presstern carte fizica

7/29/2019 Presstern Carte Fizica

1/20


2/20

Cuprins

Uniti de msur i cantiti fizice ....................... 1

Cantiti i uniti de msur de baz ..................................................... 21. ndrumtor: conversia ntre u. m. (uniti de msur) de ordin diferit ..... 3

Cantiti fizice i uniti de msur derivate ........................................... 42. ndrumtor: pentru definirea i conversia cantitilor i u.m. derivate ... 4

I. Mecanic............................................................. 7I.1. Cinematic ........................................................................................7

3. ndrumtor: pentru determinarea traiectoriei............................................ 8I.1.1. Micarea linear dreapt..................................................................................10

a) Micarea dreapt rectilinie uniform..............................................................10I.1.2. Micarea curbilinie .......................................................................................... 12

a) Aruncri ........................................................................................................... 12a.1. Aruncare vertical..................................................................................... 12a.2. Aruncare orizontal.................................................................................. 12a.3. Aruncare sub un unghi ............................................................................. 13

b) Micarea circular uniform ........................................................................... 134. ndrumtor: pentru rezolvarea problemelor legate de cinematic ........... 14I.2. Dinamic ........................................................................................ 18

I.2.1. Legile lui Newton ............................................................................................. 19a) Prima lege a lui Newton (Principiul ineriei) .................................................. 19

b) A doua lege a lui Newton (Principiul fundamental) ....................................... 19c) A treia lege a lui Newton (Principiul aciunii i reaciunii) ........................... 20

I.2.2. Greutatea (Fora gravitaional) .................................................................... 20I.2.3. Fora de frecare............................................................................................... 20

a) Fora de frecare static sau de aderen ........................................................ 20b) Fora de frecare cinetic sau de alunecare ...................................................... 21

I.2.4. Descompunerea forelor; Panta ...................................................................... 215. ndrumtor: pentru descompunerea forelor n cazul pantei .................... 21

I.2.5. Fora elastic, legea lui Hooke, fora de tensiune .......................................... 256. ndrumtor: probleme legate de forele elastice i de tensiune ............... 26

I.2.6. Presiunea, presiunea hidrostatic.................................................................. 28I.2.7. Impulsul i teorema impulsului ..................................................................... 29

7. ndrumtor: pentru aplicarea corect a conservrii impulsului n

probleme ........................................................................................................ 30I.2.8. Fore ineriale ................................................................................................. 32


3/20

I.2.9. Fora centripetali centrifugal ................................................................... 32I.2.10. Legea atraciei universale ............................................................................. 33I.2.11. Legea lui Arhimede ........................................................................................ 34

I.3. Static ............................................................................................ 34I.3.1. Statica punctului material ............................................................................... 34I.3.2. Condiiile de echilibru pentru corpul rigid .................................................... 35I.3.3. Centrul de greutate, situaii de echilibru ....................................................... 36

8. ndrumtor: pentru stabilirea condiiilor de echilibru ............................. 36I.4. Munc mecanici energie ............................................................. 39

I.4.1. Munca mecanic (Lucrul mecanic) ................................................................ 39I.4.2. Puterea ............................................................................................................ 40I.4.3. Energia ............................................................................................................ 40

a) Energia potenial ........................................................................................... 40a1) Energia potenial gravitaional............................................................. 40a2) Energia potenial n resort ..................................................................... 41

b) Energia cinetic............................................................................................... 41I.4.4. Teorema lucrului mecanic i conservarea energiei ....................................... 41

b) Conservarea energiei ...................................................................................... 429. ndrumtor: pentru aplicarea lucrului mecanic i conservarea energiei . 42

II. Termodinamic ............................................... 47II.1. Noiuni de baz a termodinamicii ................................................... 47II.2. Principiul 0 al termodinamici ....................................................... 49II.3. Calorimetria ................................................................................. 50

10. ndrumtor: pentru utilizarea calorimetrului i rezolvarea problemelorcalorimetrice .................................................................................................... 51

II.4. Primul principiu al termodinamicii .............................................. 54II.5. Gazul ideal .................................................................................... 56

II.5.1. Ecuaie de stare a gazului ideal ..................................................................... 56II.5.2. Transformrile gazului ideal ......................................................................... 58

