Zadania - Gimnazjum nr 1 w Lublinie

FIZYKA W GIMNAZJUM
W PIGUŁCE
(materiały wspomagające przygotowanie do egzaminu gimnazjalnego –
FIZYKA)
Opracowanie
Iwona Jagła-Izdebska
Gimnazjum nr 1
Lublin
1
ODDZIAŁYWANIA
Ciało fizyczne to każdy przedmiot lub organizm żywy będący przedmiotem badań fizyki. Substancja to materiał, z
którego zbudowane jest ciało.
Ciała fizyczne oddziałują na siebie wzajemnie. Oddziaływania mogą być:
 grawitacyjne
 magnetyczne
 elektrostatyczne
 jądrowe.
Skutki oddziaływań mogą być:
 statyczne – związane z odkształceniem ciała
 dynamiczne – związane z ruchem ciała
Miarą oddziaływań jest siła. Siła jest wielkością wektorową. Oznacza to, że ma cztery cechy: kierunek, zwrot, wartość
i punkt przyłożenia. Jednostką siły jest niuton (1N). Wartość siły można wyznaczyć za pomocą siłomierza.
Siła wypadkowa to siła zastępująca działanie kilku sił składowych. Proces, który prowadzi do wyznaczenia siły
wypadkowej nazywamy składaniem sił. Można wyróżnić kilka przypadków składania sił:
- składanie sił działających wzdłuż jednej prostej (o tym samym kierunku):
- o zgodnych zwrotach,
- o przeciwnych zwrotach,
- składanie sił działających wzdłuż różnych prostych (o różnych kierunkach) – metoda równoległoboku.
Dwie siły działające na jedno ciało, o tych samych wartościach i kierunkach, ale o przeciwnych zwrotach nazywamy
siłami równoważącymi się (wypadkowa tych sił równa jest 0).
WŁAŚCIWOŚCI I BUDOWA MATERII
Ciało fizyczne znajduje się w jednym z trzech stanów skupienia: stanie stałym, stanie ciekłym i stanie gazowym (lotnym).
Właściwości fizyczne danego ciała to: stan skupienia, barwa, zapach, gęstość, połysk, temperatura wrzenia, temperatura
topnienia, rozpuszczalność, przewodnictwo cieplne, przewodnictwo elektryczne.
Właściwości ciał stałych
Do właściwości mechanicznych ciał stałych należą: twardość (np. kamień), kruchość (np. kreda), plastyczność (np.
plastelina), sprężystość (np. guma, sprężyna). Ciała stałe mają określony kształt i trudno zmienić ich objętość (nie są
ściśliwe). Objętość ciała stałego można wyznaczyć metodą wypierania przez to ciało cieczy z naczynia. Niektóre ciała stałe są
dobrymi przewodnikami ciepła i elektryczności (np. metale). Ciała stałe, które nie przewodzą elektryczności (ciepła)
nazywamy izolatorami elektrycznymi (cieplnymi). Izolatorami elektrycznymi są np. szkło w temperaturze pokojowej,
tworzywa sztuczne. Izolatorem cieplnym jest np. styropian.
Właściwości cieczy
Ciecze nie mają określonego kształtu, przybierają kształt naczynia, w którym się znajdują. Ich górną poziomą
powierzchnię, samorzutnie wytwarzana przez ciecze nazywamy powierzchnią swobodną. Trudno zmienić objętość cieczy (nie
są ściśliwe). Są one najczęściej złymi przewodnikami ciepła. Ciecze, które przewodzą prąd elektryczny nazywamy
elektrolitami. Ciecze, które nie przewodzą prądu elektrycznego nazywamy nieelektrolitami.
Konwekcja to unoszenie ciepła (w cieczach i gazach) polegające na samorzutnym wypływaniu cieplejszej cieczy lub
gazu ku górze. Zjawisko konwekcji obserwujemy np. podczas ogrzewania wody w czajniku na palniku gazowym.
Właściwości gazów
Gazy nie mają określonego kształtu, przybierają kształt naczynia, w którym się znajdują. Samorzutnie wypełniają całą
dostępną im przestrzeń. Są ściśliwe (można zmniejszyć ich objętość) i rozprężliwe (można zwiększyć ich objętość). Są złymi
przewodnikami ciepła i prądu elektrycznego. W pewnych warunkach może nastąpić krótkotrwały przepływ prądu
elektrycznego przez gazy, np. błyskawice, jarzeniówki. Gazy wywierają nacisk na ciała, które się w nich znajdują.
Budowa materii
Wszystkie ciała zbudowane są z cząsteczek, które są w ciągłym ruchu. Cząsteczki zbudowane są z atomów. Substancje
zbudowane z jednakowych atomów nazywamy pierwiastkami, a substancje, których cząsteczki zbudowane są z różnych
atomów nazywamy związkami chemicznymi.
Średnie odległości między cząsteczkami ciał w różnych stanach skupienia są różne, podobnie jak siły
międzycząsteczkowe działające pomiędzy cząsteczkami tych ciał. Najmniejsze odległości między cząsteczkami (i
jednocześnie największe siły międzycząsteczkowe) występują w ciałach stałych. Największe odległości między cząsteczkami
(i jednocześnie najmniejsze siły międzycząsteczkowe) występują w gazach.
Atomy lub cząsteczki danej substancji mogą być ułożone w różny sposób. Kryształy to ciała stałe, w których atomy lub
cząsteczki układają się w regularną sieć, zwaną siecią krystaliczną. Ciała bezpostaciowe to ciała stałe o nieuporządkowanej
strukturze wewnętrznej.
2
O nieustannym ruch cząsteczek ciał stałych, cieczy i gazów przekonują nas następujące zjawiska:
dyfuzja – zjawisko samorzutnego mieszania się dwóch różnych, stykających się ze sobą ciał (ciał stałych, cieczy lub
gazów), zachodzące na skutek ruchu cząsteczek. Dyfuzja najszybciej zachodzi w gazach, najwolniej w ciałach
stałych. Szybkość dyfuzji zależy od temperatury – im wyższa temperatura tym cząsteczki szybciej się poruszają.
Dyfuzja substancji przez błonę to osmoza.
 ruchy Browna – chaotyczne ruchy maleńkich cząstek substancji (np. pyłków) wywołane bezładnymi ruchami
cząsteczek środowiska otaczających te cząstki.

Oddziaływania międzycząsteczkowe
Siły wzajemnego oddziaływania między cząsteczkami nazywany siłami międzycząsteczkowymi. Siły te występują
tylko przy bardzo małych odległościach między cząsteczkami.
