FIZYKA POMOC DLA KANDYDATÓW NA UCZELNIE TECHNICZNE I MEDYCZNE

Wstęp.........................................................................................................................str. 11

I. MECHANIKA ....................................................................................................................13

Kinematyka – nauka o ruchu ..........................................................................................13

Pojęcia fizyczne................................................................................................................14

Składanie wektorów prędkości........................................................................................16

Odejmowanie wektorów .................................................................................................17

Ruch jednostajny prostoliniowy.......................................................................................18

Ruch jednostajnie przyspieszony po linii prostej.............................................................19

Dynamika.........................................................................................................................24

I zasada dynamiki – zasada bezwładności........................................................................24

II zasada dynamiki: gdy działa niezrównoważona siła.....................................................25

III zasada dynamiki: zasada akcji i reakcji.........................................................................26

Pęd ciała, popęd siły ........................................................................................................29

Zasada zachowania pędu.................................................................................................30

Układy inercjalne i nieinercjalne......................................................................................31

Ruch jednostajny po okręgu ............................................................................................34

Przyspieszenie dośrodkowe w ruchu jednostajnym po okręgu.......................................35

Siła dośrodkowa i odśrodkowa w układzie inercjalnym...................................................36

Odśrodkowa siła bezwładności w układzie wirującym (nieinercjalnym) .........................37

Praca ...............................................................................................................................39

Moc – praca wykonana w jednostce czasu......................................................................39

Energia potencjalna ciężkości..........................................................................................40

Energia kinetyczna...........................................................................................................43

Energia mechaniczna.......................................................................................................45

Swobodne spadanie ciał ..................................................................................................47

Rzut pionowy ...................................................................................................................48

Rzut poziomy – gdy ciału nadajemy prędkość w kierunku poziomym.............................48

Rzut ukośny......................................................................................................................50

Tarcie ...............................................................................................................................53

Prawo grawitacji .............................................................................................................56

Siła grawitacji, a ciężar ciała.............................................................................................57

Wyznaczanie masy Ziemi.................................................................................................57

Natężenie pola grawitacyjnego........................................................................................59

Praca w polu grawitacyjnym, gdy zmienia się siła grawitacji...........................................61

Potencjał grawitacyjny (V)...............................................................................................63

Związek między natężeniem, a potencjałem grawitacyjnym...........................................63

I prędkość kosmiczna.......................................................................................................64

Satelita stacjonarny .........................................................................................................66

II prędkość kosmiczna......................................................................................................67

Dynamika bryły sztywnej................................................................................................68

Ruch postępowy i obrotowy............................................................................................68

Energia kinetyczna w ruchu obrotowym bryły sztywnej..................................................69 T

Twierdzenie Steinera .......................................................................................................71 

Ruch ciał na równi pochyłej.............................................................................................72

Moment siły.....................................................................................................................73

I zasada dynamiki dla ruchu obrotowego........................................................................74

II zasada dynamiki dla ruchu obrotowego.......................................................................75

III zasada dynamiki dla ruchu obrotowego......................................................................75

Moment pędu..................................................................................................................75

Zasada zachowania momentu pędu ................................................................................76

Uzupełnienie wiadomości z dynamiki ruchu obrotowego...............................................76

Przykładowe zadania z ruchu obrotowego......................................................................77

Zestawienie popularnych wzorów w ruchu postępowym i obrotowym..........................79

II. TERMODYNAMIKA..........................................................................................................81

Energia wewnętrzna, ciepło i temperatura .....................................................................81

Temperatura....................................................................................................................81

Ciepło...............................................................................................................................82

Pierwsza zasada termodynamiki ....................................................................................83

Zerowa zasada termodynamiki.......................................................................................84

Gazy .................................................................................................................................84

Ciśnienie gazu ..................................................................................................................85

Izotermiczna przemiana gazu ..........................................................................................86

Izochoryczna przemiana gazu..........................................................................................88

Izobaryczna przemiana gazu............................................................................................89

