1. SylabUZ
2. Wydział Nauk Inżynieryjno-Technicznych
3. semestr zimowy 2021/2022
4. Automatyka i robotyka - pierwszego stopnia z tyt. inżyniera
5. Fizyka dla inżynierów

Wygeneruj PDF dla tej strony

Fizyka dla inżynierów - opis przedmiotu

Cel przedmiotu

• zapoznanie studentów z podstawowymi prawami mechaniki klasycznej oraz opisem matematycznym prostych układów mechanicznych
•  zapoznanie studentów z podstawowymi pojęciami i zjawiskami związanymi z falami sprężystymi, w szczególności falami dźwiękowymi
•  zapoznanie studentów z podstawami termodynamiki fenomenologicznej jak i statystycznej
• zapoznanie studentów z podstawami zjawisk elektromagnetycznych, a w szczególności fizyki fal elektromagnetycznych
• zapoznanie studentów z podstawami teorii kwantowej i jej zastosowań do wybranych zjawisk fizyki ciał stałych oraz fizyki atomowej  
• nauczenie studentów analizy jakościowej oraz ilościowej prostych zjawisk  i procesów  w oparciu o przedstawione prawa ogólne
•  wyjaśnienie podstaw nowoczesnych technologii w oparciu o poznane prawa fizyki
•  nauczenie studentów metod analizy ilościowej prostych zagadnień obliczeniowych fizyki 

Wymagania wstępne

Zapisz zmiany

Analiza matematyczna, Algebra liniowa  z geometrią  analityczną 

Zakres tematyczny

Wstep. Język fizyki. Wielkości i miary. Równania. Wektory. Prawa fizyki, a teorie fizyczne. Aktualna perspektywa (fizyka klasyczna i fizyka współczesna; zasięg).

Mechanika .Kinematyka punktu materialnego. Ruch prostoliniowy i krzywoliniowy. Prędkość średnia. Prędkość chwilowa. Ruch po okręgu. Prędkość i przyspieszenie kątowe. Układy odniesienia. Prędkość względna. Kinematyczne równania ruchu. Składanie ruchów: rzut poziomy i ukośny.   

Dynamika punktu materialnego. Masa. pęd, siła. Zasady dynamiki Newtona. Zasada zachowania pędu. Tarcie. Formułowanie i rozwiązywanie dynamicznych równań ruchu. Przyspieszenie i siła dośrodkowa. Ruch w polu siły centralnej.

Grawitacja. Prawo powszechnego ciążenia. Ruch planet. Pojęcie pola. Natężenie i potencjał pola.

 Energia mechaniczna. Energia kinetyczna i potencjalna. Praca. Moc. Zasada zachowania energii mechanicznej. Zderzenia ciał: sprężyste i niesprężyste.

Mechanika bryły sztywnej. Pojęcie bryły sztywnej. Środek masy. Środek ciężkości. Moment bezwładności. Moment siły. Moment pędu. Zasada zachowania momentu pędu. Energia. Formułowanie i rozwiązywanie równań ruchu bryły sztywnej. Analogie pomiędzy wielkościami opisującymi ruch postępowy i obrotowy. Moment pędu atomu.

Ruch drgający. Przykłady. Opis: odchylenie, amplituda, okres, częstotliwość. Siła sprężysta. Drgania harmoniczne. Częstotliwość własna. Równania ruchu. Energia w ruchu harmonicznym. Drgania tłumione, stała tłumienia, czas relaksacji, logarytmiczny dekrement tłumienia. Drgania wymuszone. Rezonans.

  Ruch falowy. Ruch harmoniczny a fale. Fala a cząstka. Opis fali. Typy fal (podłużne, poprzeczne, płaskie, kuliste). Równania falowe. Prędkość i długość fali. Energia fali. Interferencja. Dyfrakcja. Fale stojące. Fale dżwiękowe. Układy drgające, źródła dźwięku. Dudnienie. Zjawisko Dopplera.   

Termodynamika. Ciepło i temperatura. Ilość ciepła. Kaloria. Temperatura. Ciało w równowadze termodynamicznej. Termometr. Skale temperatur. Zasady termodynamiki. Zasada zachowania energii w termodynamice (I prawo termodynamiki). Nieodwracalność zjawisk (II prawo termodynamiki). Entropia. Procesy termiczne. Cykl Carnota. Prawa gazów.  Kinetyczne teoria gazów. Gaz doskonały, model mikroskopowy. Zasada ekwipartycji energii, ciepła molowe. Równanie stanu van der Waalsa. Rozkład Maxwella i Boltzmanna. Ruchy Browna. Równanie Boltzmanna. Mikroskopowa definicja entropii.