Wyróżniamy dwa rodzaje sił międzycząsteczkowych:
 siły spójności – występują pomiędzy cząsteczkami tej samej substancji (np. cząsteczki wody – cząsteczki wody,
cząsteczki drewna – cząsteczki drewna)
 siły przylegania – występują pomiędzy cząsteczkami różnych substancji (np. cząsteczki wody – cząsteczki szkła,
cząsteczki szkła – cząsteczki rtęci)
Siły te: spójność i przyleganie decydują o tworzeniu się menisku. Menisk to zjawisko zakrzywiania się powierzchni
cieczy w miejscu zetknięcia się z ciałem stałym. Rodzaj menisku zależy od rodzaju cieczy i materiału, z którego zrobione jest
naczynie. Jeśli siły spójności cieczy są większe od sił przylegania cząsteczek cieczy do naczynia tworzy się menisk wypukły
(np. siły spójności miedzy cząsteczkami rtęci są większe niż siły przylegania cząsteczek rtęci do cząsteczek szkła). Jeśli siły
spójności cieczy są mniejsze od sił przylegania cząsteczek cieczy do naczynia tworzy się menisk wklęsły (np. siły spójności
miedzy cząsteczkami wody są mniejsze niż siły przylegania cząsteczek wody do cząsteczek szkła). Zjawisko powstawania
„cienkiej błony” na powierzchni cieczy nazywamy napięciem powierzchniowym. Napięcie to można zmniejszyć poprzez
dodanie do cieczy detergentu.






Zmiany stanów skupienia
Wszystkie substancje mogą zmieniać swój stan skupienia. Zmiany stanów skupienia to:
parowanie – zjawisko fizyczne polegające na przejściu substancji ze stanu ciekłego w stan gazowy (lotny)
zachodzące na powierzchni cieczy . Parowanie danej cieczy zachodzi w dowolnej temperaturze, ale poniżej jej
temperatury wrzenia. Wrzenie to parowanie całą objętością po doprowadzeniu cieczy do odpowiedniej temperatury,
zwanej temperaturą wrzenia. Jest to wielkość charakterystyczna dla danej cieczy.
Szybkość parowania zależy od rodzaju cieczy, temperatury, wielkości powierzchni parującej, ruchu powietrza w
otoczeniu parującej cieczy, wilgotności powietrza.
skraplanie – zjawisko fizyczne polegające na przejściu substancji ze stanu lotnego w stan ciekły
topnienie – zjawisko fizyczne polegające na przejściu substancji ze stanu stałego w stan ciekły. Ciała o budowie
krystalicznej przechodzą w stan ciekły w określonej temperaturze, zwanej temperaturą topnienia. Jest to wielkość
charakterystyczna dla danego ciała o budowie krystalicznej. Temperatura topnienia jest równa temperaturze
krzepnięcia.
krzepnięcie – zjawisko fizyczne polegające na przejściu substancji ze stanu ciekłego w stan stały
sublimacja – zjawisko fizyczne polegające na przejściu substancji ze stanu stałego w stan gazowy (lotny)
resublimacja – zjawisko fizyczne polegające na przejściu substancji ze stanu gazowego w stan stały.
W Polsce temperaturę mierzymy w stopniach Celsjusza (oC), ale jednostką temperatury w Układzie SI jest kelwin (K).
0 C = 273 K, czyli 0 K = - 273 oC.
o
Rozszerzalność temperaturowa (termiczna, cieplna) ciał
Ogrzewane ciała stałe, ciecze i gazy zwiększają swoją objętość. Im wyższa ich temperatura, tym cząsteczki, z których
są zbudowane, poruszają się szybciej. Jeśli obniżymy temperaturę objętość ich zmniejsza się. Największą rozszerzalnością
objętościową charakteryzują się gazy, najmniejszą zaś ciała stałe. Rozszerzalność temperaturowa ciał stałych i cieczy zależy
od rodzaju substancji. Większość gazów rozszerza się tak samo, niezależnie od ich rodzaju.
Ciała stałe pod wpływem wysokiej temperatury mogą się wydłużać (pod wpływem niskiej temperatury – kurczyć).
Zjawisko takie nazywamy rozszerzalnością liniową.
Rozszerzalność temperaturowa ciał ma duże znaczenie praktyczne. Zjawisko to musi być uwzględniane podczas
budowy przewodowych linii napowietrznych, konstrukcji budowlanych np. mostów, torów kolejowych (przerwy
dylatacyjne). Rozszerzalność temperaturowa znalazła zastosowanie w termometrach cieczowych, bimetalu.
Prawie wszystkie substancje podczas krzepnięcia zmniejszają swoją objętość (zmniejszają się odległości między
cząsteczkami). W przypadku wody obserwujemy zjawisko anomalnej rozszerzalności cieplnej. Polega ono na zmniejszaniu
się objętości wody w miarę wzrostu temperatury od 0 oC do 4 oC. Woda o temperaturze 4 oC ma największą gęstość.
Masa a ciężar.
Masa (m) jest miarą ilości substancji. Jest wielkością, która ujawnia się podczas wprawiania ciała w ruch lub zatrzymania go.
Jednostką masy w Układzie SI jest kilogram – kg. Dla danego ciała masa jest wielkością stałą. Masę wyznaczamy za pomocą
wagi. Ważenie polega na porównywaniu ciężaru ważonego ciała z ciężarem odważników. Ciężar (Fg) to siła, z jaka Ziemia
przyciąga daną masę ciała. Jednostką ciężaru jest niuton (1 N ). Ciężar ciała możemy obliczyć ze wzoru:
3
Fg =
m g
m – masa ciała (kg)
g – przyspieszenie ziemskie ( 9,81
N
N
, w przybliżeniu 10
).
kg
kg
Z podanego wzoru po odpowiednim przekształceniu możemy obliczyć masę ciała ( m 
przyspieszenia ziemskiego ( g

Fg
m
Fg
g
) lub wartość
).
Masę możemy także wyrazić m.in. w miligramach, gramach, dekagramach, tonach.
1 t = 1000 kg =1000 000 g
1 kg = 100 dag = 1000 g
1 dag = 10 g = 0,01 kg
1 g = 1000 mg = 0,01 dag = 0,001 kg
Ciężar możemy wyrazić m.in. w miliniutonach, niutonach, kiloniutonach.
1N = 1000 mN
1mN = 0,001 N
1kN = 1000 N
1N = 0,001 kN
Gęstość.
Gęstość to wielkość fizyczna określająca masę substancji zawartą w jednostkowej objętości. Gęstość dla danej
substancji jest wielkością stałą w określonej temperaturze. Jednostką gęstości jest
Gęstość obliczamy ze wzoru: d =
kg
g
(
).
3
cm 3
m
m
.
V
m – masa substancji (kg)
V – objętość substancji (m3)
Z podanego wzoru po odpowiednim przekształceniu możemy obliczyć masę ciała ( m  d  V ) lub jego objętość
(V

m
).
d
ELEMENTY HYDROSTATYKI I AEROSTATYKI
Siła nacisku na podłoże, parcie, ciśnienie
Nacisk ciała na podłoże nazywamy parciem. Siła parcia jest zawsze skierowana prostopadle do powierzchni, na którą
działa. Wartość parcia działającego na jednostkowe pole powierzchni nazywamy ciśnieniem (p).
