Note de Curs Fizica

27
FIZICA Universitatea Ecologică din Bucureşti Facultatea de Inginerie Managerială i a Mediului Specializarea de licen ă: Inginerie Economică Industrială Curs pentru studenţii anului I (semestrul 1) Titularul cursului: şef de lucrări dr. Florin Căldăraru

description

fizica n c

Transcript of Note de Curs Fizica

  • FIZICA

    Universitatea Ecologic din BucuretiFacultatea de Inginerie Managerial i a Mediului

    Specializarea de licen: Inginerie Economic IndustrialCurs pentru studenii anului I (semestrul 1)

    Titularul cursului: ef de lucrri dr. Florin Cldraru

  • PREZENTAREA CURSULUI

    Statutul disciplinei: Obligatorie Anul de studii: I Semestrul: 1 Ore de curs: 28 Ore de laborator: 28 Credite: 4,5 Notare Verificare partiala (VP) in saptamana 7 (25%)

    Referatul unei lucrari de laborator (RL) in saptamana 14 (25%)Examen scris (E) (50%)

    Criterii de evaluare: Nivelul de calitate al cunotinelor i abilitile de operare (rezolvare de probleme, calitatea redactrii referatului).

    Promovarea: nota minima 5

  • LECTII

    C1 Tabloul sintetic al fizicii experimentale C2 Descrierea realitii n fizic. Mrimi fizice. Principii i legi. Model i experiment C3 Modelul punctului material. Principiile dinamicii. Lege de micare. Tipuri de fore C4 Propagarea interaciunilor. Oscilaii i unde C5 Legea gazului perfect. Ecuaia cinetic a gazelor C6 Stri de agregare i schimbri de stare. Principiile termodinamicii. Maini termice C7 Electrostatic. Electrocinetic. Magnetism C8 Ecuaiile lui Maxwell. Radiaii electromagnetice C9 Teoria relativitii C10 Propagarea luminii. Interaciunea cu substana C11 Modele atomice. Nucleul atomic i particule elementare C12 Jonciunea pn. Dioda. Tranzistorul. Circuitul integrat C13 Structura i dinamica Terrei C14 Notiuni de cosmologie. Modelul standard al Universului (teoria Big Bang)

  • APLICATII

    Msurarea mrimilor fizice. Uniti de msur i sisteme de uniti. Calculul erorilor. Reprezentarea grafic a msuratorilor

    Determinarea coeficientului de tensiune superficial prin metoda stalagmometric

    Studiul lentilelor. Bancul optic Studiul absorbiei luminii n substan. Spectrometrul Modelul ciocnirilor Producerea curentului electric alternativ (clasic i neconvenional) Aplicaii ale termodinamicii n biologie. Termodinamica ecosistemelor Aplicaii ale fenomenului de emisie a luminii n domeniul

    comunicaiilor

  • BIBLIOGRAFIE

    Florin Cldraru Elemente de fizic general pentru ingineri, curs universitar, Editura Cavallioti, Bucureti 2007

    tefan Ptracu Fizica, Elemente de mecanic clasic, curs universitar, Editura Ecologic, Bucureti 2001

    tefan Ptracu, Corina Tudor Lucrri practice de fizic, Editura Ecologic, Bucureti 2001

    Stephen Pople Fizica 2, seria Recapitulri prin diagrame, Editura All, Bucureti 2001

    Keith Gibbs Advanced Physics, 2nd edition, Cambridge University Press, Cambridge 1990

  • MASURAREA MARIMILOR FIZICE

    Msurarea mrimilor fizice fundamentale se face cu ajutorul etaloanelor. Exist etaloane pentru lungime, mas, timp i sarcinelectric. Pentru msurarea unora dintre mrimile fizice derivate, se folosesc aparate de msur n care etaloanele pentru mrimile fizice fundamentale sunt combinate astfel nct s rezulte noi etaloane.

