Wykłady z fizyki

Wykłady z fizyki

rok wydania: 2023, wydanie trzecie uzupełnione i poprawione
ISBN: 978-83-66867-49-9
ilość stron: 321
format: B5
oprawa: miękka

Opis

Książka jest trzecim wydaniem zapisu wykładów z fizyki, które od wielu lat prowadzę dla studentów różnych kierunków studiów w Politechnice Śląskiej. Różnice w programach powodują, że zestaw zagadnień opisanych w książce znacznie wykracza poza materiał kursu fizyki dla konkretnego kierunku studiów.

Główną zmianą w stosunku do wydania drugiego jest opracowany od nowa rozdział poświęcony cząstkom elementarnym i podstawom Modelu Standardowego. Uzupełniony został opis zjawisk termoelektrycznych. Poprawiono zauważone błędy edytorskie. W związku z różnym stopniem przygotowania słuchaczy wykładów, a prawdopodobnie również Czytelników, starałem się, na ile jest to oczywiście możliwe, przekazać podstawowe wiadomości z fizyki w sposób usystematyzowany, bez odwoływania się do wcześniej zdobytej wiedzy. Na końcu Czytelnik znajdzie rozdział poświęcony przydatnym w korzystaniu z podręcznika wiadomościom z matematyki. Zakładam, że korzystający z książki mieli wcześniej kontakt z fizyką, przynajmniej na poziomie podstawowym i znają matematykę w zakresie szkoły średniej.

W książce znajdziecie Państwo wiadomości ze wszystkich podstawowych działów fizyki. Moim celem było ich przedstawienie w formie możliwie skondensowanej, jednak bez utraty logiki wyprowadzeń. Dlatego w większości przypadków starałem się wychodzić od podstawowych praw i zasad, i przedstawiać tok rozumowania prowadzący do kolejnych wniosków. Unikałem stwierdzeń: „jak powszechnie wiadomo”, „po prostych przekształceniach otrzymujemy”, itp. Starałem się przedstawiać pełne wyprowadzenia większości wzorów. Zrezygnowałem natomiast z odniesień do historii fizyki, opisywania przykładów zastosowań praktycznych opisywanych zjawisk, czy przedstawiania rozwiązań wybranych zadań. Moim zdaniem temu celowi służą wykłady i ćwiczenia. Podręcznik ma przede wszystkim ułatwić przygotowanie się do zajęć i egzaminów i umożliwić szybkie znalezienie potrzebnych definicji, praw i wzorów. Proszę jednak pamiętać, że podręcznik nie jest pełnym kursem fizyki ogólnej. Brak w nim na przykład szerszego przedstawienia wiadomości z optyki geometrycznej, opisu prądu elektrycznego w gazach i elektrolitach, itd. Są to zagadnienia, które nie wchodzą w standardy kształcenia inżynierów w zakresie fizyki i dlatego zostały pominięte. Nie oznacza to, że nie mogą się okazać przydatne. Część z nich jest omawiana w ramach innych przedmiotów wykładanych na studiach technicznych.

Mam nadzieję, że książka spotka się z życzliwym przyjęciem Czytelników, a studentom ułatwi „przebrnięcie” przez fizykę. Jeżeli książka ta przyczyni się do dostrzeżenia przez studentów, że fizyka nie jest zbiorem oderwanych wzorów i regułek, ale nauką logiczną, mającą zastosowanie do opisu otaczającego nas świata, to będę to uważał za największy sukces. Przygotowując trzecie, uzupełnione i poszerzone wydanie podręcznika korzystałem z uwag przekazanych przez dotychczasowych Czytelników. Dotyczyły one tak błędów edycyjnych, jak i fragmentów niejasnych lub wymagających uzupełnienia. Poprawiłem również kilka dostrzeżonych błędów o charakterze merytorycznym. Chcę w tym miejscu podziękować wszystkim, którzy przyczynili się do poprawienia poziomu merytorycznego i edycyjnego książki. Jednocześnie proszę o przekazywanie wszelkich uwag dotyczących niniejszego wydania. Na pewno w nie udało mi się również w nim uniknąć błędów. Wszelkie uwagi proszę przekazywać pocztą elektroniczną na adres jerzy.bodzenta@polsl.pl. Podobnie jak w przypadku poprzednich wydań, jeżeli będzie to konieczne, przygotuję erratę, która będzie dostępna na Platformie Zdalnej Edukacji Politechniki Śląskiej. Uwagi Czytelników są dla mnie niezmiernie cenne i za wszystkie z góry dziękuję.
Jerzy Bodzenta