Ciśnienie obliczamy ze wzoru: p =
Fn
S
p – ciśnienie (Pa)
Fn – siła nacisku (N)
S – pole powierzchni, na którą działa siła nacisku (m2)
Ciśnienie jest wielkością liczbową. Jednostką ciśnienia jest pascal (1 Pa). 1 pascal to ciśnienie, jakie wywiera
siła nacisku 1 N na pole powierzchni 1 m2 .
1Pa =
1N
1m 2
Z podanego wzoru po odpowiednim przekształceniu możemy obliczyć siłę nacisku (Fn= p
na które działa siła nacisku (S =
 S ) lub pole powierzchni,
Fn
).
p
Ciecze i gazy wywierają nacisk na ścianki naczyń (pomieszczeń), w których się znajdują i na wszystkie ciała w nich się
znajdujące.
Prawo Pascala
Ciśnienie w gazach i cieczach rozchodzi się we wszystkich kierunkach jednakowo. Prawo to dotyczy niewielkich
zbiorników cieczy i gazów.
4
Im bardziej gaz sprężony (im więcej cząsteczek uderza o ścianki naczynia wywierając na nie większy nacisk) tym
większe jest jego ciśnienie.
Prawo Pascala znalazło zastosowanie przy budowie prasy hydraulicznej.
S1
S2
Ponieważ, zgodnie z prawem Pascala w obu naczyniach musi panować takie samo ciśnienie p możemy zapisać:
p=
F1
S1
p=
F2
S2
F1 F2
=
S1 S 2
F2 = F 1

S2
S1
Oznacza to, że wartość siły F2 uzyskanej za pomocą prasy jest tyle razy większa od siły F 1 (czyli siły włożonej), ile
razy powierzchnia tłoka dużego S2 jest większa od powierzchni tłoka małego S1. Działając małą siłą możemy zrównoważyć
dużą siłę działająca na większy tłok.
Ciśnienie hydrostatyczne
Ciśnienie hydrostatyczne jest to ciśnienie wywierane przez ciecz pod wpływem jej ciężaru. Ciśnienie panujące w
dowolnym punkcie cieczy zależy od dwóch czynników:
 głębokości – im większa głębokość, tym większe ciśnienie
 gęstości cieczy – im większa gęstość, tym większe ciśnienie
Ciśnienie hydrostatyczne można obliczyć ze wzoru: p =   g  h
p – ciśnienie cieczy (Pa)
ρ – gęstość cieczy (kg/m3)
g – przyspieszenie ziemskie (10 N/kg)
h – wysokość słupa cieczy (m)
Z podanego wzoru po odpowiednim przekształceniu możemy obliczyć wysokość słupa cieczy (h =
gęstość (  =
p
) lub jej
g
p
).
gh
Ciśnienie atmosferyczne
Ciśnienie atmosferyczne jest spowodowane ciężarem powietrza. Ciśnienie atmosferyczne równe 1013,25 hPa (760 mm
słupa rtęci) nazywane jest ciśnieniem normalnym. Zazwyczaj ciśnienie atmosferyczne nie jest równe tej wartości, zależy od
zmian pogody. Jeśli ciśnienie spada – pogoda się pogarsza, jeśli rośnie – zapowiada to poprawę pogody. Im wyżej nad
powierzchnią Ziemi, tym ciśnienie atmosferyczne maleje. Do pomiaru ciśnienia służą: manometry, barometry.
W naczyniach połączonych wypełnionych cieczą o tej samej gęstości poziom w każdym z ramion jest jednakowy.
5
Gdy w ramionach naczyń znajdują się ciecze o różnych gęstościach, wówczas wyższy poziom cieczy jest w tym
ramieniu, w którym znajduje się ciecz o mniejszej gęstości.
Prawo Archimedesa
Na każde ciało zanurzone w cieczy lub gazie działa siła wyporu skierowana ku górze i równa co do wartości ciężarowi
wypartej cieczy lub wypartego gazu. Na ciała o jednakowej objętości działa taka sama siła wyporu. Siła ta nie zależy od
kształtu ciała. Zależy od:
 objętości zanurzonej części ciała – im ona większa, tym większa siła wyporu
 gęstości cieczy, w której ciało jest zanurzone – im ona większa, tym większa siła wyporu
Pływanie ciał
Warunki pływania ciał:
1. Ciało tonie w cieczy, jeśli jego gęstość jest większa od gęstości cieczy.
2. Ciało jest całkowicie zanurzone w cieczy (nie opada na dno i nie wypływa na powierzchnie cieczy), jeśli jego
gęstość jest równa gęstości cieczy.
3. Ciało zanurzone w cieczy wypływa na jej powierzchnię, jeśli jego gęstość jest mniejsza od gęstości cieczy.
KINEMATYKA
Ruch jest zmianą położenia ciała względem punktu lub układu odniesienia. Nie jest możliwe ustalenie, czy dane ciało
jest w ruchu, czy w spoczynku, bez wyboru układu odniesienia.
Ciało może być w ruchu względem jednego ciała, a jednocześnie w spoczynku względem ciała drugiego. Na tym
polega tzw. względność ruchu.
Elementami opisującymi ruch są między innymi: tor, droga, przemieszczenie i prędkość.
Tor jest to linia, po której ciało się porusza.
Droga (s) jest to długość odcinka toru. Jednostką drogi w Układzie SI jest metr (m).
Przemieszczenie jest wektorem, którego początek leży w początkowym, a koniec w końcowym położeniu ciała.
Wartość przesunięcia jest równa odcinkowi drogi przebytej w danym czasie tylko wtedy, gdy torem jest linia prosta.
Ze względu na kształt toru można wyróżnić ruch prostoliniowy i krzywoliniowy.
Ruch jednostajny prostoliniowy
Ruch jednostajny prostoliniowy jest to taki ruch, którego torem jest linia prosta, a prędkość (v) ma wartość stałą. W
ruchu jednostajnym prostoliniowym droga zwiększa się proporcjonalnie do czasu (w jednakowych przedziałach czasu ciało
pokonuje jednakowe odcinki drogi), co przedstawia zależność:
s  vt
s – droga (m)
v – prędkość (m/s)
t – czas trwania ruchu (s)
Prędkość jest to stosunek wektora przemieszczenia do czasu, w którym to przemieszczenie nastąpiło:
v
s – droga (m)
v – prędkość (m/s)
6
s
t
t – czas trwania ruchu (s)
Jednostką prędkości w Układzie SI jest: m/s. Prędkość jest wektorem.