11. ndrumtor: pentru transformrile gazului ideal .................................... 64II.6. Tranziii de faz ............................................................................ 68II.6.1. Topirea i solidificarea ................................................................................... 68II. 6.2. Fierbere, vaporizare i condensare .............................................................. 69II.6.3. Sublimare i desublimare.............................................................................. 69

II.7. Mainile termice, frigorifice i pompe de cldur .......................... 69II.7.1. Motorul Otto (motorul de benzin) ................................................................ 71II.7.2. Motorul diesel ................................................................................................ 72

II.8. Al doilea principiu al termodinamicii............................................. 7312. ndrumtor: Pentru determinarea randamentelor mainilor termice ... 75


4/20

III. Electricitate .................................................... 78III.1. Starea electric a materiei. Sarcina electric .................................78III.2. Curentul electric ...........................................................................78

Conservarea sarcinii electrice ............................................................................. 80Potenialul electric .............................................................................................. 8013. ndrumtor: pentru notarea corect a elementelor din circuite electrice

i schiarea corect a acestuia ......................................................................... 81III.3 Legea lui Ohm. Rezistena electric .............................................. 84

III.3.1. Legea lui Ohm pe o seciune a circuitului electric ...................................... 84III.3.2. Legea lui Ohm pentru ntregul circuit ........................................................ 86

14. ndrumtor: pentru aplicarea legii lui Ohm ............................................ 86III.4. Legile lui Kirchoff ........................................................................ 89

III.4.1. Prima lege a lui Kirchoff .............................................................................. 90III.4.2. A doua lege a lui Kirchoff ............................................................................. 91

III.5. Legarea rezistenelor .................................................................... 91III.5.1. Legarea n seria a rezistenelor ..................................................................... 91III.5.2. Legarea n paralel a rezistenelor ................................................................ 92

III.6. Legarea surselor de tensiune ....................................................... 93III.6.1. Legarea surselor n serie .............................................................................. 93III.6.2. Legarea paralel a surselor .......................................................................... 93

15. ndrumtor: pentru rezolvarea reelelor electrice ................................... 94III.7. Energia i puterea electric.......................................................... 9916. ndrumtor: Pentru calcularea puterii electrice i a randamentului .... 100IV. Optica ........................................................... 105IV.1. Optica geometric ....................................................................... 105

IV.1.1. Principiile opticii geometrice ....................................................................... 105IV.1.2. Propagarea luminii (legile de baz ale opticii geometrice) ....................... 106IV.1.3. Reflexia luminii ........................................................................................... 107IV.1.4. Refracia luminii ......................................................................................... 108IV.1.5. Formarea imaginii ...................................................................................... 109

a) Oglind plan ................................................................................................. 110b) Imagistica lentilelor subiri ............................................................................ 111

17. ndrumtor: pentru refracie, reflexie i proiectarea imaginilor. .......... 124IV.2. Optica ondulatorie ...................................................................... 128

IV.2.1. Experimentul lui Young cu doua fante .......................................................128IV.3. Optica fotonic ........................................................................... 130


5/20

1

Uniti de msuri cantiti fizice

Fenomenele naturii sunt dirijate n ntregime de legile generale ale fizicii. Pentru

descrierea calitativ ct i cantitativ a acestora este necesar definirea unor cantiti

fizice msurabile.

n concordan cu definiia cantitilor fizice, ele trebuie s fie msurabile ntr-unmod evident, astfel nct diferitele metode de msurare pentru aceeai cantitate s

aib rezultat identic.

Ca exemplu ar fi anecdota despre Heisenberg n care se pot afla diferite metodecorecte de stabilirea nlimii unui turn.

Scopul msurtorii este obinerea unor rezultate comparabile cu alte rezultate carecaracterizeaz aceeai cantitate fizic, motiv pentru care descrierea unei cantiti

fizice se face prin dou date: numr de msur (x) i unitate de msur (ex.: kg).

