Objective Physics Vol 1 for NEET

1. Fizyka mierzy świat poprzez pomiar i analizę

Wszystkie wielkości używane do opisu praw fizyki nazywamy wielkościami fizycznymi, np. długość, masa, objętość itp.

Pomiar jest podstawą. Fizyka opiera się na precyzyjnym pomiarze wielkości fizycznych. Takie wielkości jak długość, masa czy czas stanowią fundament do opisu wszechświata i jego praw. Standardowe układy jednostek, na przykład układ SI, zapewniają spójność i porównywalność pomiarów na całym świecie.

Jednostki nadają sens. Każdy pomiar wymaga jednostki, by nabrać znaczenia. Układ SI definiuje jednostki podstawowe dla wielkości fundamentalnych (metr dla długości, kilogram dla masy, sekunda dla czasu itd.) oraz jednostki pochodne dla wielkości takich jak prędkość (m/s) czy siła (niuton). Zrozumienie jednostek jest kluczowe dla właściwej interpretacji wartości fizycznych.

Wymiary ujawniają zależności. Analiza wymiarowa wykorzystuje podstawowe wymiary (np. [M], [L], [T]) do sprawdzania spójności równań oraz wyprowadzania zależności między wielkościami fizycznymi. Błędy pomiarowe są nieuniknione, ale można je klasyfikować (systematyczne, przypadkowe) i wyrażać ilościowo (absolutne, względne, procentowe), co pozwala ocenić wiarygodność wyników.

2. Ruch jest względny i precyzyjnie opisany przez wektory

Kąt jest dodatni (lub ujemny), jeśli linia początkowa obraca się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (lub zgodnie z ruchem wskazówek) do linii końcowej.

Ruch jest względny. To, czy ciało spoczywa, czy się porusza, zależy całkowicie od układu odniesienia obserwatora. Ciało może być w spoczynku względem jednego obserwatora, a względem innego – w ruchu. Ta względność jest podstawową koncepcją opisu ruchu.

Wektory opisują ruch. Wielkości takie jak przemieszczenie, prędkość i przyspieszenie mają zarówno wartość, jak i kierunek, dlatego są wielkościami wektorowymi. Wektory przedstawia się graficznie za pomocą strzałek, a matematycznie przez składowe (np. wektory jednostkowe i, j, k). Algebra wektorowa (dodawanie, odejmowanie, iloczyn skalarny i wektorowy) umożliwia precyzyjne operowanie tymi wielkościami.

Kinematyka ilościowo opisuje ruch. Kinematyka zajmuje się opisem ruchu bez uwzględniania jego przyczyn. Kluczowe pojęcia to:

• Droga (wielkość skalarna, długość toru ruchu) a przemieszczenie (wektorowa zmiana położenia)
• Prędkość (skalarna szybkość pokonywania drogi) a wektor prędkości (szybkość i kierunek przemieszczenia)
• Przyspieszenie (wektorowa szybkość zmiany prędkości)

Dla ruchu jednostajnie przyspieszonego proste równania kinematyczne łączą te wielkości w funkcji czasu i przemieszczenia.

3. Siły powodują zmiany ruchu, nie tylko sam ruch

Czynnik niezbędny do wywołania ruchu lub zmiany ruchu nazywamy siłą.

Siły wywołują przyspieszenie. Prawa Newtona opisują związek między siłą a ruchem. Pierwsze prawo mówi o bezwładności – ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, jeśli nie działa na nie siła zewnętrzna. Drugie prawo kwantyfikuje to: siła wypadkowa działająca na ciało jest proporcjonalna do jego masy i przyspieszenia (F = ma).

Siły występują parami. Trzecie prawo Newtona stwierdza, że każdej akcji towarzyszy równa i przeciwna reakcja. Siły zawsze pojawiają się parami, działając na różne ciała. Do najczęściej spotykanych sił należą:

• Ciężar (siła grawitacji)
• Siła normalna (reakcja podłoża)
• Napięcie (siła w linach i linkach)
• Tarcie (przeciwdziałające względnemu ruchowi)
• Siła sprężystości (odbijająca w sprężynach)

Równowaga oznacza zrównoważone siły. Ciało jest w równowadze, gdy siła wypadkowa działająca na nie wynosi zero. Oznacza to, że pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym. Diagramy sił pomagają zobrazować wszystkie siły działające na ciało, co ułatwia analizę ruchu lub stanu równowagi.

4. Energia to fundamentalna wielkość, która się przekształca, ale jest zachowana

Energia ciała definiowana jest jako jego zdolność do wykonywania pracy.

Praca przenosi energię. Praca wykonana jest wtedy, gdy siła powoduje przesunięcie w kierunku działania tej siły. Jest to wielkość skalarna, która reprezentuje transfer energii. Praca wykonana przez siłę stałą to iloczyn skalarny siły i przemieszczenia (W = F · s). Dla sił zmiennych pracę oblicza się przez całkowanie siły względem przemieszczenia.

