SPIS TREŚCI
Rozdział 1. O nauce
Stawianie hipotez.
Tworzenie otworów.
CZĘŚĆ 1. MECHANIKA
Rozdział 2. Pierwsze prawo dynamiki Newtona – bezwładność
Równowaga statyczna
Reguła równowagi: ΣF =
Wektory i równowaga
Rozdział 3. Ruch prostoliniowy
Ruch
Rozdział 4. Drugie prawo dynamiki
Wektory siły i prędkości
Wektory sił i reguła równoległoboku
Masa i ciężar
Przeliczanie masy na ciężar.
Dzień wyścigów z a = F/m
14
17
Upuszczane masy i przyspieszający wózek . . 18
Siła i przyspieszenie.
Tarcie
Spadanie i opór powietrza
Rozdział 5. Trzecie prawo dynamiki Newtona
Pary sił: akcja i reakcja
Wzajemne oddziaływania
Rozkład wektorów sił na składowe
Więcej o wektorach
Dodatek D. Więcej o wektorach
Wektory i żaglówki
Rozdział 6. Pęd
Zmiana pędu
21
23
24
Rozdział 10. Ruch pocisków i satelitów
Niezależność poziomych i pionowych składowych ruchu.
Satelita na orbicie kołowej.
mechaniki – rozdziały od 1 do 10
CZĘŚĆ 2. WŁASNOŚCI MATERII
Rozdział 11. Atomowa struktura materii .
Atomy i jądra atomowe
Cząstki subatomowe
Rozdział 12. Ciała stałe
25
kół
Rozdział 13. Ciecze
Archimedesa, część 1.
Prawo Archimedesa, część 2.
Rozdział 14. Gazy
Ciśnienie gazu
CZĘŚĆ 3. CIEPŁO
Rozdział 15. Temperatura, ciepło i rozszerzalność
Pomiar temperatury
Rozszerzalność cieplna
Rozdział 16. Przenoszenie ciepła
75 Przekazywanie ciepła
Rozdział 17. Zmiany stanu skupienia
Lód, woda i para wodna
Gorące wnętrze naszej Ziemi
Rozdział 18. Termodynamika
Zero bezwzględne
CZĘŚĆ 4. AKUSTYKA
Rozdział 19. Drgania i fale
Podstawowe informacje o drganiach i falach
CZĘŚĆ 6. ŚWIATŁO
Rozdział 26. Własności światła
Prędkość, długość fali i częstotliwość
Rozdział 27. Barwa
Dodawanie barw
83
83 Fale uderzeniowe
Rozdział 20. Dź więk
Nakładanie się fal
CZĘŚĆ 5. ELEKTRYCZNOŚĆ I MAGNETYZM
Rozdział 22. Elektrostatyka
statyczny
Potencjał elektryczny.
Rozdział 23. Prąd elektryczny
Przepływ ładunku.
Prawo Ohma.
Moc elektryczna
Zdarzenia w obwodzie
Obwody szeregowe
Obwody równoległe
Opór obwodu
Moc prądu elektrycznego
Rozdział 24. Magnetyzm
Podstawy magnetyzmu
Rozdział 25. Indukcja elektromagnetyczna
Prawo Faradaya
Transformatory
111
111
90
91
93
94
95
96
99
100
102
103
105
105
107
107
108
Rozdział 28. Odbicie i załamanie światła . . 115
Optyka i bilard
Odbicie
Odbite widoki
Więcej o odbiciu
Załamanie
Więcej o załamaniu
Soczewki
Rozdział 29. Falowe własności światła
Dyfrakcja i interferencja
Polaryzacja
CZĘŚĆ
FIZYKA ATOMU I JĄDRA
Rozdziały 31 i 32. Kwanty światła i atom w ujęciu kwantowym
Rozdział 33. Jądro atomowe i promieniotwórczość
Promieniotwórczość
Reakcje jądrowe
Rozdział 34. Rozszczepienie i synteza jąder atomowych
Reakcje jądrowe
CZĘŚĆ 8. TEORIA WZGLĘDNOŚCI
Rozdział 35. Szczególna teoria względności
Dylatacja czasu
Odpowiedzi do ćwiczeń
Rozdział 2. Pierwsze prawo dynamiki Newtona – bezwładność Reguła równowagi: ΣF = 0
1. Manuel waży 1000 N. Stoi na środku deski, która waży 200 N. Końce deski spoczywają na wagach łazienkowych. (Możemy założyć, że ciężar deski działa na jej środek). Wpisz prawidłowy odczyt ciężaru na każdej wadze.