    Rezultatul msurtorii este prezentat ntotdeauna n forma

    Erori sistematice , Erori aleatoare Eroarea absolut M = Mmas dM

    Eroarea relativ Abatere ptratic medie

    ( ) masur de unitateaMMM mas =

    nn

    22

    11

    dmmM...dm

    mMdm

    mMdM

    +++

    =

    masMdM=

    ( )1n

    MM2n

    1imi

    M

    ==

  • PRINCIPIILE DINAMICII (Isaac Newton, 1687)

    Principiul ineriei Orice corp tinde s-i pstreze starea de repaus relativ sau de micare rectilinie uniform, atta timp ct nu intervine aciunea unui alt corp care s-i modifice aceast stare.

    Principiul aciunii forei Dac un corp acioneaz asupra unui alt corp cu o for, i imprim acestuia o variaie de impuls direct proporional cu fora:

    unde este fora care actioneaz i n care , unde m este masa corpului asupra cruia se acioneaz i este viteza acestuia.

    Principiul aciunii i reaciunii Dac un corp acioneaz asupra altui corp cu o for, atunci acesta din urm reacioneaz asupra primului cu o for egali de sens contrar.

    dtpdFrr =

    vmp rr =

  • PRINCIPIILE DINAMICII

    Principiul de superpoziie (Simon Stevinus, 1585)Dac mai multe corpuri acioneaz simultan asupra aceluia corp, aciunea fiecruia este

    independent de toate celelalte, astfel nct

    Fora rezultant se obine adunnd forele, dou cte dou, cu regula paralelogramului. Principiile relativitii clasice (Galileo Galilei, 1590) Principiul I Legile fizicii sunt aceleai n toate sistemele de referin ineriale. Principiul II Timpul este o mrime fizic ce curge uniform, ntr-un singur sens

    (t>0), fr nici o legatur cu ceva extern.Legea de miscare

    Predicia care se realizeaz este complet determinist, n sensul c, dac se cunosc (prin msurare) poziia xo i viteza vo la momentul iniial, se determin, cu maxim precizie, poziia i viteza la orice moment de timp.

    n21 F...FFFrrrr +++=

    ( ) ( )[ ]ttzyxmtzyxFrr ,,,,,,,,rrr =

  • TIPURI DE FORTE

    Fora de frecare fora care se exercit la suprafaa de contact a dou corpuri, dintre care unul este n micare fa de celalalt

    Fora elastic fora care determin deformarea elastic a corpurilor

    Fora gravitaional fora cu care se atrag oricare dou corpuri

    Pentru Terra forta de greutate g = 10 m/s2

    xkFelrr =

    vfFrrr =

    2r

    mMF = gmG rr =

  • LUCRUL MECANIC I ENERGIA. LEGI DE CONSERVARE

    Lucrul mecanic Legi de conservareEnergia

    Impulsul

    Momentul cinetic

    Energia cinetica Teorema energiei cinetice Energia potentiala

    =2

    1rdFLrr

    c2c1c EEEL ==2

    c mv21E =

    mghmghmghGhGhE 2112p ===

    .constEEE pc =+=

    .constvmppi

    iii

    itot === rrr

    .constrmILi

    ii === rrr

  • OSCILAII I UNDE ELASTICE

    += tT2sinL)t(y

    ( )

    +== tT2cosL

    T2

    dttdy)t(v

    ( ) ( )

    +=== tT2sinL

    T4

    dttdv

    dttyd

    )t(a 22

    2

    2

    Principiul lui Huyghens (Christian Huyghens, 1678)Fiecare punct al unui front de undeste surs pentru fronturile urmatoare.Acest principiu afirm ca ntr-un mediu continuu interaciunile se propag din aproape n aproape.