Spis treści

1. Wstęp / 15

2. Ruch i jego opis / 17
2.1 Kinematyka punktu materialnego / 17
2.2 Kinematyka bryły sztywnej / 20

3. Przyczyny ruchu / 23
3.1 Dynamika ruchu postępowego / 23
3.1.1 Pierwsza zasada dynamiki Newtona / 23
3.1.2 Druga zasada dynamiki Newtona / 23
3.1.3 Trzecia zasada dynamiki Newtona / 25
3.2 Inercjalne i nieinercjalne układy odniesienia / 25
3.2.1 Inercjalne układy odniesienia. Zasada względności Galileusza / 25
3.2.2 Nieinercjalne układy odniesienia. Siły bezwładności / 26
3.2.3 Obracający się układ odniesienia / 27
3.3 Dynamika ruchu obrotowego / 30
3.3.1 Druga zasada dynamiki dla ruchu obrotowego / 30
3.3.2 Moment bezwładności / 31
3.4 Precesja, żyroskopy / 34
3.4.1 Precesja / 34
3.4.2 Żyroskopy / 35
3.5 Praca i moc / 36

4. Siły tarcia / 39
4.1 Tarcie suche / 39
4.2 Tarcie lepkie / 40

5. Potencjalne pola sił / 41
5.1 Pole / 41
5.2 Potencjalne pole sił. Siły zachowawcze / 42
5.3 Energia kinetyczna i potencjalna / 44
5.4 Pole grawitacyjne i elektrostatyczne / 46
5.5 Natężenie i potencjał pola / 48
5.6 Prawo Gaussa / 50

6. Mechanika płynów / 55
6.1 Prawo ciągłości strugi / 55
6.2 Równanie Bernoulliego / 56
6.3 Przepływ laminarny i turbulentny / 58

7. Elementy szczególnej teorii względności / 61
7.1 Transformacja Lorentza / 61
7.2 Wnioski z transformacji Lorentza / 65
7.2.1 Składanie prędkości / 65
7.2.2 Długość ciał w różnych układach odniesienia / 66
7.2.3 Czas trwania zdarzeń w różnych układach / 67
7.3 Pęd i energia w mechanice relatywistycznej / 68
7.4 Interwał / 72

8. Elementy fizyki cząsteczkowej i termodynamiki / 75
8.1 Ruchy cieplne molekuł / 75
8.2 Ciśnienie gazu na ściankę / 77
8.3 Równanie stanu gazu doskonałego / 80
8.4 Gaz van der Waalsa / 81
8.5 Zasada ekwipartycji energii / 82
8.6 Rozkład prędkości Maxwella / 83
8.7 Wzór barometryczny i rozkład Boltzmanna / 88
8.8 Rozkład Maxwella-Boltzmanna / 90
8.9 Zasady termodynamiki / 90
8.9.1 Pierwsza zasada termodynamiki / 91
8.9.2 Druga zasada termodynamiki / 91
8.10 Entropia / 92
8.11 Cykl Carnota / 93
8.12 Potencjały termodynamiczne / 95
8.12.1 Energia wewnętrzna 95
8.12.2 Energia swobodna / 95
8.12.3 Entalpia / 96
8.12.4 Termodynamiczny potencjał Gibbsa / 96

9. Kinetyka fizyczna / 97
9.1 Przewodnictwo cieplne, dyfuzja, lepkość / 97
9.2 Średnia droga swobodna a współczynniki w równaniach transportu / 98
9.3 Prąd elektryczny / 101
9.3.1 Prawa Kirchhoffa / 102
9.3.2 Praca i moc prądu elektrycznego / 104

10. Drgania / 105
10.1 Drgania harmoniczne / 105
10.2 Energia w ruchu drgającym / 106
10.3 Wahadło matematyczne / 107
10.4 Drgania tłumione / 108
10.5 Drgania wymuszone. Rezonans / 111
10.6 Drgania w obwodzie RLC / 113

11. Fale sprężyste / 115
11.1 Charakterystyka ogólna fal / 115
11.2 Równanie fali sprężystej. Fala płaska / 116
11.3 Równanie falowe / 118
11.4 Prędkość fal sprężystych a właściwości ośrodka / 119
11.5 Energia fali sprężystej / 121
11.6 Równanie fali kulistej / 124
11.7 Fale akustyczne / 125
11.8 Zjawisko Dopplera dla fal akustycznych / 126