Energia występuje w różnych formach. Energia może mieć postać mechaniczną – kinetyczną i potencjalną. Energia kinetyczna to energia ruchu (EK = ½ mv²), natomiast energia potencjalna to energia zgromadzona w wyniku położenia lub konfiguracji (np. energia potencjalna grawitacji EP = mgh, energia sprężystości EP = ½ kx²).

Energia jest zachowana. Twierdzenie o pracy i energii mówi, że praca netto wykonana na ciele równa się zmianie jego energii kinetycznej. Ogólnie prawo zachowania energii stwierdza, że całkowita energia izolowanego układu pozostaje stała, choć może przechodzić z jednej formy w inną (np. z energii potencjalnej w kinetyczną). Moc to szybkość wykonywania pracy lub przekazywania energii.

5. Pęd pozostaje stały w układach izolowanych podczas oddziaływań

Całkowity pęd układu izolowanego (układu, na który nie działają siły zewnętrzne) o stałej masie pozostaje stały i nie zmienia się w czasie.

Pęd opisuje ruch. Pęd liniowy to wielkość wektorowa, będąca iloczynem masy i prędkości (p = mv). Reprezentuje „ilość ruchu” ciała. Całkowity pęd układu to suma wektorowa pędów poszczególnych cząstek.

Pęd jest zachowany. Prawo zachowania pędu wynika bezpośrednio z drugiego i trzeciego prawa Newtona. Mówi, że całkowity pęd układu pozostaje niezmieniony, jeśli nie działa na niego siła zewnętrzna. Zasada ta jest szczególnie użyteczna przy analizie zderzeń i eksplozji.

Zderzenia zachowują pęd. Zderzenia to krótkotrwałe oddziaływania, podczas których ciała wywierają na siebie duże siły. Pęd jest zachowany we wszystkich typach zderzeń (sprężystych, niesprężystych, całkowicie niesprężystych). Środek masy układu porusza się tak, jakby wszystkie siły zewnętrzne działały na pojedynczą cząstkę o całkowitej masie; jego prędkość pozostaje stała, jeśli siła wypadkowa jest zerowa.

6. Ruch obrotowy odzwierciedla ruch postępowy z analogicznymi pojęciami

Moment bezwładności pełni w ruchu obrotowym tę samą rolę, co masa w ruchu postępowym.

Obrót wokół osi. Ruch obrotowy opisuje ruch ciała wokół ustalonej osi. Każda cząstka ciała sztywnego wykonującego obrót porusza się po okręgu wokół tej osi. Kinematyka obrotowa posługuje się kątem obrotu, prędkością kątową i przyspieszeniem kątowym, analogicznie do ich odpowiedników liniowych.

Bezwładność obrotowa. Moment bezwładności (I) to odpowiednik masy w ruchu obrotowym; mierzy opór ciała wobec zmian jego ruchu obrotowego. Zależy od rozkładu masy i osi obrotu. Twierdzenia takie jak twierdzenie o równoległych osiach (I = I_CM + MR²) i twierdzenie o osiach prostopadłych (I_z = I_x + I_y) pomagają obliczać moment bezwładności dla złożonych kształtów.

Moment obrotowy wywołuje przyspieszenie kątowe. Moment siły (τ), odpowiednik siły w ruchu obrotowym, to moment obrotowy wywołany przez siłę. Jest iloczynem siły i prostopadłej odległości od osi obrotu (τ = r × F). Moment siły powoduje przyspieszenie kątowe (τ = Iα). Moment pędu (L), odpowiednik pędu liniowego, jest zachowany, jeśli na układ nie działa moment siły zewnętrznej (L = Iω).

7. Grawitacja rządzi powszechnym przyciąganiem

każda cząstka we wszechświecie przyciąga każdą inną cząstkę siłą, której wartość jest wprost proporcjonalna do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ich środkami.

Prawo powszechnego ciążenia Newtona. To fundamentalne prawo opisuje siłę przyciągającą między dowolnymi dwoma masami we wszechświecie. Siła jest proporcjonalna do iloczynu mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi (F = G m₁m₂/r²). Siła ta jest zawsze przyciągająca, działa wzdłuż linii łączącej środki mas i jest siłą zachowawczą.

Grawitacja to przyciąganie Ziemi. Grawitacja to szczególny przypadek siły grawitacyjnej wywieranej przez Ziemię na inne ciała. Przyspieszenie ziemskie (g) to przyspieszenie, jakie ciało doświadcza pod wpływem ziemskiego pola grawitacyjnego. Jego wartość zmienia się wraz z wysokością, głębokością, kształtem Ziemi i jej obrotem.

