A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI 2. Fizika

1. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI 2. Fizika v2.0 ÓE-KVK-MTI 2009-2010.

2. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • A fizika tárgya:- physisgörög szó, jelentése: természet- magyar neve: természettan- a 18. század végéig: a természetre vonatkozó ismeretek összessége.- később: az élettelen világ azon jelenségei, amelyekben a testek vegyi összetétele nem változik- ma: nem lehet ilyen éles határvonalat húzni, új tudományok alakultak ki a tudományok határterületein.

3. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • A fizika feladata:- a körébe tartozó anyagi világ objektív tulajdonságait képező jelenségek összességének minél jobb megismerése- nemcsak egyes jelenségek egyszerű leírása, hanem az ezek közötti kapcsolatok, törvényszerűségek meghatározása

4. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • A fizika módszerei:- első lépés: megfigyelés- 17.századtól: kísérlet- kvalitatív összefüggések megállapítása- kvantitatív összefüggések megállapítása- a kvantitatív összefüggések alapján a matematika módszereinek felhaszná- lásával fizikai törvények meghatározása.

5. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Fizikai törvények:- A kvantitatív összefüggések kiala- kításához szükséges, hogy a fizikai mennyiségek mérhető mennyiségek legyenek.- A fizikai mennyiségek definíciójához mérési utasítás tartozik.- Mértékegység rendszerek kialakítása.

6. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Fizikai törvények:- a tapasztalati úton talált törvények önmagukban csak egy áttekinthetetlen ismerethalmazt jelentenének, ezek rendezése szükséges- a sok speciális törvény leszármaztatható (általában matematikai úton) kis számú általános érvényű alaptörvényből.

7. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Fizikai törvények:- Alaptörvények elvek főtételek axiómák alapegyenletek- A nagyobb jelenségcsoportok alaptörvé- nyeiből levonható következtetések fizikai elméletet alkothatnak.

8. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Fizikai törvények:- A fizikai elmélet kialakítása során közbülső állomásként gyakran hipotézis(feltevés) felállításával kísérlik meg a jelenség csoport megmagyarázását, ha a kísérletek igazolják, akkor fizikai elmélet lesz belőle, ha nem elvetik.

9. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Fizikai törvények:A fizikai jelenségek vizsgálata során gyakran vezetnek be a valóságos testek tulajdonságainak egy részét tudatosan elhanyagoló, egyszerűsítő fogalmakat, amelyek segítségével a jelenségek egyszerűbben vizsgálhatók. Ezeket idealizált testeknek, vagy modelleknek nevezzük

10. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Fizikai törvények:A modellek segítségével alkotott törvények a valóságos testekre alkalmazva nem jelentenek abszolút pontos leírást. A mérési módszerek szintén korlátozott pontosságúak, ezért a fizikai törvények közelítő jellegűek és érvényességi területűk korlátozott. A fejlődés során mindig pontosabb törvényeket ismerünk fel.

11. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • A fizika felosztása:- Kísérleti fizika: feladata tervszerű kísérletek megvalósítása, megfelelő mennyiségek mérése. A mérési eredmények alapján a vizsgált jelenségekre tapasztalati törvények felállítása. Módszere az indukció, legfontosabb eszköze a fizikai mérőműszer.

12. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • A fizika felosztása:Elméleti fizika: feladata az egyes jelenségekre vonat- kozó törvények közötti összefüggések, általános összefüggések felderítése, fizikai elmélet kialakítása, egyes jelenségekre vonatkozó törvények meghatározása. Módszere a dedukció, eszköze a matematika.

13. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • A fizika történeti felosztása:Klasszikus fizika Időrendben kb. 19. század végéig, 20. század elejéig.Tudományágai: -mechanika - hőtan - hangtan - fénytan - elektromosság és mág- nesseségtan - atomfizika

14. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • A fizika történeti felosztása:Modern fizika Időrendben kb. 19. század végétől, 20. század elejétől.Tudományágai: - relativisztikus fizika - kvantumfizika

15. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Mértékegység rendszerek: - A kvantitatív összefüggések kiala- kításához szükséges, hogy a fizikai mennyiségek mérhető mennyiségek legyenek.- A fizikai mennyiségek definíciójához mérési utasítás tartozik.- Mértékegység rendszerek kialakítása.

16. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Mérés:A mérés azt jelenti, hogy meghatározzuk hányszor van meg a mérendő mennyiségben egy másik, vele egynemű önkényesen egységnyinek megválasztott mennyiség. A mérés eredménye két adat a mértékszám és a mértékegység.Xméréseredménye={Xmsz}{Xme}

17. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Mértékegység rendszerek:- helyi, lokális rendszerek- egységesített, országos rendszerek- nemzetkőzi mértékegység rendszerek angolszász rendszerek: Nagy Britania USA európai és nemzetközi rendszerek: MKSA CGS SI

18. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Mértékegység rendszerek:Felépítésük: - alapmennyiségek: néhány - a lehető legkevesebb - fizikai mennyiség, amelyek és a fizikai összefüggé- sek felhasználásával az összes fizikai mennyiség fogalma és mértékegysége meghatározható (pld. idő, hosszúság, tömeg, stb.). Mértékegységük önkényesen választott.

19. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Mértékegység rendszerek:Felépítésük: - származtatott mennyiségek: az alapmennyiségek és a fizikai összefüggések segítségével meghatározott fizikai mennyiségek és mértékegységük. Például a sebesség, a hosszúság és az idő hányadosa.

20. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Mértékegység rendszerek:Felépítésük: - kiegészítő mennyiségek: egyéb szempontok alapján választott mennyiségek és mértékegységük. Például síkszög és mértékegysége.

21. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Mértékegység rendszerek:SI – nemzetközi mértékegység rendszer (System International) Használata ma Magyarországon kötelező! Elfogadva: 1960 Magyarországon elfogadva: 1976

22. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Az SI alapmennyiségei:- Hosszúság jele : ℓ mértékegysége: m (méter)1m az az úthossz, amelyet a fény vákuumban 1/299 792 458 másodperc alatt megtesz. Eredetileg a Párizson átmenő délkör hosszának negyvenmilliomod része.

23. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Az SI alapmennyiségei:- Idő jele : t mértékegysége : s (másodperc – secundum) 1s, az az idő, amely a cézium 133-as izotópja által, két meghatározott energia szintje közötti átmenet során kibocsátott sugárzása során 9 192 631 770 periódusa alatt eltelik. Eredetileg egy nap 1/86400 része.

24. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Az SI alapmennyiségei:- Tömeg jele : m mértékegysége: kg (kilogramm)1kg az a tömeg, amely éppen egyenlő a nemzetközi prototípusának tömegével. Eredetileg 1dm3 4°C hőmérsékletű víz tömege. Folyamatban van a kg fizikai alapon történő újradefiniálása.

25. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Az SI alapmennyiségei:- Áramerősség jele : I mértékegysége : A (amper) 1A annak az állandó áramnak az erős- sége, amely két párhuzamos, egyenes, végtelen hosszú, elhanyagolható keresztmetszetű és vákuumban egy- mástól egy méterre elhelyezett vezető- ben áramolva méterenként 2 x 10-7 N erőt hoz létre.

26. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Az SI alapmennyiségei:- Fényerősség jele : Iv mértékegysége: cd (kandela) 1cd, egy olyan fényforrás adott irányú fényerőssége, amely 540x1012 Hz-es frekvenciájúmonokromatikus sugárzást bocsát ki, és az adott irányban 1/683 watt per szteradián nagyságú a sugárzás erőssége.

27. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Az SI kiegészitő mennyiségei:- Síkszög jele : φ mértékegysége: rad (radián) 1 radián annak a szögnek (φ) a nagysága, amely egy olyan körcikk középpontjában van, amelynek kerülete azonos hosszúságú a kör sugarával. 1 rad≈ 57,296°

28. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Az SI kiegészitő mennyiségei:- Térszög jele : W, Ώ mértékegysége : sr (szteradián) 1sr az a térszög, amely az 1m sugarú gömb, 1m2 gömbfelületéhez tartozó középponti térszög.

29. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • MECHANIKAA mechanika feladata az anyagi testek mozgására vonatkozó törvények felállítása. Valamennyi természettudo-mány közül a mechanika fejlődött elsőként egységes átfogó tudományos rendszerré. E rendszer megalapozása Galilei (1564-1642) és Newton (1642-1727) munkássá-gához köthető.

30. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Pontszerű testek mechanikájaItt alkalmazunk először egyszerűsítő feltételeket, modellt alkotunk. Ez a modell a pontszerű, térbeli kiterjedés nélküli test, amely tömeggel rendelkezik. A modell alkalmas a kiterjedéssel rendelkező, de tiszta haladó mozgást végző testek, nem forgó, mozgásának a leírására. Ezen testeket anyagi pontnak, vagy tömeg-pontnak is nevezik.

31. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Pontszerű testek mechanikájaA pontszerű testek mozgásának leírása során a jellemző fizikai mennyiségeket vektormennyiségekként kezeljük (természetesen nem mindegyiket, pld. az időt nem), ez azt jelenti, hogy a mennyi-ségekhez abszolút értéket (nagyságot) és irányt rendelünk

32. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Pontszerű testek mechanikájaMinden test helyzete és ennek kapcsán mozgá-sa is csak más testekhez viszonyítva jellemez-hető, minden mozgás relatív, viszonylagos. Ha egy test mozgását le akarjuk írni elsőként vá-lasztanunk kell egy másik testet, amelyhez a mozgást viszonyítjuk, ezt a testet vonatkozta-tási rendszernek nevezzük. Hozzá egy koor-dináta rendszert rögzítünk és ebben határoz-zuk meg a mozgó test helyzetét

33. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Pontszerű testek mechanikájaEgy pontszerű test mindenkori helyzetét akkor ismerjük a térben, ha megadott a derékszögű koordináta rendszerben a test mindhárom koorditájának időfüggvénye. Vagyis adott: x=fx(t), y=fy(t), z=fz(t),

34. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • A mozgó pontszerű test jellemzői:- pályagörbe: a pont által időben egymás után érintett pontok halmaza.- megtett út : a pályagörbe hossza. Jele: s, mértékegysége: m.- sebesség : a megtett út és a megtételé- hez szükséges idő hányado- sa (átlagos sebesség!!) Jele: v, mértékegysége: m/s

35. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • A mozgó pontszerű test jellemzői:- gyorsulás: a sebesség változás és a változáshoz szükséges idő hányadosa (átlagos gyorsu- lás!!). Jele: a, mértékegysége: m\s2

36. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Az egyenes vonalú mozgás.A pályagörbe egyenes vonal.A koordináta rendszert úgy választjuk meg, hogy egyik tengelye az egyenes vonalon feküdjön, így a három koordináta közül csak az egyik változik, és csak azt kell vizsgálni. Például, csak az x tengelyt.

37. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Az egyenes vonalú mozgásra vonatkozó összefüggések, :1. példa - a gyorsulás nulla,a=0m/s2- A sebesség, ha v0=10m/sv=at+v0=0*t+10=10m/s állandó- A megtett út, ha kezdeti helyzet s0=0: s=at2/2+v0t+s0=0t2/2+10t+0=(10t)mVagyis a megtett út az idővel arányosan nő. A fentiekben a v0 a kezdeti sebesség, s0 pedig a kezdeti helyzet.

38. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Az egyenes vonalú mozgásra vonatkozó összefüggések, :2. példa - a gyorsulás nem nulla,a=10m/s2- A sebesség, ha v0=10m/sv=at+v0=(10*t+10)m/s Vagyis a sebesség az idővel arányosan nő.- A megtett út, ha kezdeti helyzet s0=0: s=at2/2+v0t+s0=(10*t2/2+10*t+0)mVagyis a megtett út az idővel négyzetesen nő. A fentiekben a v0 a kezdeti sebesség, s0 pedig a kezdeti helyzet.

39. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • A mechanika (dinamika) alaptörvényei:- Newton I. törvénye: minden test megtartja nyugalmi állapotát, vagy egye nes vonalú egyenletes mozgását, ha annak megváltoztatására más test köl- csönhatása nem kényszeríti. Ezt a hatást erőhatásnak, vagyerőnek nevezzük. A törvény a tehetetlenség törvénye.

40. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • A mechanika (dinamika) alaptörvényei:- Newton II. törvénye: Az erő és az általa okozott gyor- sulás egyenesen arányos egy- mással, az arányossági tényező a test tömege.F=maahol m a test tömege.

41. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • A mechanika (dinamika) alaptörvényei:- Newton II. törvénye: F erő, vektor mennyiség, iránya és nagysága van. Származtatott mennyi- ség. Mértékegysége: kgm/s2=N (Newton)

42. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • A mechanika (dinamika) alaptörvényei:- Newton II. törvénye: Newton II. törvénye

43. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • A mechanika (dinamika) alaptörvényei:- Newton III. törvénye: • hatás- ellenhatás törvénye. Ha egy test erővel hat egy másikra, akkor a másik ugyanakkora abszolút értékű, azonos hatásvonalú, de ellentétes irányú erővel hat rá.F1,2=-F2,1

44. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • A mechanika (dinamika) alaptörvényei:- „Newton IV. törvénye”: erőhatások függetlenségének az elve. Ha egy testre egyszerre több erő hat, mindegyik erő a többitől függetlenül fejti ki hatását, így az eredő gyorsulás az eredő erők által meghatározott lesz.

45. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Az impulzus (mozgásmennyiség): definíciója: a tömeg és a sebesség szorzata, jele : I vektor mennyiség I=mv mértékegysége: kgm/s=Ns

46. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Az impulzus megmaradás törvénye: ha egy testre nem hat erő, vagy az erők eredője nulla, akkor a test impulzusa nem változhat megF=0N I1=I2

47. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Erőhatás fajták: - Gravitációs (súly) erő: G néha W G=mgahol g= 9,81m/s2 a gravitációs gyorsulás

48. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Erőhatás fajták: - a felület síkjára merőleges nyomóerőN=G cos ß

49. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Erőhatás fajták: - súrlódási erők tapadási súrlódási erőFtap=μtapN csúszási súrlódási erőFs=μsN

50. A TERMÉSZETTUDOMÁNYOK ALAPJAI • Erőhatás fajták: - rugalmas erő A rugó megnyújtásához szüksé- ges erő egyenesen arányos a megnyújtással:Frug=Dx ahol a D a rugóállandó, egységnyi megnyúj- táshoz szükséges erő mértéke, mértékegy- sége: N/m. A rúgóerő tehát: Frugó=-Dx