Wykres zależności drogi od czasu w tym ruchu:
Wykres zależności prędkości od czasu w tym ruchu:
Ruch niejednostajny
Ruch, podczas którego prędkość ciała zmienia swoja wartość w miarę upływu czasu nazywa sie ruchem
niejednostajnym. Dla tego ruchu charakterystyczne są: prędkość chwilowa i prędkość średnia.
Prędkość chwilowa to prędkość ciała w danej chwili.
Prędkość średnia to iloraz przemieszczenia przez czas trwania ruchu:
v śr 
s
t
s – droga (m)
vśr – prędkość (m/s)
t – czas trwania ruchu (s)
Ruch jednostajnie przyśpieszony prostoliniowy
Ruch jednostajnie przyśpieszony prostoliniowy jest to taki ruch, którego tor jest linią prostą, a prędkość zwiększa się w
jednostce czasu stale o tę samą wartość. Prędkość tego ruchu jest wprost proporcjonalna do czasu jego trwania, a przebyta
droga jest wprost proporcjonalna do kwadratu czas:
at 2
s
2
s – droga (m)
a – przyspieszenie (m/s2)
t – czas (s)
Przekształcenia wzoru:
a
2s
oraz t 
t2
2s
.
a
Długości dróg pokonywanych w kolejnych sekundach ruchu mają się do siebie tak, jak kolejne liczby nieparzyste.
Stosunek przyrostu prędkości do czasu, w którym ten przyrost nastąpił, nazywa się przyspieszeniem (a):
a
v
t
a – przyspieszenie (m/s2)
Δv – przyrost prędkości (m/s)
Δt – przyrost czasu (s)
Jednostką przyśpieszenia w Układzie SI jest m/s2. Przyspieszenie jest wektorem.
Przyspieszenie w ruchu jednostajnie przyspieszonym prostoliniowym ma wartość stałą.
Wykres zależności drogi od czasu w tym ruchu:
7
Wykres zależności prędkości od czasu w tym ruchu:
Wykres zależności przyspieszenia od czasu:
Ruch jednostajnie opóźniony prostoliniowy
Ciało porusza się ruchem jednostajnie opóźnionym, jeśli prędkość jego zmniejsza się w jednostce czasu o tę sama
wartość. Stosunek ubytku prędkości do czasu, w którym ten ubytek nastąpił nazywa sie opóźnieniem (a ma wartość ujemną).
Opóźnienie to wektor, podobnie jak przyspieszenie, ale jego zwrot jest przeciwny do zwrotu wektora prędkości.
DYNAMIKA
Zasady dynamiki Newtona
Jeżeli na ciało nie działa żadna siła lub siły wzajemnie się równoważą, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się
ruchem jednostajnym po linii prostej nieskończenie długo – jest to treść I zasady dynamiki Newtona.
II zasada dynamiki Newtona – jeżeli na ciało działo działa stała siła, to porusza się ono ruchem jednostajnie
przyśpieszonym z przyśpieszeniem wprost proporcjonalnym do działającej siły, a odwrotnie proporcjonalnym do masy ciała:
a
F
m
a – przyspieszenie ciała (m/s2)
F – siła (N)
m – masa ciała (kg)
Przekształcenia wzoru: F  m  a oraz
m
F
a
Jednostką siły jest niuton: N. 1 niuton to taka siła, która ciału o masie 1 kg nadaje przyśpieszenie 1m/s2.
Siły tarcia występujące podczas ruchu każdego ciała stanowią opór środowiska (np. podłoża).
III zasada dynamiki Newtona, zwaną zasadą akcji i reakcji, brzmi:
Jeżeli ciało A działa pewną siłą na ciało B, to ciało B oddziałuje na ciało A siłą równą co do wartości, o tym samym
kierunku, lecz o przeciwnym zwrocie. Siły akcji i reakcji nie równoważą się, ponieważ każda z nich działa na inne ciało (są
przyłożone do różnych ciał).
Swobodny spadek ciał
Spadające swobodnie ciała poruszają się ruchem jednostajnie przyśpieszonym z przyśpieszeniem ziemskim równym
9,81 m/s2 (przy pominięciu oporów ruchu) – na ciało działa tylko siła grawitacji (a=g), a vp=0.
Czas spadania nie zależy od masy ciała (jeśli pominąć siły oporu).
8
PRACA, MOC, ENERGIA
Praca mechaniczna
Gdy na ciało działa siła i na skutek tego ciało przemieszcza się zgodnie z kierunkiem działającej siły, wówczas
wykonana jest praca. Jeśli wartość działającej siły jest stała i zwrot siły jest zgodny ze zwrotem przesunięcia, wówczas pracę
oblicza się ze wzoru:
W  F s
W – praca mechaniczna (J)
F – siła (N)
s – przesunięcie (m)
Przekształcenia wzoru:
s
W
W
oraz F 
.
F
s
Jednostką pracy jest dżul: 1J. Jeśli pod wpływem siły 1 N ciało przesunęło się zgodnie z kierunkiem działającej siły o 1
m, to została wykonana praca 1J. Jednostką techniczną pracy jest kilowatogodzina 1kWh to 3,6 MJ.
Moc
Moc jest ściśle związana z pracą. Określa się ją stosunkiem pracy do czasu, w jakim ta praca została wykonana:
P
W
t
P – moc (W)
W – praca (J)
t – czas wykonywania pracy (s)
Przekształcenia wzoru: W  P  t oraz
t
W
.
P
Moc urządzenia informuje o tym, jaką pracę wykonuje urządzenie w czasie 1 sekundy. Jednostką mocy jest wat: 1W.
Urządzenie posiada moc 1W, jeśli w czasie 1s wykonuje pracę 1J.
Energia
Pojęcie energii jest także związane z pojęciem pracy. Ciało, które posiada energię mechaniczną, jest zdolne do
wykonania pracy. Jednostką energii jest dżul: 1J.
Każde ciało posiada energię potencjalną ciężkości (grawitacji). A posiada jej tym więcej, im wyżej zostało
umieszczone. Przyrost energii potencjalnej ciężkości ciała o masie m wyniesionego na wysokość h można obliczyć ze wzoru:
E p  m  g  h
ΔEp – zmiana energii potencjalnej (J)
m – masa ciała (kg)
g – przyspieszenie grawitacyjne (m/s2)
h – wysokość (m)
Przekształcenia wzoru:
m
E p
hg
oraz
h
E p
mg
.
Energia zmagazynowana w wyniku zmiany kształtu ciała sprężystego nosi nazwę energii potencjalnej sprężystości.
Każde poruszające się ciało posiada energię kinetyczną. Im większa jest masa ciała i prędkość jego ruchu, tym większa
jest energia kinetyczna ciała i tym większą pracę może to ciało wykonać. Energię kinetyczną ciała o masie m poruszającego
się z prędkością v można obliczyć ze wzoru:
Ek 
mv 2
2
Ek – energia kinetyczna (J)
m – masa ciała (kg)
v – prędkość ciała (m/s)
Przekształcenia wzoru:
m
2Ek
oraz v 
v2
2Ek
.
m
Zasada zachowania energii mechanicznej
Zasada zachowania energii mechanicznej mówi, że w układzie izolowanym suma energii kinetycznej i potencjalnej
ciała jest stała.