850 N N ton
200 N
1000 N
3. Ciężarówka o masie 12 ton znajduje się w jednej czwartej drogi przez most, który waży 20 ton. Siła 13 ton podtrzymuje prawą stronę mostu, jak pokazano na rysunku. Ile wynosi siła podtrzymująca po lewej stronie?
4. Skrzynia o ciężarze 1000 N spoczywająca na pewnej powierzchni jest połączona z blokiem z żelaza o ciężarze 500 N przez krążek bez tarcia, jak pokazano na rysunku. Tarcie między skrzynią a powierzchnią, na której spoczywa, jest wystarczające, aby utrzymać układ w spoczynku. Strzałki pokazują siły działające na skrzynię i blok. Wpisz wielkość każdej z sił.
Zakreśl kółkiem poprawne odpowiedzi.
5. Jeżeli skrzynia i blok z poprzedniego pytania poruszają się ze stałą prędkością, to siła naprężająca linę
[jest taka sama ] [rośnie ] [maleje].
200 N NN
1000 N
2. Gdy Manuel przesunął się w lewo, jak pokazano na rysunku, na najbliższej mu wadze odczytano 850 N. Uzupełnij odczyt na wadze po prawej.
13 ton
12 ton
skrzynia
20 ton
normalna = _______ N naprężenie = N
naprężenie = N
tarcie = N W = N W = N
Przesuwający się układ jest wtedy w [równowadze statycznej] [równowadze dynamicznej].
żelazny blok
Imię i nazwisko _____________________________________________________
Rozdział 2. Pierwsze prawo dynamiki Newtona – bezwładność
Wektory i równowaga
Nellie Newton wisi na pionowej linie w stanie równowagi:
ΣF = 0. Naprężenie liny (wektor w górę) ma taką samą wielkość jak przyciąganie grawitacyjne (wektor w dół).
1. Nellie wisi na dwóch pionowych linach. Narysuj w skali wektory naprężeń każdej z lin.
2. Tym razem pionowe liny mają różne długości. Narysuj w skali wektory naprężeń każdej z dwóch lin.
3. Nellie wisi na trzech pionowych linach, które są równo naprężone, ale mają różne długości. Ponownie narysuj wektory naprężenia w skali dla każdej z trzech lin.
4. Widzimy, że naprężenie liny jest [zależne] [niezależne] od jej długości. Zatem długość wektora reprezentującego siłę naprężenia liny jest [zależna] [niezależna] od długości liny.
Naprężenie liny zależy od kąta, który lina tworzy z pionem, co zobaczysz na stronach ćwiczeń do rozdziału 5!
Rozdział 3. Ruch prostoliniowy
Przyspieszenie swobodnego spadania
Kamień upuszczony ze szczytu klifu nabiera prędkości podczas spadania. Udajmy, że do kamienia przymocowane są prędkościomierz i licznik kilometrów, które pokazują odczyty prędkości i odległości w 1-sekundowych odstępach. Zarówno prędkość, jak i odległość są zerowe w czasie = zero (patrz rysunek). Zauważ, że po 1 sekundzie spadania odczyt prędkości wynosi 10 m/s, a odległość 5 m. Odczyty dla kolejnych sekund spadania nie są pokazane i masz je uzupełnić. Narysuj położenie wskazówki prędkościomierza i wpisz dla każdego czasu poprawne wskazanie licznika kilometrów. Użyj g = 10 m/s2 i pomiń opór powietrza.
MUSISZ WIEDZIEĆ!
Prędkość chwilowa swobodnego spadania: =
Droga przebyta w swobodnym spadaniu:
1. Wskazanie prędkościomierza wzrosło o tę samą wartość, ______ m/s, w każdej sekundzie. Ten przyrost prędkości na sekundę nazywamy
2. Droga przebyta w swobodnym spadaniu wzrasta z kwadratem _________.
3. Jeśli dotarcie do ziemi zajmie 7 sekund, to prędkość kamienia w chwili uderzenia wynosi ____ m/s, całkowita droga spadania jest równa ____ m, a przyspieszenie podczas spadania tuż przed uderzeniem w ziemię wynosi ______ m/s2.