  Elektromagnetyzm. Podstawowe prawa: prawo Coulomba, prawo Gaussa, prawo Ampere. Prawo Biota-Savarta, Prawo Faradaya-Lenza. Prąd przesunięcia Maxwella.  Równania Maxwella. Fale elektromagnetyczne. Rozwiązania równań Maxwella w prózni. Polaryzacja fal EM. Interferencja i dyfrakcja fal.

Szczególna Teoria Względności. Prędkość światła. Doświadczenie Michelsona-Morleya. Postulaty Einsteina i ich pierwsze konsekwencje: dylatacja czasu, skrócenie odległości, względność pojęcia równoczesności.  Czasoprzestrzeń, Diagramy czasoprzestrzenne. Przekształcenia Lorentza. Dodawanie prędkości. Dynamika: przekształcenia energii i pędu. Energia spoczynkowa. Związek masy i energii. Przykłady: spontaniczna kreacja cząstek, energia jądrowa. Relatywizm w zjawiskach elektromagnetycznych.

Elementarna Teoria kwantów. Cząstki czy Fale? Promieniowanie termiczne, modele ciała doskonale czarnego. Prawa promieniowania. Hipoteza Plancka: kwantowanie energii. Zjawisko fotoelektryczne: prawa, objaśnienie Einsteina .Hipoteza cząstek światła :fotony. Zjawisko Comptona. Przesunięcie do podczerwieni w polu grawitacyjnym. Hipoteza fal materii (de Broglie,1924). Interferencja wiązek elektronowych.

Zasada nieoznaczoności Heisenberga.

Funkcja falowa. Równanie Schrodingera. Cząstka swobodna, paczka falowa. Cząstka w jamie potencjału, tunelowanie. Oscylator harmoniczny. Reguły kwantowania.

Podstawowe postulaty mechaniki kwantowej: wartości średnie, prawa zachowania. Pomiar. Pomiar jednoczesny, reguły nieoznaczoności.  Kwantowanie momentu pędu, degeneracja poziomów energii. Struktura subtelna widma: zjawisko Sterna-Gerlacha, hipoteza spinu i jego kwantowanie.

 Przybliżona teoria atomów wieloelektronowych. Struktura elektronowa a własności chemiczne. Układ okresowy pierwiastków. Wiązania chemiczne: jonowe, kowalencyjne. siły van der Waalsa,

. Struktury ciałostałowe, rodzaje wiązań. Struktury krystaliczne, ich symetrie i defekty. Własności termiczne kryształów: ciepło molowe, teoria Einsteina-Debyea. Rodzaje wiązań :wiązania metaliczne .Teoria przewodnictwa elektrycznego w metalach. Pasmowa teoria ciał stałych. Twierdzenie Blocha. Pasmo walencyjne, pasmo przewodnictwa, przerwa energetyczna, poziom Fermiego.

Przewodnictwo elektronowe i przewodnictwo dziurowe. Półprzewodniki i ich elementarne własności. Zastosowania elementarne: złącza n-p, diody, tranzystory, układy scalone. Zjawiska fizyczne na styku dwóch metali.

Elementy optyki. 
 

Metody kształcenia

wykład: wykład konwencjonalny

ćwiczenia: ćwiczenia rachunkowe 

Efekty uczenia się i metody weryfikacji osiągania efektów uczenia się

Opis efektu	Symbole efektów	Metody weryfikacji	Forma zajęć

Warunki zaliczenia

Wykład - warunkiem zaliczenia jest uzyskanie co najmniej  60 % poprawnych odpowiedzi na końcowym teście  egzaminacyjnym   
Ćwiczenia - warunkiem zaliczenia jest uzyskanie co najmniej  60% pozytywnych ocen z kolokwiów pisemnych   
Na ocenę z przedmiotu składa się ocena z ćwiczeń (50%) i z egzaminu (50%). Warunkiem zaliczenia przedmiotu są pozytywne oceny z ćwiczeń i egzaminu 

Literatura podstawowa

1. Halliday D., Resnick R., Walker J.: Postawy fizyki, tomy 1–2, Mechanika klasyczna, PWN, 2005 
2. Halliday D., Resnick R., Walker J.: Postawy fizyki, tom 3 – Elektryczność, magnetyzm, PWN, 2005  
3. Halliday D., Resnick R., Walker J.: Postawy fizyki, tom 4 – Fale elektromagnetyczne, optyka, teoria względności, PWN, 2005 
4. Halliday D., Resnick R., Walker J.: Postawy fizyki, tom 5 – Fizyka kwantowa, fizyka ciała stałego, fizyka jądrowa, PWN, 2005 
 

Literatura uzupełniająca

1. Massalski J., Fizyka dla Inżynierów, T.1, WNT, 2005

. 2. Massalski J., Fizyka dla Inżynierów, T.2, Fizyka współczesna, WNT, 2005 

Uwagi

Zmodyfikowane przez dr hab. inż. Wojciech Paszke, prof. UZ (ostatnia modyfikacja: 19-04-2021 14:30)