E = Ep + Ek = constans
Maszyny proste
Dzięki maszynom prostym wykonujemy tę sama prace przy użyciu mniejszej siły.
9
Dźwignie: dwustronna i jednostronna, kołowrót, bloki: ruchomy i nieruchomy, równia pochyła są to maszyny proste,
których stosowanie ułatwia wykonanie określonej pracy.
RUCH DRGAJĄCY I FALOWY
Ciała wprawione w ruch drgający mogą stać się źródłem fali.
Drgania mogą być gasnące (amplituda drgań maleje) lub niegasnące (amplituda drgań nie ulega zmianie).
Amplituda, okres, długość fali i częstotliwość drgań to wielkości opisujące ruch drgający.
Amplituda jest to największe wychylenie ciała drgającego z położenia równowagi.
Okresem drgań nazywa się czas jednego pełnego drgania. Jednostką okresu jest sekunda: s.
Długość fali to droga, jaką pokonuje fala w czasie jednego okresu.
Częstotliwością nazywa się liczbę drgań w jednostce czasu. Jednostką częstotliwości jest herc: Hz. Częstotliwość
obliczamy ze wzoru:
f 
1
T
f – częstotliwość drgań (Hz)
T – okres drgań (s)
Przekształcenie wzoru:
T
1
f
Fale mechaniczne
Fale mechaniczne dzielimy na podłużne i poprzeczne.
Falą podłużną nazywa się taką falę, której drgania odbywają się w kierunku równoległym do kierunku jej
rozprzestrzeniania się.
Falą poprzeczną nazywa się taką falę, której drgania odbywają się w kierunku prostopadłym do kierunku jej
rozprzestrzeniania się.
Rezonans mechaniczny jest to zjawisko pobudzenia do drgań ciała przez inne ciało drgające z tą samą częstotliwością
drgań własnych. Częstotliwość drgań własnych to częstotliwość, z jaka drga ciało raz wprawione w ruch i pozostawione samo
sobie.
Fale ulegają zjawiskom: odbicia, załamania, interferencji (nakładania się) i dyfrakcji (ugięcia).
Fale dźwiękowe
Źródłem dźwięku jest ciało drgające z częstotliwością: 16-20 000Hz. Fala dźwiękowa (inaczej akustyczna) jest falą
podłużną. Fala dźwiękowa rozprzestrzenia się w różnych ośrodkach: w gazach, cieczach, ciałach stałych (najszybciej w
ciałach stałych, najwolniej w gazach). Drgania są przenoszone przez cząsteczki tych ośrodków.
Rezonans akustyczny jest to zjawisko pobudzenia drgań akustycznych ciała przez inne ciało drgające z taką samą
częstotliwością własną.
CIEPŁO
Każde ciało ma energię wewnętrzną. Energia wewnętrzna to suma energii kinetycznej energii ciała i energii
potencjalnej cząsteczek. Energię wewnętrzną ciała można zmienić, wykonując nad tym ciałem pracę lub gdy ciało wykonuje
pracę oraz dostarczając albo odbierając ciału ciepło. Stwierdzenie to jest treścią I zasady termodynamiki: przyrost energii
wewnętrznej ciała jest sumą pracy wykonanej nad ciałem i ciepła dostarczonego do ciała:
ΔU = Q + W
Temperatura ciała jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek substancji, z której zbudowane jest ciało.
Jednostką temperatury w Układzie SI jest kelwin (K). W życiu codziennym stosowana jest jednak w wielu krajach
(między innymi w Polsce) skala Celsjusza (stopień Celsjusza oC).
Ciepło właściwe
Ciepło właściwe jest równe takiej ilości ciepła, która jest potrzebna do ogrzania 1 kg substancji o 1K lub o 1oC:
Q
m  T
J
c – ciepło właściwe substancji (
)
kg o C
c
Q – ciepło pobrane lub oddane (J)
m – masa substancji (kg)
ΔT – zmiana temperatury (oC)
10
Ilość ciepła pobranego lub oddanego przez ciało można obliczyć ze wzoru:
Q = m · c · ΔT
Pozostałe przekształcenia wzoru:
m
Q
Q
oraz ΔT =
c  T
mc
Bilans cieplny
Podczas mieszania się ciał o różnych temperaturach, ciało o wyższej temperaturze oddaje ciepło ciału o niższej
temperaturze i odwrotnie: ciało o temperaturze niższej pobiera ciepło od ciała o temperaturze wyższej.
Zestawienie ilości energii cieplnej pobranej i oddanej przez układ ciał nosi nazwę bilansu cieplnego. Bilans ciepła
wynika z zasady zachowania energii.
Topnienie jest to zmiana ciała stałego w ciecz. Topnienie odbywa się w stałej dla danej substancji temperaturze zwanej
temperaturą topnienia. Dotyczy to ciał o budowie krystalicznej. Ciepło topnienia jest równe liczbowo ilości ciepła, która jest
potrzebna do stopnienia 1 kg substancji w temperaturze topnienia:
ct =
ct – ciepło topnienia (
Q
m
J
)
kg
Q – ciepło pobrane (J)
m – masa substancji (kg)
Przekształcenie wzoru: Q = ct · m oraz m =
Q
.
ct
Krzepnięcie jest to zmiana cieczy w ciało stałe. Krzepnięcie odbywa się w stałej dla danej substancji temperaturze,
zwanej temperaturą krzepnięcia. Ciepło krzepnięcia jest równe liczbowo ilości ciepła, które oddaje 1 kg substancji podczas
procesu krzepnięcia w temperaturze krzepnięcia.
Temperatury topnienia i krzepnięcia są sobie równe dla danej substancji (o budowie krystalicznej). Ciepła topnienia i
krzepnięcia mają taką samą wartość dla danej substancji.
Parowanie to zjawisko zmiany cieczy w parę. Gwałtowne parowanie tj. wrzenie, odbywa się w stałej dla danej
substancji temperaturze zwanej temperaturą wrzenia. Ciepło parowania jest równe liczbowo ilości ciepła, którą pobiera 1 kg
cieczy wyparowując w temperaturze wrzenia.
cp =
cp – ciepło parowania (
Q
m
J
)
kg
Q – ciepło pobrane (J)
m – masa substancji (kg)
Skraplanie to zjawisko zmiany pary w ciecz. Ciepło skraplania jest równe liczbowo ilość ciepła, którą oddaje 1 kg
pary skraplając się w temperaturze skraplania.