Numrul de msur reprezint multiplul unitii de msur care alctuiete

cantitatea fizic. Evident, ci n cazul n care avem de a face cu 100 kg de produs sau100 t (ton) de produs. Menionm: nu fiecare cantitate fizic are unitate de msur.Exemplu: indicele de refracie a luminii care se descrie prin folosirea unui numr:

21

,3

2 etc. Aceasta are loc cnd cantitatea fizic respectiv poate fi descris prin

proporionalitatea a dou cantiti fizice cu aceeai unitate de msur. ntruct

indicele de refracie este:2

1

v

vn unde 1v i 2v sunt viteze. Fie 1v

810s

m i

2v 8108 sm , n acest caz indicele de refracie este 31103

101

8

8

2

1

s

ms

m

vvn , deci

cantitatea fizic nu are unitate de msur, ea este adimensional.

n Romnia se folosete sistemul internaional de msur, care se noteaz astfel:

,1kgm SI nseamn c unitatea de msur pentru mas este 1kg. O alt descriere

ar fi: .1kgmSI


6/20

2

Cantitile fizice au notaii general acceptate dar pentru fiecare cantitate exist mai

multe variante de notaie, chiar i noi putem folosi un sistem propriu de notaie dac

acesta este definit la momentul potrivit.

Cantiti i uniti de msur de bazn sistemul internaional de msur existapte cantiti, respectiv uniti de msur

de baz i dou complementare, din care deriv cantitile i unitile de msur

respective.

Tabel 1.

Pentru descrierea cantitilor de msur de ordine diferite folosim multipli de 10 cu

exponent negativ sau pozitiv precum i diferite semne pentru multiplii sausubmultiplii unitilor de msur.

Dac vorbim despre distane ntre localiti folosim kilometrul (km), pe cnd ladistane atomice, de exemplu mrimea atomului folosim femtometrul (fm).

Tabel 2.

Denumire Notaie Ordin de msurtera T 1012giga G 109mega M 106kilo k 103hekto h 102deka da(dk) 10

100=1deci d 10-1

centi c 10-2mili m 10-3

Cantitate de baz Notaie Unitate de msur Notaie

lungime l metru mmas m kilogram kgtimp t secund stemperatur T, t kelvin Kcantitate molar , n mol molintensitatea curentului electric I amper Aintensitatea luminoas I kandela cdCantitate complementarunghi radian rad

unghi solid steradian sr


7/20

3

Denumire Notaie Ordin de msurmicro 10-6nano n 10-9pico p 10-12femto f 10-15

atto a 10-18

1. ndrumtor: conversia ntre u. m. (uniti de msur) de ordin diferit

Scop: conversia unei u. m. de un anumit ordin caracteristic pentru o cantitate fizicntr-o u. m. de ordin diferit.

Metodologie: folosind tabelul de mai sus numrul de msur este multiplicat cuordinul de mrime pentru 10 corespunztor fiecrui semn, astfel nct multiplicarea

s nu schimbe cantitatea respectivExemple:

1. 23km=23 103m=2300m (din km n m)

2. 3g=3 3 10-3 103g=3 103kg=0,003kg (din g n kg)

3. 6km=6 103m=6 103 102 10-2m=6 103 102cm=6 105cm (din km n cm)

4.mmm

mmnm

23,010230010102300

10101023001023002300369

6699

(din nm n m )

5. mFmFmFFF 6,0106001010600101010600600 336336

(din Fn mFundeFeste Farad)

6. mAmAAA 5000105101055 333 (dinA n mA)

7. 10-2m=1cm (din m n cm)

8. kmmmmm 5,0101051010105105500 31212 (din m n km)

9. molmolkmol 300103,03,0 3 (din kmoln mol)

10.h

km

h

km

h

km

s

m

s

m2,103600103

3600

103

36003600

101033 3

1

3

1

33


8/20

7

I. Mecanic

Mecanica este tiina care studiaz legile de micare a corpurilor. Mecanica clasic se

mparte n cinematic, dinamici static. De regul, pentru rezolvarea problemelorn mecanic este necesar cunoaterea acestor trei domenii.

I.1. Cinematic

Cinematica studiaz deplasarea unui corp fr a lua n considerare cauzele acesteia.

Pentru simplitate corpurile, sunt considerate punctiforme i sunt ca punct material.

Deplasarea unui corp are loc n raport cu alte corpuri, fr care nu se poate vorbidespre deplasare. Corpul sau sistemul de raport prin care micarea este descris se

numete sistem de referin. Pentru descrierea analitic a deplasrii, sistemul de

referin este nlocuit cu un sistem de coordonat. Sistemului de referin i seatribuie un sistem de coordonate.

