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1
FIZYKA
dla
INŻYNIERÓW
Zbigniew Kąkol
Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej
Akademia Górniczo-Hutnicza
Kraków 2006
Spis treści
Spis treści...
............................................................................................................................
2
1 Wiadomości wstępne...
................................................................................................
12
1.1 Wielkości fizyczne, jednostki....
..........................................................................
12
1.2 Wektory ....
...........................................................................................................
13
1.2.1 Rozkładanie wektorów na składowe ...
........................................................
13
1.2.2 Suma wektorów ....
.......................................................................................
14
1.2.3 Iloczyn skalarny....
.......................................................................................
15
1.2.4 Iloczyn wektorowy ....
..................................................................................
15
2 Ruch jednowymiarowy....
............................................................................................
16
2.1 Wstęp ...
................................................................................................................
16
2.2 Prędkość ...
...........................................................................................................
16
2.2.1 Prędkość stała ...
...........................................................................................
16
2.2.2 Prędkość chwilowa ...
...................................................................................
17
2.2.3 Prędkość średnia ...
.......................................................................................
18
2.3 Przyspieszenie ....
.................................................................................................
19
2.3.1 Przyspieszenie jednostajne ...
.......................................................................
19
2.3.2 Przyspieszenie chwilowe....
.........................................................................
20
2.3.3 Ruch jednostajnie zmienny....
......................................................................
20
3 Ruch na płaszczyźnie...
................................................................................................
22
3.1 Przemieszczenie, prędkość i przyspieszenie ....
...................................................
22
3.2 Rzut ukośny ...
......................................................................................................
23
3.3 Ruch jednostajny po okręgu ...
.............................................................................
26
3.4 Ruch krzywoliniowy ....
.......................................................................................
28
4 Podstawy dynamiki ....
.................................................................................................
30
4.1 Wstęp ...
................................................................................................................
30
4.1.1 Oddziaływania podstawowe ...
.....................................................................
30
4.1.2 Masa ....
........................................................................................................
31
4.1.3 Pęd ...
............................................................................................................
31
4.1.4 Siła ...
............................................................................................................
31
4.2 Zasady dynamiki Newtona ....
..............................................................................
32
5 Wybrane zagadnienia z dynamiki...
.............................................................................
37
5.1 Siły kontaktowe i tarcie ...
....................................................................................
37
5.1.1 Tarcie ....
.......................................................................................................
37
5.2 Siły bezwładności ....
............................................................................................
39
6 Grawitacja....
................................................................................................................
43
6.1 Prawo powszechnego ciążenia ....
........................................................................
43
6.1.1 Doświadczenie Cavendisha ...
......................................................................
44
6.2 Prawa Keplera ruchu planet....
.............................................................................
46
6.3 Ciężar....
...............................................................................................................
47
6.3.1 Masa bezwładna i grawitacyjna...
................................................................
47
6.4 Pole grawitacyjne, pola sił...
................................................................................
48
Podsumowanie....
.................................................................................................................
50
Materiały dodatkowe do Modułu I ...
...................................................................................
51
I. 1. Średnia ważona...
.................................................................................................
51
2
I. 2. Ruch przyspieszony po okręgu...
.........................................................................
51
I. 3. Ruch w polu grawitacyjnym z uwzględnieniem oporu powietrza ....
..................
53
I. 4. Siła Coriolisa ...
....................................................................................................
54
I. 5. Prawa Keplera a zasady dynamiki Newtona ....
...................................................
56
Rozwiązania ćwiczeń z modułu I ...
.....................................................................................
58
Test I ....
................................................................................................................................
63
7 Praca i energia ....
.........................................................................................................
66
7.1 Praca wykonana przez siłę stałą...
.......................................................................
66
7.2 Praca wykonana przez siłę zmienną...
.................................................................
68
7.3 Energia kinetyczna ....
..........................................................................................
71
7.4 Moc....
..................................................................................................................
72
8 Zasada zachowania energii....
......................................................................................
74
8.1 Siły zachowawcze i niezachowawcze ...
..............................................................
74
8.2 Energia potencjalna ...
..........................................................................................
77
8.2.1 Energia potencjalna i potencjał pola grawitacyjnego ...
...............................
80
8.3 Zasada zachowania energii....
..............................................................................
82
9 Zasada zachowania pędu ...
..........................................................................................
86
9.1 Środek masy ....
....................................................................................................
