w1 wprowadzenie 08
w1 Wprowadzenie do przedmiotu Higiena zwierzat rzeznych i miesa
W1 Wprowadzenie do problematyki zarządzania jakością
PIO W1 Wprowadzenie do iznynierii oprogramowania
Prawa Newtona
W1 WPROWADZENIE Rozumienie emocji
Wykład 1 program wykładów W1 13 wprowadzenie
W1 2 Śr Podstawowe prawa obwodów elektry
wprowadz w1 (2)
W1 Makro I wprowadzenie
FO W2 Prawa zachowania

więcej podobnych podstron