Imię i nazwisko _____________________________________________________
Rozdział 3. Ruch prostoliniowy
Czas zawisania
Niektórzy sportowcy i tancerze mają duże umiejętności skakania. Podczas skoku wydają się oni na chwilę „zawisać w powietrzu” i przeciwstawić grawitacji. Czas, w którym skoczek jest w powietrzu ze stopami nad ziemią, nazywamy czasem zawisania. Poproś swoich przyjaciół, aby oszacowali czas zawisania wielkich skoczków. Mogą powiedzieć, że wynosi on 2 lub 3 sekundy. Ale zaskakująco, czas zawisania największych skoczków jest najczęściej krótszy niż 1 sekunda! Dłuższy czas to jedno z wielu złudzeń, jakie mamy na temat natury.
Aby lepiej to zrozumieć, znajdź odpowiedzi na następujące pytania:
1. Jeśli przy zejściu ze stołu dotarcie do podłogi zajmie ci pół sekundy, jaka będzie twoja prędkość, gdy zetkniesz się z podłogą?
2. Ile wyniesie twoja średnia prędkość spadania?
3. Jaką drogę przebędziesz, spadając?
Prędkość swobodnego spadania =przyspieszenie × czas =10m/s × liczba sekund =10m/s 2
Prędkość średnia = prędkość początkowa + prędkość końcowa
Droga = średnia prędkość × czas 2
4. Czyli, jak wysoko nad podłogą znajduje się powierzchnia stołu? ______________
Zdolność do skakania najlepiej mierzyć, wykonując skok w górę w miejscu.
Stań naprzeciwko ściany ze stopami płasko na podłodze i ramionami wyciągniętymi w górę. Zrób znak na ścianie w najwyższym miejscu, do którego sięgasz. Następnie skocz i, będąc w górze, zrób kolejny znak. Odległość między tymi dwoma znakami to twój skok w pionie. Jeśli jest większa niż 0,6 metra, jesteś wyjątkowy.
5. Na jaką wysokość możesz podskoczyć do góry? ______________
6. Oblicz swój czas zawisania, używając wzoru d = 1/2 gt2. (Pamiętaj, że czas zawisania to czas, w którym poruszasz się w górę + czas powrotu w dół).
Prawie każdy może bezpiecznie zejść ze stołu o wysokości 1,25 m. Czy ktoś w twojej szkole może wskoczyć z podłogi na taki stół? Nie ma mowy!
Jest duża różnica w tym, jak wysoko możesz sięgnąć i jak wysoko podnosisz swój „środek ciężkości” podczas skoku. Nawet gwiazda koszykówki Michael Jordan w czasach swojej świetności nie mógł podnieść swojego ciała na wysokość 1,25 metra, chociaż mógł z łatwością sięgnąć wyżej niż do kosza wiszącego wyżej niż 3 metry nad podłogą .
Mówimy tutaj o ruchu w pionie. A jak jest w przypadku skoków w dal? W rozdziale 10 zobaczymy, że wysokość skoku zależy tylko od prędkości pionowej skoczka w momencie startu. W powietrzu pozioma prędkość skoczka pozostaje stała, podczas gdy prędkość pionowa ulega zmianie wskutek przyspieszenia grawitacyjnego. Podczas lotu także żadna liczba wymachów nogami ani rękami, ani inne ruchy ciała nie mogą zmienić twojego czasu zawisania.
Rozdział 5. Trzecie prawo dynamiki Newtona
Wzajemne oddziaływania
1. Nellie Newton trzyma na dłoni pozostające w spoczynku jabłko o wadze 1 N. Przedstawione wektory sił to siły działające na jabłko.
a. Stwierdzenie, że ciężar jabłka wynosi 1N, oznacza, że na jabłko działa skierowana w dół siła grawitacji o wartości 1N wywierana przez [Ziemię] [jej rękę].
b. Ręka Nellie podtrzymuje jabłko siłą normalną N, która działa w kierunku przeciwnym do W. Możemy powiedzieć, że siła N [jest równa W] [ma taką samą wartość jak W].
c. Ponieważ jabłko jest w spoczynku, siła wypadkowa działająca na jabłko jest [zerowa] [niezerowa].
d. Ponieważ N jest równa i przeciwnie skierowana w stosunku do W, [możemy] [nie możemy] powiedzieć, że N i W tworzą parę akcja–reakcja. Wynika to z faktu, że akcja i reakcja zawsze [działają na ten sam przedmiot] [działają na różne przedmioty], a tu widzimy siły N i W [obie działające na jabłko] [działające na różne obiekty].
e. Jeżeli zgodnie z zasadą „Jeśli AKCJA to A działające na B, to REAKCJĄ jest B działające na A” powiemy, że akcja to Ziemia ciągnąca jabłko w dół, wówczas reakcja to siła [z jaką jabłko ciągnie Ziemię w górę] [N, z jaką ręka Neli pcha jabłko w górę].
f. Powtórzmy, aby to podkreślić: widzimy, że siły N i W są sobie równe i przeciwnie skierowane [i stanowią parę akcja–reakcja] [ale nie stanowią pary akcja–reakcja].