Dla danej substancji temperatury wrzenia i skraplania są równe. Ciepła parowania i skraplania mają taką samą
wartość.
Sposoby przekazywania ciepła
Ciepło to ilość energii wewnętrznej, która jest przekazywana podczas kontaktu cieplnego dwóch ciał o różnych
temperaturach.
Cieplny przepływ energii to przekazywanie ciepła do ciała za pomocą: konwekcji, przewodnictwa cieplnego lub
promieniowania cieplnego.
Konwekcja (unoszenie) – proces przekazywania ciepła w wyniku przemieszczania się warstw cieczy lub gazu ( na
skutek różnicy gęstości).
Przewodnictwo cieplne – zachodzi wówczas, gdy występuje różnica temperatur między stykającymi się ciałami lub
częściami tego samego ciała. Przewodniki cieplne to ciała dobrze przewodzące ciepło. Izolatory cieplne to ciała, które słabo
przewodzą ciepło.
Promieniowanie cieplne – wszystkie ciała wysyłają promieniowanie cieplne, którego intensywność jest tym większa
im wyższa jest temperatura ciała.
11
OPTYKA
Światłem nazywamy promieniowanie odbierane zmysłem wzroku człowieka. Źródłami światła są ciała wysyłające
promieniowanie świetlne.
Prędkość światła w próżni to 300 000km/s.
W przezroczystym ośrodku jednorodnym światło rozchodzi się po liniach prostych, które nazywamy promieniami
świetlnymi.
Zaćmienie Słońca zachodzi wówczas, gdy Ziemia znajdzie sie w cieniu rzucanym przez Księżyc. Księżyc jest wtedy w
nowiu.
Zaćmienie Księżyca występuje wówczas, gdy Księżyc znajdzie się w cieniu Ziemi. Księżyc jest wówczas w pełni.
Prawo odbicia
Światło padając na powierzchnię przeszkody ulega odbiciu. Światło padając na nierówną powierzchnię ulega
rozproszeniu.
Prawo odbicia – kąt odbicia jest równy kątowi padania (α=β) – oba kąty leżą w jednej płaszczyźnie.
Kąt padania to kąt, jaki tworzy promień padający z prostą prostopadłą do powierzchni odbijającej w punkcie padania.
Kąt odbicia to kąt, jaki tworzy promień odbity z prostą prostopadłą do powierzchni odbijającej w punkcie padania.
Zwierciadła
Zwierciadło płaskie to takie zwierciadło, którego powierzchnia odbijająca jest płaszczyzna. Obraz tworzący się w
takim zwierciadle jest odwrócony, tej samej wielkości, pozorny.
Zwierciadła, których powierzchnię odbijającą światło stanowi część powierzchni kuli to zwierciadła kuliste (wklęsłe
lub wypukłe).
Obraz utworzony przez promienie świetlne odbite od zwierciadła kulistego wklęsłego zależy od odległości przedmiotu
od zwierciadła.
odległość przedmiotu od zwierciadła
cechy otrzymanego obrazu
x>2f
pomniejszony, odwrócony, rzeczywisty
x=2f
tej samej wielkości co przedmiot, odwrócony,
rzeczywisty
f<x<2f
powiększony, odwrócony, rzeczywisty
x=f
obraz nie powstaje
x<f
powiększony, prosty, pozorny
W zwierciadle kulistym wypukłym otrzymujemy obraz pomniejszony, prosty i pozorny, niezależnie od odległości
przedmiotu od zwierciadła.
Zależność pomiędzy x, y i f dla zwierciadeł kulistych opisuje zależność:
1 1 1
 
f
x y
f – ogniskowa zwierciadła (m)
x – odległość przedmiotu od zwierciadła (m)
y – odległość obrazu od zwierciadła (m)
Zjawisko załamania światła
Załamaniem światła nazywamy zjawisko zmiany kierunku promienia świetlnego podczas przechodzenia przez granicę
dwóch ośrodków przezroczystych.
Jeżeli światło przechodzi z ośrodka o mniejszej prędkości rozchodzenia się do ośrodka o większej prędkości
rozchodzenia, to kat załamania jest większy od kąta padania.
Gdy światło przechodzi z ośrodka o większej prędkości rozchodzenia sie światła, do ośrodka, w którym jego prędkość
jest mniejsza, to kat załamania jest mniejszy od kata padania. Maksymalnemu katowi załamania β=90 o odpowiada kat padania
zwany kątem granicznym αgr.
Soczewki
Soczewki to ciała przezroczyste ograniczone z obu stron powierzchniami kulistymi. Soczewki wypukłe skupiają
światło, wklęsłe rozpraszają –(w powietrzu). Każda soczewka ma os optyczną, 2 ogniska i 2 ogniskowe.
12
Zdolność skupiająca soczewki to odwrotność jej ogniskowej:
Z
1
f
Z – zdolność skupiająca (D) [dioptria]
f – ogniskowa (m)
Dla soczewek skupiających Z>0, dla rozpraszających Z<0.
Obraz utworzony za pomocą soczewki skupiającej zależy od odległości przedmiotu od soczewki i jej ogniskowej.
odległość przedmiotu od zwierciadła
cechy otrzymanego obrazu
x>2f
pomniejszony, odwrócony, rzeczywisty
x=2f
tej samej wielkości co przedmiot, odwrócony,
rzeczywisty
f<x<2f
powiększony, odwrócony, rzeczywisty
x=f
obraz nie powstaje
x<f
powiększony, prosty, pozorny
W przypadku soczewki rozpraszającej obraz jest pomniejszony, prosty i pozorny.
Powiększenie soczewki obliczamy:
p
h2
y
lub p 
h1
x
p – powiększenie
h2, h1 – wysokość odpowiednio: 2 – obrazu, 1 – przedmiotu (m)
y – odległość obrazu od soczewki (m)
x – odległość przedmiotu od soczewki (m)
Zależność między x, y i f soczewki opisana jest równaniem soczewki:
1 1 1
 
f
x y
f – ogniskowa soczewki (m)
x – odległość przedmiotu od soczewki (m)
y – odległość obrazu od soczewki (m)
Całkowite wewnętrzne odbicie występuje na granicy dwóch ośrodków przezroczystych, gdy światło w drugim ośrodku
rozchodzi się z większą prędkością niż w pierwszym i kat padania jest większy od kata granicznego.
Rozdzielenie światła na poszczególne barwy, z których sie składa, nazywamy rozszczepieniem światła.
Układ optyczny oka tworzy na siatkówce obraz zmniejszony i odwrócony.
Akomodacja oka to zdolność soczewki do zmiany ogniskowej – przystosowania się do wyraźnego widzenia
przedmiotów znajdujących sie w różnej odległości.
Wady wzroku: krótkowzroczność (soczewki rozpraszające) i dalekowzroczność (soczewki skupiające).