Linia de curb parcurs de punctul material n sistemul de coordonate se numete

traiectorie, a crei lungime este drumul parcurs ( s ). Deplasarea se definete printr-

un vector care leag punctul de origine cu punctul final micrii ( r ).

Micarea n plan este descris de coordonatele (x, y), iar cea linear de o singurcoordonat la alegere x sau y.

Fig. I.1. Sistem de coordonate dreptunghic; traiectorie, deplasare

Poziia punctului material este determinat prin vectorul de poziie care este definit

prin coordonatele (x, y, z).


9/20


10/20

9

Unitate de msur s

mv

SI1

Viteza instantanee sau momentan este viteza punctului material ntr-un anumit

punct pe un interval de timp foarte mic ( 0t )

Notaie: v (vector)

Formul:

t

trttr

t

rv

n 3D

t

zv

t

y

v

t

xv

z

y

x

de regul n cazul 1D se folosete notaia xv

Unitate de msur: s

mv

SIx1

Folosirea indicilor x, yi z nu este mereu necesar. Se folosete notaiat

xv

.

Acceleraia este variaia vitezei punctului material ntr-un interval de timp t

(variaia poate fi negativ descresctoare sau pozitiv n cazul n care punctul

material sufer o cretere n vitez).

Notaie: a (vector)

Formul:

t

tvttv

t

va

Unitate de msur:2

1s

ma

SI

n probleme acceleraia este mereu constant indiferent de lungimea intervalului de

timp t .


11/20

10

I.1.1. Micarea linear dreapt

a) Micarea dreapt rectilinie uniform

v =constant

tvxs (drumul parcurs)

Fig.I.2. Grafic vitez timp

Fig. I.3. Grafic drumului parcurs

vt

stg

b) Micarea rectilinie dreapt neuniform

a =constant

20 2

1tatvxs - drumul parcurs

0v vitez iniial

t interval de timp

tavv 0 - vitez final


12/20

11

Fig. I.4. Grafic vitez timp

Fig. I.5. Grafic acceleraie timp

Fig. I.6. Grafic drum parcurs timp


13/20

47

II. Termodinamic

Termodinamica este tiina care studiaz starea termic a corpurilor i modificarea

acesteia. Temodinamica clasic determin in mod empiric caracteristicilemacroscopice a unui sistem. Cantitile macroscopice a unui material suntdeterminate de structura microscopica a acestuia, micarea dezordonat a

particulelor i interaciunea acestora.

II.1. Noiuni de baz a termodinamicii

Cea mai mic divizie a unui material care conserv proprietile chimice ale acestuiase numete molecul. Descompunerea moleculelor rezult n atomi care pot fi

produse din acetia prin metode chimice.

Legea lui Avogadro: gaze cu acelai volum, aflate la aceeai presiune cu aceeaitemperatura conin acelai numr de molecule indiferent de natura acestora.

Cantitatea de substan este msurat n mol-I, un mol este masa molar a unuisistem care conine un numr de particule elementare (atomi sau molecule) egal cu

numrul atomilor din 0.12kg12

C. Acest numr este aproximativ 6.023 x 1026

Notaie: v

Unitate de msur: molSI 1

Observaie: numrul corespunztor acestui numr de molecule este numrul lui

AvogadroNA=6.0231026 molecule/kmolsauNA=6,0231023 molecule/mol.

Masa unei cantiti molare de un mol este numit masa molar.

Notaie:

Unitate de msur: mol

kgSI 1

Formul: AAA Nm

Masa molecular relativ a unei molecule dintr-o substan este numrul care arat

de cte ori masa acesteia este mai mare ca 1/12 masa a unui atom 12C

Notaie: r


14/20

48

Formul:C

Ar

m

mA Am masa moleculei

mC masa 12C

Unitate de msur: 1SIr (adimensional)

Masa unitar este egal 1/12 din masa unei atom 12C.

Notaie: u

Formul: kgm

u c 271066,112

Unitate de msur: kgu SI 1

Observaie: masa unui atom 12C este egal cu 12u.