Aby określić parę sił akcja–reakcja w dowolnej sytuacji, należy najpierw określić parę wzajemnie oddziałujących obiektów. Coś oddziałuje z czymś innym. W tym przypadku cała Ziemia oddziałuje (grawitacyjnie) z jabłkiem. Czyli Ziemia ciągnie jabłko w dół (nazwijmy to akcją), a jabłko ciągnie Ziemię w górę (reakcja). Mówiąc prościej, Ziemia przyciąga jabłko (akcja), a jabłko przyciąga Ziemię (reakcja).
Albo lepiej: jabłko i Ziemia przyciągają się wzajemnie równymi i przeciwnymi siłami, które stanowią jedno wzajemne oddziaływanie.
g. Inną parą sił są N (pokazana) oraz siła skierowana w dół, z jaką jabłko działa na dłoń Nellie (niepokazana). Ta para sił [jest] [nie jest] parą akcja–reakcja.
h. Załóżmy, że Nellie pcha teraz jabłko w górę z siłą 2 N. Jabłko [nadal jest w równowadze] [przyspiesza do góry], a w porównaniu z W wielkość N [jest taka sama] [jest dwa razy większa] [nie jest ani taka sama, ani dwa razy większa].
i. Gdy jabłko opuszcza rękę Neli, N jest [zerowa] [nadal dwa razy większa od W], a siła wypadkowa działająca na jabłko jest równa [zeru] [tylko W] [nadal W – N, czyli jest ujemna].
i nazwisko
Rozdział 5. Trzecie prawo dynamiki Newtona
Rozkład wektorów sił na składowe
W każdym przypadku na kamień działa jedna lub więcej sił. Używając ołówka i linijki, narysuj dokładny rozkład wektorów sił, ilustrujący wszystkie siły składowe działające na kamień i żadne inne. Pierwsze dwa przypadki są podane jako przykłady. Z reguły równoległoboku w przypadku 2 wynika, że suma wektorowa A + B jest równa co do wartości W i przeciwnie do niej skierowana (czyli A + B = –W). To samo zrób dla przypadków 3 i 4. Narysuj i oznacz wektory sił ciężkości i siły normalnej podporu w przypadkach od 5 do 10 oraz odpowiednich sił w przypadkach 11 i 12.
1. Stan równowagi
2. Stan równowagi3. Stan równowagi
4. Stan równowagi5. Stan równowagi
7. Opóźnienie wskutek tarcia
8. Stan równowagi (tarcie zapobiega poślizgowi)
6. Przesuwanie ze stałą prędkością bez tarcia
10. Stan równowagi
11. Kamień spada swobodnie
9. Kamień zsuwa się (bez tarcia)
12. Spadanie z prędkością końcową
Courtowi.
Rozdział 8. Ruch obrotowy
Przyspieszenie i ruch po okręgu
Drugie prawo dynamiki Newtona, a = F/m, mówi nam, że siła wypadkowa i odpowiadające jej przyspieszenie mają zawsze ten sam kierunek. (Zarówno siła, jak i przyspieszenie są wielkościami wektorowymi). Ale siła i przyspieszenie nie zawsze są zgodne z kierunkiem prędkości (inny wektor).
1. Jesteś w samochodzie stojącym na światłach. Światło zmienia się na zielone i kierowca naciska na gaz. Szkic przedstawia widok samochodu z góry. Zwróć uwagę na kierunek wektorów prędkości i przyspieszenia.
a. Ciało kierowcy [ma tendencję do odchylania się do przodu] [pozostaje nieruchome] [ma tendencję do odchylania się do tyłu].
b. Samochód [przyspiesza do przodu] [wcale nie przyspiesza] [przyspiesza do tyłu].
c. Na samochód [działa siła skierowana do przodu] [nie działa żadna siła] [działa siła skierowana do tyłu].