Przyrządy optyczne
Przyrządy optyczne to lupa, luneta, mikroskop, aparat fotograficzny.
ELEKTROSTATYKA
Dział fizyki zajmujący się oddziaływaniami i właściwościami ła dunków elektrycznych w stanie spoczynku nosi
nazwę elektrostatyki.
Istnieją dwa rodzaje ładunków elektrycznych: dodatnie i ujemne. Ładunki takie same są to ładunki jednoimienne,
ładunki przeciwne to ładunki różnoimienne.
13
Budowa atomu
Atom zbudowany jest z jądra i krążących wokół niego elektronów. Jądro skupia w sobie prawie całą masę atomu,
tworzą je protony i neutrony. Protony to cząstki o ładunku dodatnim, elektrony to cząstki o ładunku ujemnym, a
neutrony są cząstkami elektrycznie obojętnymi.
Atom jest elektrycznie obojętny. Atom (w pewnych warunkach) może stać się jonem:
- kationem (jonem dodatnim), jeśli „odda" jeden lub kilka elektronów z ostatniej, tj. walencyjnej powłoki
elektronowej,
- anionem (jonem ujemnym), jeśli przyjmie na swoją powłokę walencyjną jeden lub kilka elektronów.
Ładunek elementarny jest to ładunek elektronu lub protonu.
Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb (1 C).
Elektryzowanie
Gromadzenie przez dane ciało ładunku elektrycznego jednego znaku nosi nazwę elektryzowania się. Dwa ciała
naelektryzowane jednoimiennie odpychają się, a dwa ciała naelektryzowane różnoimiennie przyciągają się.
Ciało obojętne elektrycznie ma jednakowa ilość protonów i elektronów.
Ciało naelektryzowane dodatnio ma niedobór elektronów.
Ciało naelektryzowane ujemnie ma nadmiar elektronów.
Elektryzowanie ciał może odbywać się na trzy sposoby:
- przez pocieranie: polega na pocieraniu ciała kawałkiem materiału lub suchej gazety. Uwolnione podczas pocierania
elektrony przechodzą z jednego ciała na drugie. Dla izolatorów zjawisko to zachodzi tylko na powierzchni styku;
- przez dotyk: polega na zetknięciu ciała elektrycznie obojętnego z ciałem naelektryzowanym. Elektrony przepływają z
ciała elektrycznie obojętnego do naelektryzowanego dodatnio, a z ciała naelektryzowanego ujemnie - do elektrycznie
obojętnego;
- przez indukcję, czyli przez wpływ: polega na zbliżeniu ciała naelektryzowanego do ciała elektrycznie obojętnego.
Do sprawdzenia czy dane ciało jest naelektryzowane służy elektroskop.
Przewodnik jest ciałem, w którym występują swobodne elektrony lub jony (elektrolity). Dzięki temu przewodnik
łatwo przewodzi ładunek elektryczny. W izolatorze nie ma swobodnych elektronów.
Zasada zachowania ładunku elektrycznego
Jeżeli układ ciał jest izolowany elektrycznie, to całkowity ładunek tych ciał, czyli suma ładunków dodatnich i
ujemnych, jest stały.
Zobojętnienie ładunku ciała naelektryzowanego następuje wówczas, gdy dostarczy się mu taką sama liczbę
ładunków przeciwnego znaku.
Uziemienie ciała naelektryzowanego polega na odprowadzeniu ładunku elektrycznego do ziemi poprzez
przewodnik.
Wyładowanie elektryczne to gwałtowny przepływ ładunku elektrycznego przez izolator.
Obszar (przestrzeń) wokół ładunku spoczywającego nazywa się polem elektrostatycznym.
Pole elektrostatyczne graficznie przedstawia się za pomocą linii pola elektrostatycznego. Są to takie linie, do
których styczne w każdym punkcie mają kierunek zgodny z kierunkami sił elektrostatycznych tego pola.
Ze względu na źródło i kształt linii pola elektrostatycznego wyróżnia się:
- pole centralne,
- pole jednorodne.
Prawo Coulomba
Dwa naelektryzowane ciała (ładunki punktowe) odpychają się lub przyciągają z siłą wprost proporcjonalną do
iloczynu ich ładunków (q1 i q2), a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości (r) między tymi ciałami:
F
q1  q 2
r2
F – siła elektryczna (N)
q1, q2 – ładunki elektryczne (C)
r – odległość między środkami ciał (m)
Kondensator to urządzenie służące do gromadzenia ładunku elektrycznego.
14
PRĄD ELEKTRYCZNY
Źródłem energii elektrycznej jest każde urządzenie wytwarzające napięcie elektryczne.
Zespół elementów połączonych przewodami ze źródłem prądu tak, aby utworzyły zamkniętą drogę dla prądu
elektrycznego, nosi nazwę obwodu elektrycznego.
Istnienie napięcia czyli różnicy potencjałów, jest warunkiem przepływu prądu elektrycznego. Prąd elektryczny jest
to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych w przewodniku.
Jednostką napięcia jest wolt (1 V).
Do pomiaru napięcia pomiędzy dwoma punktami obwodu elektrycznego służy przyrząd zwany woltomierzem.
Do obwodu elektrycznego woltomierz włącza się równolegle.
Przez przewodnik może płynąć prąd o różnym natężeniu. Natężenie prądu I jest to stosunek wielkości ładunku
przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu jego przepływu.
Natężenie prądu obliczamy ze wzoru:
I
Q
t
I – natężenie prądu elektrycznego (A)
Q – ładunek elektryczny (C)
t – czas przepływu ładunku przez przekrój poprzeczny przewodnika (s)
Przekształcenia wzoru:
Q  I  t oraz t 
Q
I
Jednostką natężenia prądu jest amper (1A). Przez przewodnik przepływa prąd o natężeniu jednego ampera (1 A),
jeśli w ciągu jednej sekundy (1s) przepływa ładunek wielkości jednego kulomba (1 C).
Do pomiaru natężenia prądu płynącego przez obwód elektryczny służy przyrząd zwany amperomierzem. Do
obwodu elektrycznego amperomierz włącza się szeregowo.
Aby w obwodzie elektrycznym mógł płynąć prąd, muszą być spełnione dwa warunki:
- musi istnieć napięcie na źródle prądu,
- obwód musi być zamknięty.
Niektóre ciała stałe przewodzą prąd elektryczny (przewodniki, półprzewodniki). Nośnikami prądu w przewodnikach są
swobodne elektrony, a w półprzewodnikach oprócz elektronów również tzw. dziury. Ciecze przewodzą prąd elektryczny,
jeżeli są elektrolitami. Nośnikami prądu elektrycznego w elektrolitach są kationy i aniony. Gazy zjonizowane również
przewodzą prąd elektryczny.
Ogniwo galwaniczne jest urządzeniem zamieniającym bezpośrednio energię chemiczną (powstała w następstwie
zachodzących reakcji) na energię elektryczną. Zespół połączonych ze sobą ogniw galwanicznych stanowi baterię.
