Fyzika I (FSI-2F)

Akademický rok 2012/2013
Garant: prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D.  
Garantující pracoviště: ÚFI všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Cílem předmětu je seznámit studenty se základními zákony a teoriemi klasické a moderní fyziky tak, aby byli schopni je samostatně aplikovat na jednoduché systémy, objasnit a předpovědět jejich chování. Dalším úkolem předmětu je ukázat studentům, že fyzika tvoří teoretický základ a východisko inženýrských disciplin.
Výstupy studia a kompetence:
Znalost základů klasické a moderní fyziky na univerzitní úrovni v oblasti klasické mechaniky, nauky o kmitavém pohybu a vlnění, nauky o gravitačním poli, optiky a termodynamiky. Pochopení obecných fyzikálních principů a schopnost aplikovat je na konkrétní fyzikální soustavy. Schopnost provádět fyzikální výpočty aplikací vektorového, diferenciálního a integrálního počtu.
Prerekvizity:
Znalosti a dovednosti středoškolské matematiky a fyziky. Základy vektorového, diferenciálního a integrálního počtu.
Obsah předmětu (anotace):
Základní zákony a teorie klasické a moderní fyziky, které tvoří základ inženýrských disciplin. Klasická mechanika. Pohyb částice (rychlost, zrychlení). Dynamika částice, Newtonovy zákony. Práce a energie, konzervativní a nekonzervativní síly, potenciál. Dynamika soustavy částic a tuhého tělesa, dynamika rotujícího tělesa. Gravitační pole. Kmity a vlny, harmonický oscilátor, postupná a stojatá vlna, vlnová rovnice, interference vln. Geometrická a vlnová optika, zobrazování, difrakce a interference světla. Termodynamika, teplo, kinetická teorie plynů, entropie, tepelné motory.
Metody vyučování:
Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT.
Způsob a kritéria hodnocení:
Podmínky udělení zápočtu: alespoň 11 bodu v teoretickém cvičení, alespoň 6 bodů v laboratorním cvičení. V případech hodných zvláštního zřetele (zejména s ohledem na aktivitu studenta ve cvičeních) může vyučující stanovit náhradní podmínky pro získání zápočtu, které však nezvýší počet dosažených bodů. Zkouška sestává z písemné části (povinné pro všechny) a ústní části, které se mohou dobrovolně podrobit studenti, kteří dosáhnou v součtu více než 65 bodů. Pokud student získá z písemné části zkoušky méně než 25 bodů, pak u zkoušky neuspěl. Do klasifikačního hodnocení se zahrnují: 1. Výsledky v teoretickém a laboratorním cvičení. Maximálně lze získat 31 bodů. 2. Písemná část zkoušky (9 testových otázek, 3 příklady, max 48 bodů). Klasifikační hodnocení studenta: 0 - 49 bodů: F, 50 - 59 bodů: E, 60 - 69 bodů: D, 70 - 79 bodů: C. Student, který dosáhne v součtu více než 65 bodů, se může přihlásit k ústní zkoušce (která je dobrovolná), při níž může získat 0 - 21 bodů. Podrobnosti na serveru physics.fme.vutbr.cz
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Účast ve cvičení je kontrolována. Ve teoretickém cvičení jsou zařazeny 3 kontrolní práce (KP, vždy 2 testové otázky s výběrovými odpověďmi, 2 příklady, max 7 bodů). V laboratorním cvičení je nezbytné absolvovat stanovené laboratorní úlohy a body se udělují za domácí přípravu, vedení laboratorního sešitu a zprávy o samostatných úlohách (celkem max 10 bodů). V případě neúčasti na KP, která bude omluvena závažnými a doloženými duvody (zejména nemoc), může student požádat učitele o náhradní KP, která bude jednotně pro celý ročník v zápočtovém týdnu. V případě neúčasti v laboratorní výuce, která bude omluvena závažnými a doloženými důvody (zejména nemoc), učitel studentovi stanoví náhradní termín pro vypracování úlohy.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 3 hod.
    Cvičení  13 × 2 hod.
    Laboratoře a ateliéry  13 × 1 hod.
Osnova:
    Přednáška Měření, mezinárodní soustava jednotek, standardy.
Vektorový počet.
Přímočarý pohyb.
Pohyb v rovině a prostoru, pohyb po kružnici, vzájemné pohyby.
Newtonovy pohybové zákony.
Práce a kinetická energie, výkon.
Potenciální energie, konzervativní síly, zákon zachování mechanické energie.
Hmotný střed (těžiště) soustavy částic a tuhého tělesa.
Hybnost, první impulzová věta, zákon zachování hybnosti, srážky.
Rotace tuhého tělesa, kinetická energie, moment setrvačnosti, Steinerova věta.
Moment hybnosti, moment síly, druhá impulzová věta, zákon zachování momentu hybnosti.
Rovnováha tělesa a její podmínky.
Newtonův gravitační zákon, slupkové teorémy. Gravitační potenciální energie.
Keplerovy zákony, oběžné dráhy a energie družice.
Kmitavý pohyb. Harmonický oscilátor. Skládání harmonických kmitů, fázorové diagramy.
Pohybová rovnice pro harmonický oscilátor, energie. Kyvadla. Tlumené a nucené kmity, rezonance.