Adiabatyczna przemiana gazu .........................................................................................90

Równanie Clapeyrona......................................................................................................92

Ciepło molowe ܥ ௣i ܥ௩ .....................................................................................................93

Gazy rzeczywiste..............................................................................................................95

Zmiany stanu skupienia ..................................................................................................97

Ilustracja przemian fazowych ..........................................................................................98

Zmiany energii podczas przemian fazowych....................................................................99

Zależność temperatury topnienia od ciśnienia wywieranego na te ciała ......................101

Równanie gazu rzeczywistego – równanie Van der Waalsa ..........................................102

Parowanie i wrzenie.......................................................................................................102

Wilgotność względna i bezwzględna .............................................................................104

II zasada termodynamiki...............................................................................................104

Silnik Carnota.................................................................................................................105

Entropia .........................................................................................................................107

III. HYDROSTATYKA I HYDRODYNAMIKA...........................................................................110

Prawo Pascala................................................................................................................110

Równania cieczy w naczyniach połączonych..................................................................111

Paradoks hydrostatyczny...............................................................................................111

Prawo Archimedesa.......................................................................................................112

Warunki pływania ciał....................................................................................................113

Wyznaczanie gęstości ciał stałych..................................................................................113

Wyznaczanie gęstości cieczy..........................................................................................114

Hydrodynamika – ciecz w ruchu....................................................................................116

Równanie ciągłości cieczy ..............................................................................................116

Prawo Bernoulliego........................................................................................................116

IV. ELEKTROMAGNETYZM..................................................................................................119

Elektrostatyka ...............................................................................................................119

Prawo Coulomba............................................................................................................120

Przykłady oddziaływania ładunków...............................................................................121

Pole elektryczne.............................................................................................................122

Linie sił pola elektrycznego............................................................................................123

Prawo Gaussa ................................................................................................................124

Praca w polu elektrostatycznym....................................................................................126

Związek między natężeniem a potencjałem..................................................................128

Rozmieszczenie ładunku na przewodniku .....................................................................129

Wyładowania atmosferyczne.........................................................................................130

Wyznaczenie ładunku elementarnego...........................................................................131

Doświadczenie R.A. Millikana........................................................................................132

V i E na kuli metalowej (przewodniku)...........................................................................132

Ruch ładunku elektrycznego w polu elektrycznym jednorodnym.................................133

Pojemność elektryczna ..................................................................................................134

Pojemność kuli...............................................................................................................135

Kondensatory (płaskie)..................................................................................................136

Łączenie kondensatorów...............................................................................................137

Dielektryki w kondensatorach .......................................................................................138

Energia naładowanego kondensatora ...........................................................................139

Zadania ..........................................................................................................................140

Prąd elektryczny............................................................................................................144

Natężenie prądu elektrycznego.....................................................................................145

Prawo Ohma..................................................................................................................145

Prawo Ohma w innej postaci.........................................................................................147

Łączenie oporów............................................................................................................147

Praca i moc prądu elektrycznego...................................................................................149

Ogniwa galwaniczne ......................................................................................................153

Ogniwo Leclanchego......................................................................................................154

Wyznaczanie oporu wewnętrznego ogniwa..................................................................156

Łączenie ogniw w baterie ..............................................................................................156

II prawo Kirchhoffa ........................................................................................................157

Zmiana zakresu pomiaru natężenia prądu i napięcia.....................................................158

Metody pomiaru oporów ..............................................................................................159

Dzielnik napięcia. Potencjometr....................................................................................160

Zjawisko termoelektryczne............................................................................................161

Pole magnetyczne .........................................................................................................161

Pole magnetyczne ziemskie...........................................................................................162

Pole magnetyczne wytworzone przez prąd płynący w przewodnikach o różnych kształtach ......................................................................................................162

Doświadczenie Oersteda ...............................................................................................162

Prawo Ampera...............................................................................................................163

Prawo Biota i Savarta.....................................................................................................164