  • LEGILE GAZELOR. TEORIA CINETICO

    MOLECULAR

    Legea Boyle Mariotte Legea Charles Legea Gay Lussac(transformarea izoterm) (transformarea izocor) (transformarea izobar)

    2211 VpVp =2

    2

    1

    1Tp

    Tp =

    2

    2

    1

    1TV

    TV =

    RTpV =

    KL/mol = 31,8R

    nkTpV =

    K/L1038,1NRk 23A

    == kT23Ec =

    Ecuatia de stare a gazului perfect

    Constanta universala a gazului perfect Constanta lui BoltzmanTeorema echipartitiei energiei

  • PRINCIPIILE TERMODINAMICII

    Principiul zeroAtunci cnd dou sisteme termodinamice sunt n contact termic schimbul de cldur este ntotdeauna de la sistemul cu temperatura mai mare ctre sistemul cu temperatura mai mic pn cnd se realizeaza echilibrul termic.

    Principiul ntiSistemele termodinamice evolueaz astfel nct variaia energiei interne se face pe seama cldurii cedate sau primite i a lucrului mecanic efectuat sau care se efectueaz asupra lui, conform relaiei

    Principiul al doilean decursul evoluiei n timp a sistemelor termodinamice entropia lor nu poate dect s creasc, conform relaiei

    Principiul al treileaPrin nici o experien fizic nu se poate atinge temperatura de 0 K.

    dQdLdU +=

    0T

    dQdS =

  • ECUAIILE LUI MAXWELL

    0E

    =v Er intensitatea cmpului electric (V/m)Br inducia cmpului magnetic (T)

    0B =vj densitatea de curent electric (A/cm2)

    densitatea de sarcin electric (C/cm3)q sarcina electric care se mic cu viteza vo permitivitatea dielectric a viduluio permeabilitatea magnetic a vidului

    tBE =rv

    tE1jB

    000

    +=rrv

    tj

    =r ED rr = inducia cmpului electric( )BvEqF rrrr += HB rr = intensitatea cmpului magnetic

    0tB1B 2

    2

    00

    2 =

    rr

    0tE1E 2

    2

    00

    2 =

    rr

    scm8

    001031 =

    Lumina este o unda electromagnetica

  • MODELUL ONDULATORIU

    Ecuatia undelor

    ( ) ( )kxtsinAt,xy +=( )

    +=x

    Tt2sinAt,xy

  • INTERFERENTA UNDELOR (1)

    122122

    21

    2

    21

    222

    111

    xx2cosAA2AAA

    x2t2sinAy

    yyy

    x2t2sinAy

    x2t2sinAy

    ++=

    +=

    +=

    +=

    +=

  • INTERFERENTA UNDELOR (2)

    21

    21

    21

    AAAn,...,2,1k ,kxx

    1xx2cos

    +====

    ( )21

    21

    21

    AAA

    n,...,2,1k ,2

    1k2xx

    1xx2cos

    ==+=

    =

  • DIFRACTIA

    sDi =

    Principiul lui Huyghens (Christian Huyghens, 1678)Fiecare punct al unui front de und este surs pentru fronturile urmatoare.

  • EXPERIENTA MICHELSON

  • TEORIA RELATIVITATII

    (1) Legile fizicii sunt aceleai n toate sistemele de referin ineriale.

    (2) Viteza luminii n vid este constant.

    2

    2

    2

    2

    2

    cu1

    cuxt

    't,z'z,y'y,

    cu1

    utx'x

    ===

    =

    2

    20

    cu1

    mm

    =

    2c'uv1

    u'vv++= 2mcE =

  • MODELE ATOMICE Radiaia corpului negru

    Efectul fotoelectric

    Experienta Frank Herz

    = hE1e

    hc8E Tk/ch5

    =

    ==hch 2

    mvh2

    +=

  • MODELUL RUTHERFORD (1)EXPERIMENTO folie de aluminiu este bombardata cu un flux de nuclee de heliu (aa numitele particule , ioni pozitivi de heliu), detectnd apoi particulele mprtiate sub diverse unghiuri. OBSERVATII(a) cele mai multe particule trec prin folia de aluminiu nedeviate;(b) un numr relativ mic de particule sunt mprtiate la 1800(napoi) de ctre folia de aluminiu;(c) un numr de particule , comparabil cu cel de la punctul sunt mprtiate sub diverse unghiuri, n acord cu legea lui Coulomb pentru fora electrostatic

  • MODELUL RUTHERFORD (2)Atomul este format dintr-un nucleu ncrcat electric pozitiv n jurul cruia electronii, ncrcai electric negativ, se mic pe traiectorii circulare concentrice, la fel cum planetele graviteaz n jurul Soarelui.