Pole i potencjał grawitacyjny. Wokół każdej masy istnieje pole grawitacyjne, w którym inne masy doświadczają siły. Natężenie pola grawitacyjnego to siła przypadająca na jednostkę masy. Potencjał grawitacyjny to energia potencjalna przypadająca na jednostkę masy, określająca pracę potrzebną do przeniesienia jednostkowej masy z nieskończoności do danego punktu. Energia potencjalna grawitacji to energia zgromadzona w układzie mas na skutek ich wzajemnego oddziaływania.

8. Ciepło to energia przekazywana wskutek różnicy temperatur i przemian fazowych

Forma energii wymieniana między ciałami lub układami z powodu różnicy temperatur nazywana jest ciepłem.

Ciepło to transfer energii. Ciepło to energia przepływająca między układami wyłącznie z powodu różnicy temperatur. Temperatura mierzy stopień nagrzania lub ochłodzenia, wyrażany w skalach Celsjusza, Fahrenheita lub Kelvina. Pojemność cieplna i ciepło właściwe określają, ile ciepła potrzeba, by zmienić temperaturę substancji.

Przemiany fazowe wymagają ciepła utajonego. Substancje mogą zmieniać stan skupienia (ciało stałe, ciecz, gaz) w stałej temperaturze, pochłaniając lub oddając ciepło utajone. Ciepło utajone topnienia dotyczy przejścia między stanem stałym a ciekłym, a ciepło utajone parowania – między ciekłym a gazowym. Krzywe grzania pokazują zmiany temperatury i przemiany fazowe podczas dostarczania ciepła.

Ciepło przenika różnymi mechanizmami. Transfer ciepła odbywa się przez:

• Przewodzenie (drgania cząsteczek w ciałach stałych)
• Konwekcję (ruch masowy w cieczach i gazach)
• Promieniowanie (fala elektromagnetyczna, nie wymaga ośrodka)

Przewodność cieplna określa zdolność materiału do przewodzenia ciepła. Promieniowanie podlega prawom takim jak prawo Stefana-Boltzmanna (energia promieniowana ∝ T⁴) i prawo przesunięcia Wiena (maksimum długości fali ∝ 1/T).

9. Gazy zachowują się zgodnie z ruchem zbiorowym ich cząsteczek

Średnia energia kinetyczna cząsteczek gazu jest proporcjonalna do temperatury próbki (w kelwinach).

Założenia teorii kinetycznej. Teoria ta opisuje gazy jako zbiór cząsteczek poruszających się losowo. Kluczowe założenia to: pomijalna objętość cząsteczek, brak sił międzycząsteczkowych, sprężyste zderzenia oraz proporcjonalność średniej energii kinetycznej do temperatury bezwzględnej.

Ciśnienie wynika ze zderzeń. Ciśnienie gazu powstaje wskutek zderzeń cząsteczek z ściankami naczynia. Jest proporcjonalne do gęstości liczbowej i średniej energii kinetycznej cząsteczek. Gazy doskonałe spełniają proste prawa (Boyle’a, Charles’a, Gay-Lussaca) łączące ciśnienie, objętość i temperaturę.

Prędkości cząsteczek i droga swobodna. Cząsteczki gazu mają rozkład prędkości (średnia, skuteczna, najprawdopodobniejsza). Prędkość skuteczna wiąże się z temperaturą i masą molową. Droga swobodna to średnia odległość między zderzeniami, zależna od rozmiaru cząsteczek i ich gęstości. Gazy rzeczywiste odbiegają od zachowania idealnego przy wysokim ciśnieniu i niskiej temperaturze z powodu objętości cząsteczek i sił międzycząsteczkowych, co opisuje równanie van der Waalsa.

10. Przemiany energii podlegają fundamentalnym prawom, które wyznaczają granice procesów

Jeśli do układu zdolnego do wykonywania pracy zewnętrznej dostarczona zostanie pewna ilość ciepła, to ilość ciepła pochłonięta przez układ równa się sumie wzrostu energii wewnętrznej układu i pracy wykonanej przez układ.

Układy termodynamiczne i stany. Termodynamika bada przemiany energii w układach określonych przez granice i otoczenie. Stan układu opisują zmienne takie jak ciśnienie, objętość i temperatura, powiązane równaniem stanu. Procesy termodynamiczne to zmiany między stanami.

Pierwsze prawo: zachowanie energii. Pierwsze prawo mówi, że ciepło dostarczone do układu równa się zmianie jego energii wewnętrznej plus pracy wykonanej przez układ (∆Q = ∆U + ∆W). Energia wewnętrzna jest funkcją stanu, zależną tylko od aktualnego stanu, natomiast ciepło i praca zależą od drogi przemiany.

Procesy termodynamiczne. Wyróżnia się procesy zachodzące przy stałych

Ostatnia aktualizacja: May 19, 2025