Pole magnetyczne w zwojnicy (solenoidzie, cewce)......................................................165

Siła elektrodynamiczna..................................................................................................166

Strumień wektora B ⃗ (φ_B).........................................................................................168

Siła Lorentza...................................................................................................................168

Cyklotron .......................................................................................................................170

Oscyloskop.....................................................................................................................171

Ramka z prądem w polu magnetycznym.......................................................................172

Substancja w polu magnetycznym.................................................................................172

Wyjaśnienie zjawisk magnetycznych widzianych przez obserwatorów w mikroświecie.............174

Paramagnetyki...............................................................................................................174

Diamagnetyki.................................................................................................................175

Ferromagnetyki..............................................................................................................175

Indukcja elektromagnetyczna.......................................................................................177

Prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya .............................................................177

Reguła Lenza..................................................................................................................178

Zjawisko samoindukcji...................................................................................................182

Prądnica prądu zmiennego............................................................................................183

Natężenie i napięcie skuteczne......................................................................................185

Transformator................................................................................................................187

Opór i samoindukcja w obwodzie prądu zmiennego.....................................................188

Pojemność i opór w obwodzie prądu zmiennego..........................................................190 ܴ

, ܮ ,ܥ w obwodzie prądu zmiennego............................................................................191

Rezonans napięć w obwodach  ܮ ,ܥ............................................................................192

Obwody ܥܮ.................................................................................................................... 193

Obwody LC zamknięte i otwarte....................................................................................195

Fale elektromagnetyczne...............................................................................................195

Energia pola elektromagnetycznego..............................................................................197

Praca i moc w obwodach ܴ, ܮ,ܥ.................................................................................... 197

Równania Maxwella.......................................................................................................198

V. RUCH HARMONICZNY...................................................................................................201

Wychylenie, prędkość, siła i przyspieszenie w ruchu harmonicznym............................202

Zależność energii w ruchu harmonicznym od czasu .....................................................205

Odkształcenia sprężyste ciał. Prawo Hooke’a................................................................205

Wahadło matematyczne................................................................................................208

Wahadło fizyczne...........................................................................................................210

Drgania nietłumione......................................................................................................211

Drgania tłumione...........................................................................................................212

Drgania wymuszone.......................................................................................................213

Składanie drgań harmonicznych....................................................................................214

VI. FALE MECHANICZNE......................................................................................................217

Fale poprzeczne.............................................................................................................217

Fale podłużne.................................................................................................................217

Podstawowe wiadomości o falach.................................................................................218

Zasada Huygensa ...........................................................................................................218

Odbicie fali.....................................................................................................................219

Prawo odbicia fali ..........................................................................................................220

Załamanie fali.................................................................................................................220

Interferencja fal – nakładanie fal...................................................................................222

Akustyka.........................................................................................................................224

Natężenie dźwięku (I) ....................................................................................................227

Rozchodzenie się fal dźwiękowych. Echo i pogłos.........................................................229

Szybkość rozchodzenia się dźwięku...............................................................................230

Rezonans akustyczny .....................................................................................................230

Zjawisko Dopplera .........................................................................................................232

VII. OPTYKA..........................................................................................................................235

Odbicie światła...............................................................................................................235

Rozpraszanie światła......................................................................................................235

Zwierciadło płaskie ........................................................................................................235

Zwierciadło kuliste.........................................................................................................236

Zwierciadło kuliste wklęsłe............................................................................................237

Zwierciadło kuliste wypukłe...........................................................................................239

Aberracja sferyczna zwierciadła.....................................................................................240

Załamanie światła..........................................................................................................240

Całkowite wewnętrzne odbicie światła. Kąt graniczny..................................................242

Światło jednobarwne w pryzmacie................................................................................243

Soczewki ........................................................................................................................244

Zdolność skupiająca soczewki........................................................................................247

Soczewki rozpraszające..................................................................................................247

Rozszczepienie światła białego w pryzmacie.................................................................251