    Sarcinile electrice aflate n micare pierd n continuu energie prin radiaie, aa c, electronul aflat n micare de rotaie pe o traiectorie circular n jurul nucleului va sfri prin a cdea pe acesta datorit pierderii prin radiaie a energiei sale.

    elcp FF = 20

    22

    r4e

    rmv

    = mr4ev

    0

    22

    =

  • MODELUL BOHR SOMERFELD (1)

    (1) Electronul se mic n atom n jurul nucleului, fr s emitradiaii, numai pe anumite orbite care se numesc staionare.

    (2) Atomul poate s emit sau s absoarb energie radiant sau de alt natur numai la trecerea (tranziia) de pe o orbit (stare) staionar pe alta energia emis sau absorbit fiind dat de relaia:

    unde h este constanta lui Plank este frecvena radiaiei emise sau absorbiteEi, Ef sunt energiile strilor iniial, respectiv finalntre care se efectueaz tranziia

    fi EEh =

  • MODELUL BOHR SOMERFELD (2)

    Cuantificarea momentului impulsuluiNumarul cuantic energetic

    Numere cuantice(a) numrul cuantic orbital care descrie orientrile permise ale orbitei

    electronului i care poate lua valorile(b) numrul cuantic magnetic care descrie orientrile posibile ale cmpului

    magnetic generat de micarea electronului i care poate lua valorile:(c) numrul cuantic de spin care arat c un electron se nvrtete n jurul

    unei axe proprii fie n sensul acelor de ceasornic, fie n sens contrar acelor de ceasornic.

    = 2hnmvr

    2

    420

    4

    2n hme32

    n1E =

    n,...,2,1,0nl =

    n,...,2,1,0,...,1n,nnm =

    12

    n =

  • MECANICA CUANTICA (1) Experimentul Davison Germer (1929) Principii(1) Ecuaia lui Schrdinger

    (2) Principiul de superpozitieFuncia de und nu are semnificaie fizic. Ptratul amplitudinii acesteia reprezint probabilitatea de localizare a particulei.

    ( ) ( )t

    t,r2hit,rH

    =

    rr

    ( )[ ]t,rUEm8

    hH2 r+=

    ( ) 2t,rr

  • MECANICA CUANTICA (2)(3) Principiul de incertitudine

    Prin nici o experien fizic nu putem msura simultan, cu aceeai precizie, poziia i impulsul unei particule.

    (4) Principiul de excluziune (Wolfgang Pauli)Nu exist doi electroni dintr-un atom care s aib toate numerele cuantice identice.

    2hpx

    FIZICAPREZENTAREA CURSULUILECTIIAPLICATIIBIBLIOGRAFIEMASURAREA MARIMILOR FIZICEPRINCIPIILE DINAMICII (Isaac Newton, 1687)PRINCIPIILE DINAMICIITIPURI DE FORTELUCRUL MECANIC SI ENERGIA. LEGI DE CONSERVAREOSCILATII SI UNDE ELASTICELEGILE GAZELOR. TEORIA CINETICO MOLECULARAPRINCIPIILE TERMODINAMICIIECUATIILE LUI MAXWELLMODELUL ONDULATORIUINTERFERENTA UNDELOR (1)INTERFERENTA UNDELOR (2)DIFRACTIAEXPERIENTA MICHELSONTEORIA RELATIVITATIIMODELE ATOMICEMODELUL RUTHERFORD (1)MODELUL RUTHERFORD (2)MODELUL BOHR SOMERFELD (1)MODELUL BOHR SOMERFELD (2)MECANICA CUANTICA (1)MECANICA CUANTICA (2)