86
9.2 Ruch środka masy...
.............................................................................................
87
9.3 Pęd układu punktów materialnych ....
..................................................................
89
9.4 Zasada zachowania pędu ...
..................................................................................
90
10 Zderzenia ....
.............................................................................................................
92
10.1 Zderzenia w przestrzeni jednowymiarowej....
.....................................................
92
10.2 Zderzenia na płaszczyźnie ...
................................................................................
95
Podsumowanie....
.................................................................................................................
98
Materiały dodatkowe do Modułu II....
.................................................................................
99
II. 1. Energia kinetyczna w układzie środka masy ...
....................................................
99
II. 2. Układy o zmiennej masie .....
.............................................................................
100
Rozwiązania ćwiczeń z modułu II.....
................................................................................
102
Test II.....
............................................................................................................................
107
11 Ruch obrotowy ....
..................................................................................................
110
11.1 Kinematyka ruchu obrotowego .....
....................................................................
110
11.2 Dynamika punktu materialnego.....
....................................................................
112
11.2.1 Moment pędu....
.........................................................................................
113
11.2.2 Zachowanie momentu pędu....
...................................................................
114
11.3 Ciało sztywne i moment bezwładności .....
........................................................
115
11.4 Ruch obrotowo-postępowy....
............................................................................
117
12 Ruch drgający .....
...................................................................................................
120
12.1 Siła harmoniczna, drgania swobodne .....
...........................................................
120
12.2 Wahadła ....
.........................................................................................................
122
12.2.1 Wahadło proste ....
......................................................................................
122
12.2.2 Wahadło fizyczne .....
.................................................................................
124
12.3 Energia ruchu harmonicznego prostego .....
.......................................................
125
12.4 Oscylator harmoniczny tłumiony .....
.................................................................
127
12.4.1 Straty mocy, współczynnik dobroci ....
......................................................
129
12.5 Drgania wymuszone oscylatora harmonicznego ....
...........................................
130
3
12.5.1 Rezonans.....
...............................................................................................
132
12.6 Składanie drgań harmonicznych.....
...................................................................
133
12.6.1 Składanie drgań równoległych .....
.............................................................
133
12.6.2 Składanie drgań prostopadłych.....
.............................................................
135
Podsumowanie.....
..............................................................................................................
136
Materiały dodatkowe do Modułu III ....
.............................................................................
137
III. 1. Ruch przyspieszony po okręgu....
..................................................................
137
III. 2. Obliczanie momentu bezwładności - przykład.....
.........................................
138
III. 3. Ruch precesyjny (bąk) ....
...............................................................................
139
III. 4. Równanie ruchu harmonicznego tłumionego ....
............................................
141
III. 5. Amplituda i faza w ruchu harmonicznym wymuszonym.....
.........................
142
III. 6. Moc absorbowana przez oscylator .....
...........................................................
143
III. 7. Składanie drgań metodą wektorową....
..........................................................
144
Rozwiązania ćwiczeń z modułu III .....
..............................................................................
146
Test III .....
..........................................................................................................................
149
13 Fale w ośrodkach sprężystych .....
..........................................................................
152
13.1 Fale mechaniczne .....
.........................................................................................
152
13.1.1 Rodzaje fal.....
............................................................................................
152
13.2 Rozchodzenie się fal w przestrzeni ....
...............................................................
155
13.3 Prędkość rozchodzenia się fal, równanie falowe....
...........................................
157
13.4 Przenoszenie energii przez fale ....
.....................................................................
159
13.5 Interferencja fal, fale stojące .....
........................................................................
160
13.5.1 Fale stojące .....
...........................................................................................
161
13.6 Analiza fal złożonych .....
...................................................................................
162
13.7 Dudnienia, modulacja amplitudy.....
..................................................................
164
13.8 Zjawisko Dopplera .....
.......................................................................................
166
14 Statyka i dynamika płynów ....
...............................................................................
169
14.1 Ciśnienie i gęstość....
.........................................................................................
169
14.2 Ciśnienie wewnątrz nieruchomego płynu ....
.....................................................
170
14.2.1 Pomiar ciśnienia (barometr) ....
..................................................................
171
14.3 Prawo Pascala i prawo Archimedesa.....
............................................................
172
14.4 Ogólny opis przepływu płynów....
.....................................................................
174
14.5 Równanie Bernoulliego .....
................................................................................