Przyrządy optyczne........................................................................................................253

Dyfrakcja i interferencja światła ....................................................................................258

Doświadczenie Younga ..................................................................................................258

Siatka dyfrakcyjna..........................................................................................................259

Polaryzacja światła.........................................................................................................260

Polaryzacja światła przy odbiciu od dielektryka ............................................................261

Polaryzacja światła w kryształach..................................................................................261

Promieniowanie ciała doskonale czarnego: ..................................................................262

Prawa Kirchhoffa............................................................................................................263

Prawo Wiena .................................................................................................................264

Prawo Stefana – Boltzmanna.........................................................................................264

Barwy ciał świetle przechodzącym i odbitym................................................................264

Fotometria.....................................................................................................................265

Natężenie źródła światła albo światłość ........................................................................265

Strumień świetlny..........................................................................................................265

Natężenie oświetlenia ...................................................................................................265

Porównanie natężeń źródła światła...............................................................................266

VIII. FIZYKA WSPÓŁCZESNA..................................................................................................267

Zjawisko fotoelektryczne...............................................................................................270

Doświadczenia z fotokomórką.......................................................................................272

Kwant energii.................................................................................................................273

Fale materii de Broglie’a................................................................................................273

Mikroskop elektronowy.................................................................................................274

Cząstka w „studni potencjału”.......................................................................................275

Efekt tunelowy...............................................................................................................276

Zjawisko Comptona .......................................................................................................276

Budowa atomu ..............................................................................................................277

Atom wodoru.................................................................................................................279

Widma absorpcyjne.......................................................................................................282

Liczby kwantowe............................................................................................................283

Promieniowanie rentgenowskie (oznaczenie: X)...........................................................286

Dyfrakcja promieni X......................................................................................................287

Widmo ciągłe i charakterystyczne promienie X.............................................................288

Jądro atomowe..............................................................................................................289

Energia wiązania w jądrze atomowym ..........................................................................291

Energia jądrowa.............................................................................................................292

Rozpad promieniotwórczy , , ..................................................................................295

Prawo rozpadu promieniotwórczego ............................................................................296

Wyjaśnienie rozpadu ∝..................................................................................................297

Wyjaśnienie rozpadu ߚ..................................................................................................298

Metody wykrywania cząstek elementarnych ................................................................299

IX. ELEMENTY FIZYKI CIAŁA STAŁEGO................................................................................301

Rodzaje wiązań między atomami...................................................................................301

Półprzewodniki typu n...................................................................................................303

Półprzewodniki typu p...................................................................................................304

Dioda półprzewodnikowa..............................................................................................305

Tranzystor......................................................................................................................306

Fotodioda.......................................................................................................................307

Dioda świecąca .............................................................................................................308

Fotoogniwo....................................................................................................................308

X. ELEMENTY TEORII WZGLĘDNOŚCI ................................................................................309

XI. ASTROFIZYKA.................................................................................................................313

Podstawowe wiadomości o Słońcu................................................................................313

Gwiazdy .........................................................................................................................314

Fotometria gwiazdowa ..................................................................................................315

Diagram Hertzsprunga – Russella ..................................................................................316

Rodzaje gwiazd ..............................................................................................................316

Gwiazdy regularnie zmienne – cefeidy ..........................................................................317

Gwiazdy supernowe.......................................................................................................318

Galaktyki ........................................................................................................................318

Prawo Hubble’a .............................................................................................................319

XII. WIADOMOŚCI UZUPEŁNIAJĄCE....................................................................................321

Zderzenia sprężyste centralne.......................................................................................321

Zderzenia sprężyste ukośne...........................................................................................322

Zderzenia niesprężyste ..................................................................................................323

Elementy rachunku różniczkowego i całkowego tylko do bardzo prostych obliczeń ....324

Niepewności pomiarowe. Dyskusja błędu.....................................................................326

Napięcie powierzchniowe i włoskowatość ....................................................................328