12. Pole elektryczne w materii / 129
12.1 Dipol elektryczny / 129
12.2 Polaryzacja dielektryka / 130
12.2.1 Polaryzacja elektronowa / 131
12.2.2 Polaryzacja orientacji / 132
12.2.3 Polaryzacja jonowa / 134
12.3 Ferroelektryki / 134
12.4 Ładunki związane / 135
12.5 Pole elektryczne w dielektryku / 137
12.6 Wektor indukcji elektrycznej / 138
12.7 Energia pola elektrycznego / 139
12.8 Piezoelektryki / 139
12.9 Pole elektryczne w przewodnikach. Pojemność elektryczna 140
12.10 Kondensatory / 142

13. Pole magnetyczne / 147
13.1 Prawo Biota-Savarta / 147
13.2 Prawo Ampere’a / 149
13.3 Siła Lorentza / 150
13.4 Siła działająca na przewodnik z prądem w polu magnetycznym 150
13.5 Ramka z prądem w polu magnetycznym / 151
13.6 Magnesowanie / 152
13.6.1 Diamagnetyki / 152
13.6.2 Paramagnetyki / 155
13.6.3 Ferromagnetyki 155
13.7 Zjawisko indukcji elektromagnetycznej / 157
13.7.1 Prądy wirowe / 157
13.8 Samoindukcja i indukcja wzajemna. Indukcyjność / 158
13.9 Energia pola magnetycznego / 161

14. Równania Maxwella / 163
14.1 Prawo Gaussa dla pola elektrycznego i magnetycznego / 163
14.2 Uogólnienie zasady indukcji elektromagnetycznej / 163
14.3 Uogólnienie prawa Ampere’a / 164
14.4 Pełny układ równań Maxwella / 166

15. Fale elektromagnetyczne / 167
15.1 Równania falowe dla fal elektromagnetycznych / 167
15.2 Płaska fala elektromagnetyczna / 168
15.3 Energia fal elektromagnetycznych / 171
15.4 Oddziaływanie fal elektromagnetycznych z materią. Dyspersja / 172
15.5 Modulacja fal. Prędkość grupowa / 174
15.6 Promieniowanie ładunku punktowego / 176
15.7 Zjawisko Dopplera dla fal elektromagnetycznych / 177

16. Elementy optyki / 181
16.1 Światło / 181
16.2 Fala świetlna na granicy dwóch ośrodków / 182
16.3 Optyka geometryczna / 186
16.4 Optyka falowa / 187
16.4.1 Interferencja fal / 187
16.4.2 Fale stojące / 188
16.4.3 Dyfrakcja światła / 190
16.4.4 Polaryzacja światła 193

17. Promieniowanie cieplne. Kwantowa natura światła / 195
17.1 Prawo Kirchhoffa / 196
17.2 Prawo Stefana-Boltzmanna / 197
17.3 Prawo Wiena / 197
17.4 Równowagowa gęstość energii a zdolność emisyjna / 198
17.5 Fale stojące w przestrzeni trójwymiarowej / 200
17.6 Wzór Rayleigha-Jeansa / 201
17.7 Wzór Plancka / 202
17.8 Korpuskularna natura światła / 204
17.8.1 Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne / 205
17.8.2 Zjawisko Comptona / 205

18. Elementy mechaniki kwantowej / 209
18.1 Hipoteza de Broglie’a / 209
18.2 Zasada nieoznaczoności Heisenberga / 209
18.3 Równanie Schr ̈odingera 211
18.4 Sens fizyczny funkcji falowej / 212
18.5 Cząstka w studni potencjału. Kwantowanie energii / 213
18.6 Kwantowanie momentu pędu / 215
18.7 Kwantowy oscylator harmoniczny / 217
18.8 Zjawisko tunelowe / 218

19. Budowa atomu a właściwości materii / 221
19.1 Pierwsze modele atomu / 221
19.1.1 Model Thomsona / 221
19.1.2 Model Rutherforda / 222
19.2 Postulaty Bohra 222
19.2.1 Opis atomu wodoru w teorii Bohra / 224
19.3 Opis atomu wodoru w mechanice kwantowej / 224
19.4 Atomy metali alkalicznych, spin elektronu / 226
19.4.1 Spin elektronu / 226
19.5 Moment mechaniczny i magnetyczny atomu / 228
19.6 Zjawisko Zeemana / 229
19.7 Zakaz Pauliego / 229