Volumul molar este volumul unui kmolde gaz oarecare

Notaie: V

Formul: 30 41,22 mV 0V volumul molar a gazului ideal

Unitate de msur: 31mVSI

Un sistem macroscopic este un sistem termodinamic care conine particuleelementare de un numr multiplu a numrului Avogardo. Parametrii termodinamici

sunt cantiti fizice care descriu n mod direct sistemul termodinamic i sunt

msurabili (ex. temperatura, presiunea, volumul). Starea unui sistem definit deaceti parametrii se numete stare termodinamic.

Sistemul termodinamic se afl n echilibru dac parametrii care l caracterizeaz nu

se modific n timp. Dac exist o modificare a acestor parametrii atunci vorbim

despre un proces termodinamic. Gradele de libertate sunt parametri independenicare definesc poziia moleculei : coordonatele x, y, z sau parametrii de vitezptratica din expresia energiei vx, vy, vz.

Notaie:fsau i

Observaii:

molecula cu un atom f=3 molecula cu doi atomi f=5 molecula cu trei atomi f=6


15/20

49

Dou sisteme termodinamice aflate n echilibru sunt n contact termic dac exist

posibilitatea conduciei termice sau transferului de energie prin radiaie. Relaia

termic nu trebuie s fie neaprat de natur mecanic.

II.2. Principiul 0 al termodinamiciPrincipiul 0 al termodinamicii definete temperatura ca fiind cantitatea caredefinete echilibrul termic: exist un parametru care caracterizeaz echilibrul termic

numit temperatur. Condiia echilibrului termic const ntr-o temperatur constantn ntregul sistem. Temperatura totodat arat direcia schimbului de cldur

(formulat n al doilea principiu al termodinamici).

Temperatura este msurat cu un termometru. Principiul de funcionare altermometrului se bazeaz pe modificarea liniar a unei cantiti fizice dependent de

temperatur. Pe lng aceasta este necesari definirea unei scale de temperatur.

Termometrele clasice funcioneaz pe principiul dilatrii termice. La nclzire se

dilat iar la rcire se contract.

Notaie: l modificarea lungimii

V modificarea volumului

Formul: Tll Tll 10

TVV 0 TVV 10

0l lungimea iniial

0V volumul iniial

T diferena de temperatur

coeficient de dilatare termic linear

coeficient de dilatare termic volumic

Unitate de msur:

K

K

SI

SI

1

1

Observaie: din dilatarea lichidului din termometru se poate determina temperatura.


16/20

105

IV. Optica

Optica studiaz fenomenele legate de lumin i legile de propagare a acesteia.

Considernd metodele pentru analizarea luminii, optica se mparte n trei pri:optica geometric, optica ondulatorie i optica fotonic.

Optica geometric studiaz fenomenele luminii ntr-un mediu de mrimi mult mai

mari dect lungimea de und a luminii. Pentru descrierea fenomenelor luminii n

acest domeniu se introduce noiunea razei de lumin cu ajutorul creia se determinrelaii geometrice fr a se considera natura luminii.

Domeniul opticii ondulatorii const n propagarea luminii prin fante i interaciunea

acesteia cu obstacole mici. Optica ondulatorie studiaz fenomenele luminii n spaiide mrime aproximativ egal cu mrimea lungimii de und. Fenomenele

caracteristice n acest caz sunt difracia, interferenti polarizarea luminii. n acestcaz este necesar considerarea naturii luminii. Optica fotonic studiaz interaciunealuminii cu materia la nivel atomic i subatomic. Ordinul de mrime al acestor sisteme

este mult mai mic dect lungimea de und. nelegerea fenomenelor se bazeaz pe

natura corpuscular a luminii.

IV.1. Optica geometric

IV.1.1. Principiile opticii geometrice

Sursele de lumin sunt considerate corpurile care radiaz lumina. Surse primare de

lumin sunt corpuri care emit ei nsui radiaia electromagnetic, surse de lumin

secundare sunt acele de pe suprafaa crora lumina este reflectat. n cazul n caremrimea unei surse de lumin este mic aceasta este considerat punctiform. Surseide lumin punctiforme nu i sunt atribuite mrimi geometrice. n concordana cu

optica geometric fiecare punct al sursei de lumin emite radiaie n fiecare direcie

care se propag de a lungul unei linii geometrice. Aceste drepte sunt numite raze delumin. Un fascicul de lumin este alctuit din mai multe raze de lumin.Considernd direcia razelor de lumin a unui fascicule, acesta poate fi paralel

(Fig.lV.), divergent (Fig.lV.2) sau convergent (Fig.lV.3).