2. Jedziesz dalej i zbliżasz się do znaku stop. Kierowca naciska pedał hamulca. Na szkicu przedstawiono widok samochodu z góry. Narysuj wektory prędkości i przyspieszenia.
a. Twoje ciało [ma tendencję do wychylania się do przodu] [nie porusza się] [ma tendencję do wychylania się do tyłu].
b. Samochód [przyspiesza do przodu] [nie przyspiesza] [przyspiesza do tyłu].
c. Na samochód [działa siła skierowana do przodu] [nie działa żadna siła] [działa siła skierowana do tyłu].
3. Kontynuujesz jazdę i pokonujesz ostry zakręt w lewo ze stałą prędkością. Narysuj wektory prędkości i przyspieszenia samochodu.
a. Twoje ciało [ma tendencję do pochylania się do wewnątrz zakrętu] [nie pochyla się] [ma tendencję do pochylania się na zewnątrz zakrętu].
b. Przyspieszenie samochodu [jest skierowane do wewnątrz zakrętu] [jest równe zeru] [jest skierowane na zewnątrz zakrętu].
c. Na samochód [działa siła skierowana do wewnątrz zakrętu] [nie działa żadna siła] [działa siła skierowana na zewnątrz zakrętu].
4. Ogólnie rzecz biorąc, kierunki przechylania i przyspieszenia, a zatem kierunki przechylania i siły [są takie same] [nie mają ze sobą związku] [są przeciwne].
5. Kierunek ruchu wirującego kamienia ciągle się zmienia.
a. Gdy porusza się szybciej, jego kierunek zmienia się [szybciej] [wolniej].
b. Wynika z tego, że wraz ze wzrostem prędkości przyspieszenie [wzrasta] [maleje] [pozostaje bez zmian].
6. Podobnie jak w pytaniu 5 rozważ wirowanie kamienia na krótszym sznurku – czyli o mniejszym promieniu.
a. Dla danej prędkości szybkość, z jaką kamień zmienia kierunek, jest [mniejsza] [większa] [taka sama].
b. Wynika z tego, że w miarę zmniejszania się promienia przyspieszenie [rośnie] [maleje] [pozostaje bez zmian]. Podziękowania dla Jima Harpera.
Imię i nazwisko _____________________________________________________
Rozdział 8. Ruch obrotowy
Latająca świnka
Zabawka świnka leci po okręgu ze stałą prędkością. Układ ten jest nazywany wahadłem stożkowym, ponieważ linka podtrzymująca zakreśla kształt stożka. Pomijając działanie trzepoczących skrzydeł, na świnkę działają tylko dwie siły – grawitacyjna mg i naprężenia sznurka T.
Analiza składowych wektorów siły.
Zauważ, że wektor T można rozłożyć na dwie składowe – poziomą Tx i pionową T y . Te składowe wektora są narysowane linią przerywaną, aby odróżnić je od wektora naprężenia T.
Zakreśl poprawne odpowiedzi.
1. Gdyby T zastąpić w jakiś sposób jej składowymi Tx i T y , to świnka [zachowałaby się] [nie zachowałaby się] tak samo, jak będąc utrzymywana przez T
2. Ponieważ świnka nie przyspiesza w pionie, zatem w porównaniu z mg składowa T y musi być [większa] [mniejsza] [równa i przeciwnie skierowana].
3. Prędkość świnki w każdej chwili jest [skierowana wzdłuż promienia] [styczna do] jej kołowej drogi.
4. Ponieważ świnka kontynuuje ruch po okręgu, składowa Tx musi być siłą [dośrodkową] [odśrodkową] [nieistniejącą], która jest równa [zeru] [mv 2/r]. Ponadto Tx jest [skierowana wzdłuż promienia] [styczna do] wykreślanego okręgu.
Analiza wynikowego wektora siły.
5. Zamiast rozkładać T na składową poziomą i pionową, narysuj ołówkiem wypadkową mg i T z wykorzystaniem reguły równoległoboku
6. Wypadkowa jest skierowana [poziomo] [pionowo] i zwrócona [do] [od] środka okręgu. Wypadkowa mg i T jest siłą [dośrodkową] [odśrodkową].
Dla ruchu prostoliniowego bez przyspieszenia, ΣF = 0. Ale dla ruchu jednostajnego po okręgu ΣF = mv /r 2
Dzięki Pablo Robinsonowi i Miss Piggy.