Vlnění. Harmonická vlna rovinná a kulová. Vlnová rovnice. Dopplerův jev.
Interference vln. Stojaté vlny. Odraz vln. Rezonátor.
Geometrická optika. Odraz a lom, úplný odraz. Optické zobrazování.
Interference světla, Youngův pokus, koherence. Michelsonův interferometr.
Difrakce světla, Huygensův-Fresnelův princip. Holografie.
Nultý a první zákon termodynamiky. Termodynamické děje.
Stavová rovnice ideálního plynu. Vnitřní energie, teplota a kinetická energie.
Druhý zákon termodynamiky. Entropie. Tepelné motory.
    Cvičení Příklady jsou označeny podle literatury [1] doporučené studentům:
1.Vektory: kapitola 3 - 10C, 13C, 18Ú, 23C, 28Ú, 42C, 44C, 47Ú, 53Ú, 55Ú;
2. Pohyb částice: kapitola 2 - 11Ú, 16C, 30Ú, 37C, 44C, 49Ú, 61C, 68Ú, 83Ú; kapitola 4 - 14Ú, 18C, 29C, 31C, 48Ú, 49Ú, 51Ú, 63C, 67Ú, 71Ú;
3. Síla a pohyb: kapitola 5 - 7C, 9C, 40Ú, 63Ú; kapitola 6 - 17Ú, 23Ú, 31Ú, 33Ú, 39Ú, 42Ú, 52C, 55C, 57C, 58C;
4. Práce a energie, zákon zachování energie: kapitola 7 - 10C, 17Ú, 21C, 34Ú, 40Ú, 43C; kapitola 8 - 22Ú, 25Ú, 32Ú, 36Ú, 40Ú, 55Ú, 66C, 72Ú, 77Ú, 81Ú;
5. Soustavy částic a srážky těles: kapitola 9 - 7Ú, 10Ú, 17Ú, 21Ú, 29Ú, 36Ú, 31Ú, 39Ú, 42Ú, 71Ú; kapitola 10 - 5C, 21Ú, 31C, 34Ú, 42C, 44C, 45C, 59Ú;
6. Rotace a valení: kapitola 11 - 2C, 18Ú, 21Ú, 32C, 71Ú, 75Ú, 80C, 84Ú, 89Ú; kapitola 12 - 5C, 8C, 11Ú, 13Ú, 14Ú, 17C, 27C, 36C, 43C, 45C, 51C, 61Ú;
7. Gravitace: kapitola 14 - 11Ú, 15Ú, 14.2, 37C, 45Ú, 49Ú, 55C, 64C, 81Ú;
8. Kmitání: kapitola 16 - 9C, 12C, 14C, 17C, 23Ú, 25Ú, 38Ú, 41C, 46C, 49Ú, 55Ú, 57C, 67C, 75Ú, 80Ú, 89Ú;
9. Vlnění: kapitola 17 - 5C, 10C, 11C, 13Ú, 36C, 37C, 39C, 41C; kapitola 18 - 21Ú, 23Ú, 65C, 68C;
10. Geometrická optika: kapitola 35 - 15C, 24C, 42Ú;
11. Vlnová optika: kapitola 36 - 20C, 24C, 30Ú, 47C, 62Ú; kapitola 37 - 20C, 23C, 51C, 54Ú;
12. Termodynamika: kapitola 19 - 71C, 74C, 78C; kapitola 20 - 6C, 7C, 15Ú, 18Ú; kapitola 21 - 5C, 23C, 25C;
    Laboratoře a ateliéry Účinnost tepelného stroje: Stirlingův motor.
Numerická integrace pohybové rovnice: torzní kmity.
Vytvoření modelu: vlny v trubicích.
Numerické a grafické řešení: ohřev při tepelných ztrátách.
Literatura - základní:
1. HALLIDAY, D. - RESNICK, R. - Walker, J.: Fyzika, VUTIUM, Brno 2001
2. http://physics.fme.vutbr.cz
3. ŠANTAVÝ, I a kol.: Vybrané kapitoly z fyziky, skriptum VUT, Brno 1986
4. HORÁK, Z. - KRUPKA, F.: Fyzika, SNTL, Praha 1976
5. KREMPASKÝ, J.: Fyzika, Alfa, Bratislava - SNTL, Praha 1982
6. ALONSO, M. - FINN, E. J.: Physics, Addison - Wesley, Reading 1996
7. FEYNMAN, R.P.-LEIGHTON, R.B.-SANDS, M.: Feynmanovy přednášky z fyziky, Fragment, 2001
8. ČSN ISO 1000 Veličiny a jednotky
Literatura - doporučená:
1. ŠANTAVÝ, I. - PEŠKA, L.: Fyzika I., skriptum VUT Brno, 1984
2. KUPSKÁ, I. - MACUR, M. - RYNDOVÁ, A.: Fyzika -Sbírka příkladů, skriptum VUT Brno,
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
B3A-P prezenční studium B-MET Mechatronika -- zá,zk 7 Povinný 1 1 L
B3A-P prezenční studium B-MAI Matematické inženýrství -- zá,zk 7 Povinný 1 1 L
B3S-P prezenční studium B-STI Strojní inženýrství -- zá,zk 7 Povinný 1 1 L