17/20


18/20

107

Unitate de msur: s

mc SI 1

Observaii: viteza luminii este dependent de mediul propagrii; valoarea de mai sus

caracterizeaz viteza propagrii luminii n vid.

Umbra este considerat suprafaa geometric care nu este iluminat n mod direct de

sursa de lumin, n schimb suprafeele nconjurtoare sunt iluminate. Formareaumbrelor se explic uor prin legea propagrii rectilinii a luminii (Fig.lV.4.).Deoarece lumina se propag de a lungul unei drepte, exist o suprafaa n spatele

obiectului netransparent unde raza de lumin nu ajunge.

Fig.IV.4.: Formarea umbrei

b) Din cauza faptului c razele de lumin nu interacioneaz ntre ele, acestea sepropag independent una faa de cealalt; nici intersectarea acestora nu influeneaz

propagarea lor.

c) Conform legii reversibilitii drumului razelor de lumin, lumina se propag dinpunctul A n puntul B la fel ca din punctul B n punctul A.

IV.1.3. Reflexia luminii

Atunci cnd o raz de lumin ajunge la suprafaa de separare dintre doua mediiomogene, transparente i izotrope o parte din lumin se ntoarce n mediul din care aprovenit, fenomen numit reflexie, iar o parte ptrunde n mediul al doilea, fenomen

numit refracie. Dac fascicolul de lumin reflectat i pstreaz natura paralel,

reflexia este secular, n caz contrar reflexia este difuz. Instrumentul optic pe

suprafaa creia se produce reflexia secular este numit oglind plan. Dacsuprafaa mprtie lumina se numete suprafa mat.


19/20

108

Considernd fig.IV.5 legile reflexiei sunt urmtoarele:

1. Raza incident, normal n punctul de incidenti raza reflectat se afl n acelai

plan, numit plan de inciden.

2. Unghiul de inciden este egal cu unghiul de reflexie.

Formul: i'= iunde i'unghiul de reflexie i ieste unghiul de incident

Observaii:

raze de lumin incidente paralele se reflect paralel raze de lumin incidente perpendicular se reflect n ele nsui.

Fig.IV.5.: Legile reflexiei

IV.1.4. Refracia luminii

Atunci cnd o raz de lumin ajunge la suprafaa de separare dintre doua medii

omogene, transparente i izotrope, o parte din lumin se ntoarce n mediul din carea provenit, o parte ptrunde n mediul al doilea schimbndu-i direcia, fenomenulde refracie a luminii.

Considernd fig.IV.6. se pot determina legile refracie.

1. Raza incident, normal n punctul de incideni raza refractat se afl n acelaiplan, numit plan de inciden.

2. O raz de lumin incident perpendicular nu i schimb direcia de propagare.

3. Legea lui Snellius-Descartes descrie relaia ntre unghiul de incideni unghiul derefracie.

Formul: n1 sin i1 = n2 sin i2

sau


20/20

211

2

2

1

sin

sinn

n

n

i

i n1 n2 indice de refracie pentru nodurile 1 i 2

n21 indice de refracie negativ

i1 unghiul de inciden (i)i2 unghiul de refracie (r)

Fig.IV.6.: Legile refraciei

Indicele de refracie relativ este raportul vitezelor luminii n cele dou medii.

Notaie: n21 n21 este indicele de refracie relativ a mediului 2. Fa de mediul 1.

Formul:2

1

1

221

c

c

n

nn c1, c2 vitezele luminii n mediile 1. i 2.

Unitate de msur: 121 SIn (adimensional)

Indicele de refracie absolut se refer la indicele de refracie al unui mediu n

comparaie cu indicele de refracie a vidului.

Notaie: n1 =n10 n0 = 1 indicele de refracie a vidului

Formul:1

0

0

11

c

c

n

nn c0 viteza luminii n vid

Unitate de msur: 11 SIn (adimensional)

IV.1.5. Formarea imaginii

Pentru formarea imaginii unui obiect se folosesc diverse instrumente optice.

presstern carte fizica

Documents