20. Lasery / 231
20.1 Emisja wymuszona / 231
20.2 Zasada działania lasera / 232

21. Budowa ciał stałych / 235
21.1 Ciała krystaliczne i bezpostaciowe / 235
21.2 Siły międzyatomowe / 236
21.3 Wiązania w ciałach stałych / 237
21.3.1 Wiązania jonowe / 238
21.3.2 Wiązania walencyjne / 238
21.3.3 Wiązania metaliczne / 238
21.3.4 Wiązania wodorowe i molekularne / 239
21.4 Drgania sieci krystalicznej / 239
21.4.1 Przybliżenie harmoniczne / 240
21.4.2 Fonony / 240
21.4.3 Anharmonizm drgań sieci. Rozszerzalność cieplna ciał stałych / 241

22. Właściwości elektryczne ciał stałych / 243
22.1 Pasma energetyczne w kryształach / 243
22.2 Struktura pasmowa a właściwości elektryczne ciał stałych / 245
22.2.1 Metale / 245
22.2.2 Półprzewodniki / 246
22.2.3 Dielektryki / 246
22.3 Dynamika elektronów w sieci krystalicznej / 246
22.4 Metale / 248
22.4.1 Gaz elektronowy. Funkcja gęstości stanów / 248
22.4.2 Obsadzenie poziomów energetycznych w pasmach. Rozkład Fermiego-Diraca / 250
22.4.3 Przewodnictwo elektryczne metali / 253
22.4.4 Przewodnictwo cieplne metali, prawo Wiedemanna-Franza / 255
22.4.5 Nadprzewodnictwo / 257
22.5 Półprzewodniki / 258
22.5.1 Charakterystyka ogólna / 258
22.5.2 Dziury / 259
22.5.3 Samoistne przewodnictwo elektryczne / 259
22.5.4 Domieszkowe przewodnictwo elektryczne / 262
22.5.5 Procesy generacji i rekombinacji / 267

23. Zjawiska kontaktowe / 269
23.1 Praca wyjścia / 269
23.2 Kontaktowa różnica potencjałów / 270
23.3 Zjawiska termoelektryczne / 271
23.3.1 Zjawisko Seebecka / 271
23.3.2 Zjawisko Peltiera / 272
23.3.3 Zjawisko Thomsona / 273
23.4 Złącze p-n / 273
23.5 Wybrane przyrządy elektroniczne / 275
23.5.1 Dioda / 275
23.5.2 Tranzystor bipolarny / 276
23.5.3 Tranzystor unipolarny / 279
23.5.4 Fotoogniwo / 280
23.6 Złącze metal-półprzewodnik / 281

24. Elementy fizyki jądrowej / 285
24.1 Jądro atomu 285
24.2 Energia wiązania jądra / 286
24.3 Modele jądra atomowego / 287
24.3.1 Model kroplowy / 287
24.3.2 Model powłokowy / 287
24.4 Siły jądrowe / 287
24.5 Promieniotwórczość / 288
24.5.1 Prawo przemian promieniotwórczych / 288
24.5.2 Rozpad α / 289
24.5.3 Rozpad β / 290
24.5.4 Inne procesy promieniotwórcze / 290
24.5.5 Aktywność substancji promieniotwórczej / 290
24.6 Reakcje jądrowe i rozszczepienie jąder / 291

25. Elementy modelu standardowego / 293
25.1 Cząstki elementarne, rodzaje oddziaływań / 293
25.2 Kwarki / 296
25.3 Model Standardowy / 297
25.3.1 Oddziaływanie silne / 297
25.3.2 Oddziaływanie elektromagnetyczne / 297
25.3.3 Oddziaływanie słabe / 298
25.3.4 Oddziaływanie grawitacyjne / 298
25.3.5 Cząstki podstawowe / 298

26. Trochę matematyki / 301
26.1 Wektory / 301
26.2 Pochodna / 303
26.3 Całka / 304
26.4 Rozwinięcie funkcji w szereg / 306

27. Dodatki / 309
27.1 Niektóre stałe fizyczne / 309
27.2 Przedrostki wielokrotne i podwielokrotne / 310
27.3 Jednostki układu SI / 310
27.4 Wybrane jednostki pochodne układu SI / 310
27.5 Niektóre używane jednostki spoza układu SI / 311
27.6 Alfabet grecki / 311
27.7 Średnia i niepewność standardowa średniej / 311
27.8 Regresja prostoliniowa / 311