Ogniwa i baterie są chemicznymi źródłami energii elektrycznej.
Prawo Ohma
Natężenie prądu elektrycznego płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia na końcach
tego przewodnika (w stałej temperaturze).
Wielkością charakterystyczną i stałą w danej temperaturze dla danego przewodnika jest opór elektryczny
(rezystancja) R, który obliczamy ze wzoru:
R
U
I
R – opór elektryczny (Ω)
U – napięcie elektryczne (V)
I – natężenie prądu elektrycznego (A)
Jednostką oporu elektrycznego jest om (1Ω). Przewodnik ma rezystancję jednego oma (1Ω), jeżeli przyłożone do
niego napięcie jednego wolta (1V) wywoła przepływ prądu o natężeniu jednego ampera (1A).
Rezystancja przewodnika jest wprost proporcjonalna do jego długości, a odwrotnie proporcjonalna do pola przekroju.
Rezystancja zależy też od rodzaju materiału, z jakiego wykonany jest przewodnik.
Łączenie elementów obwodu elektrycznego
Opór zastępczy
Elementy obwodu możemy połączyć ze sobą na dwa sposoby: szeregowo lub równolegle.
15
Łączenie szeregowe
W łączeniu szeregowym odbiorników energii elektrycznej (oporników) natężenie prądu w całym obwodzie jest
jednakowe.
I = I1 = I2 = I3
Napięcie całkowite obwodu jest równe sumie napięć między końcami poszczególnych odbiorników energii
elektrycznej (oporników).
U = U 1 + U 2 + U3
Wartość oporu zastępczego (rezystancji zastępczej) jest równa sumie oporów (rezystancji) poszczególnych
odbiorników energii elektrycznej(oporników).
R = R1 + R2 + R3
Łączenie równoległe
W łączeniu równoległym odbiorników energii elektrycznej (oporników) natężenie w gałęzi głównej jest równe
sumie natężeń prądu w rozgałęzieniach – zgodnie z I prawem Kirchhoffa.
I = I 1 + I2 + I3
Napięcie między końcami poszczególnych odbiorników energii elektrycznej (oporników) jest takie samo, jak między
końcami całego obwodu.
U = U1 = U2 = U3
Odwrotność oporu zastępczego (rezystancji zastępczej) jest równa sumie odwrotności oporów (rezystancji)
poszczególnych odbiorników energii elektrycznej (oporników).
1 1
1
1



R R1 R2 R3
I prawo Kirchhoffa
Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z węzła.
Moc prądu elektrycznego oblicza się według wzoru:
P = U •I
P – moc prądu (W)
U – napięcie elektryczne (V)
I – natężenie prądu (A)
Jednostką mocy prądu jest wat (1W).
Przekształcenia wzoru:
U
P
P
oraz I=
I
U
Prąd elektryczny, płynąc przez przewodnik, wykonuje pracę. Pracę prądu elektrycznego oblicza się ze wzoru:
W=U•I•t
W – praca prądu elektrycznego (J)
U – napięcie elektryczne (V)
I – natężenie prądu (A)
t – czas przepływu prądu (s)
Jednostką pracy prądu jest dżul (1J).
Przekształcenia wzoru:
U
W
W
W
oraz I=
oraz t=
U I
I t
U t
16
Energię elektryczną (pracę prądu) można także obliczyć ze wzoru:
E= U•q
E – energia elektryczna (praca prądu el.) (J)
U – napięcie elektryczne – różnica potencjałów między 2 punktami pola elektrycznego (V)
q – ładunek elektryczny przenoszony w polu elektrycznym (C)
MAGNETYZM
Pole magnetyczne jest to przestrzeń, w której na umieszczone w niej magnesy i poruszające się ładunki
elektryczne działają siły magnetyczne.
Pole magnetyczne powstaje wokół Ziemi, magnesów, a także przewodników, przez które płynie prąd
elektryczny.
Ciała wykazujące szczególne właściwości magnetyczne to ferromagnetyki. Ferromagnetyk staje się magnesem po
namagnesowaniu. Namagnesowanie ferromagnetyka polega na uporządkowaniu domen magnetycznych (obszarów stałego
namagnesowania).
Każdy magnes ma dwa bieguny: północny (N) i południowy (S). Bieguny różnoimienne przyciągają się, a
jednoimienne odpychają się.
Pole magnetyczne można przedstawić schematycznie za pomocą linii pola. Umownie przyjęty zwrot linii pola
magnetycznego to zwrot od bieguna północnego do bieguna południowego.
Zwrot linii pola magnetycznego wokół przewodnika, przez który płynie prąd, można ustalić za pomocą reguły
prawej dłoni.
Reguła prawej dłoni
Jeżeli prawą dłonią obejmiesz przewodnik, przez który płynie prąd, tak, że kciuk wskaże kierunek płynącego prgdu
elektrycznego w przewodniku, to pozostałe palce wskażą zwrot linii pola magnetycznego.
Zwojnica z prądem elektrycznym wykazuje właściwości magnetyczne. Elektromagnes jest to zwojnica z
umieszczonym wewnątrz niej rdzeniem ze stali miękkiej. Zwiększenie liczby zwojów zwojnicy lub zwiększenie natężenia
prądu powoduje wzmocnienie właściwości magnetycznych elektromagnesu.
Siła elektrodynamiczna
Siła elektrodynamiczna (magnetyczna) jest to siła, która działa na umieszczony w polu magnetycznym przewodnik o
długości l, przez który płynie prąd o natężeniu I.
Kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej określa reguła lewej dłoni.
Reguła lewej dłoni
Jeżeli lewą dłoń ustawisz tak, aby linie pola magnetycznego „przebijały" wewnętrzną stronę dłoni, a wszystkie
palce - z wyjątkiem kciuka - wskazywały kierunek i zwrot prądu, to odchylony kciuk wskaże kierunek i zwrot siły
elektrodynamicznej.
Silnik elektryczny
Silnik elektryczny działa dzięki istnieniu siły elektrodynamicznej. W silniku oddziałują na siebie pola magnetyczne
wirnika i nieruchomego stojana.
Indukcja elektromagnetyczna
Indukcja elektromagnetyczna jest zjawiskiem wzbudzania prądu indukcyjnego w obwodzie zamkniętym wskutek
zmian pola magnetycznego. Prąd indukcyjny jest prądem zmiennym, tzn. jego kierunek i natężenie zmieniają się
cyklicznie - ze stałą częstotliwością.
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej stało się podstawą wielu zastosowań w dziedzinie elektrotechniki.
Wykorzystuje się je między innymi w transformatorach, prądnicach, silnikach prądu zmiennego.
Prądnica jest urządzeniem służącym do wytwarzania prądu przemiennego.
17