176
14.6 Dynamiczna siła nośna ....
..................................................................................
180
Podsumowanie.....
..............................................................................................................
181
Materiały dodatkowe do Modułu IV ....
.............................................................................
182
IV. 1. Prędkość grupowa ....
.....................................................................................
182
IV. 2. Prędkość fal w naprężonym sznurze (strunie).....
..........................................
183
Rozwiązania ćwiczeń z modułu IV .....
..............................................................................
185
Test IV .....
..........................................................................................................................
188
15 Kinetyczna teoria gazów i termodynamika I .....
....................................................
190
15.1 Ciśnienie gazu doskonałego .....
.........................................................................
190
15.2 Temperatura, równanie stanu gazu doskonałego.....
..........................................
193
15.2.1 Zerowa zasada termodynamiki .....
.............................................................
193
15.2.2 Kinetyczna interpretacja temperatury.....
...................................................
193
15.2.3 Równanie stanu gazu doskonałego.....
.......................................................
193
4
15.2.4 Pomiar temperatury, skale temperatur.....
..................................................
194
15.3 Ekwipartycja energii....
......................................................................................
195
15.4 Pierwsza zasada termodynamiki.....
...................................................................
197
15.5 Ciepło właściwe.....
............................................................................................
199
15.5.1 Ciepło właściwe przy stałej objętości....
....................................................
199
15.5.2 Ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu ....
.................................................
201
15.6 Rozprężanie izotermiczne i adiabatyczne....
......................................................
202
15.6.1 Rozprężanie izotermiczne....
......................................................................
202
15.6.2 Rozprężanie adiabatyczne ....
.....................................................................
202
16 Kinetyczna teoria gazów i termodynamika II.....
...................................................
204
16.1 Średnia droga swobodna.....
...............................................................................
204
16.2 Rozkład Maxwella prędkości cząsteczek .....
.....................................................
205
16.3 Równanie stanu Van der Waalsa .....
..................................................................
207
16.4 Procesy odwracalne i nieodwracalne, cykl Carnota .....
.....................................
208
16.4.1 Procesy odwracalne i nieodwracalne.....
....................................................
208
16.4.2 Cykl Carnota....
..........................................................................................
209
16.5 Entropia i druga zasada termodynamiki .....
.......................................................
211
16.5.1 Termodynamiczna skala temperatur.....
.....................................................
212
16.5.2 Entropia .....
................................................................................................
212
16.5.3 Entropia a nieuporządkowanie ....
..............................................................
214
16.6 Stany równowagi, zjawiska transportu.....
.........................................................
215
16.6.1 Stany równowagi .....
..................................................................................
215
16.6.2 Zjawiska transportu .....
..............................................................................
216
Podsumowanie.....
..............................................................................................................
218
Materiały dodatkowe do Modułu V ....
..............................................................................
220
V. 1. Rotacyjne i wibracyjne stopnie swobody cząsteczki wodoru ....
.......................
220
V. 2. Równanie Poissona dla przemiany adiabatycznej .....
........................................
220
V. 3. Sprawność silnika Carnota ....
............................................................................
221
V. 4. Sprawność silników cieplnych ....
......................................................................
223
V. 5. Przepływ ciepła ....
.............................................................................................
224
Rozwiązania ćwiczeń z modułu V ....
................................................................................
225
Test V .....
...........................................................................................................................
227
17 Pole elektryczne.....
................................................................................................
229
17.1 Ładunek elektryczny .....
....................................................................................
229
17.1.1 Kwantyzacja ładunku .....
...........................................................................
229
17.1.2 Zachowanie ładunku.....
.............................................................................
229
17.2 Prawo Coulomba .....
..........................................................................................
229
17.2.1 Zasada superpozycji .....
.............................................................................
231
17.3 Pole elektryczne.....
............................................................................................
232
18 Prawo Gaussa .....
...................................................................................................
235
18.1 Strumień pola elektrycznego ....
.........................................................................
235
18.2 Prawo Gaussa .....
...............................................................................................
237
18.3 Przykłady zastosowania prawa Gaussa I ....
.......................................................
238
18.3.1 Izolowany przewodnik .....
.........................................................................
238
18.3.2 Kuliste rozkłady ładunków - jednorodnie naładowana sfera....
.................
239
18.3.3 Kuliste rozkłady ładunków - jednorodnie naładowana kula ....
.................
239
5
Plik z chomika:
adelaf
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