Curs de Fizică-Biofizică (prezentare)

Universitatea Ștefan cel Mare SuceavaFacultatea de Silvicultură, Ecologie și Pretecția Mediului

Dr. Petru Știucă

2016

- Fizica este una din științele naturii care se ocupă cu studiul materiei, precum și a mișcăriiacesteia prin spațiu și timp. Clarifică concepte anexe precum cea de forță și energie.- Descoperă legi și teorii (universal valabile) care încearcă și reușește să explice majoritateafenomenelelor cunoscute din natură. (physis-natură)- Materia, în principiu este considerată tot ceea ce are masă și volum.- Fizica folosește ca limbaj de exprimare matematica (este sora matematicii)

Obiectul Fizicii (Physics)

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/powersof10/index.html

(Dimensiunea universala a fizicii)

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/(Laborator-simulari toată fizica)

Albert Einstein (1879-1955)

Curs 1

Biofizica (Biophysics) Există alte multe discipline științifice care au

strânsă legătură cu fizica: chimia, biologia,științele Pamântului, etc.

Biofizica este știința care folosinddescoperirile fizicii, caută să explicefenomenele și procesele biologice (lumea vie).

Noile tehnologii apărute (nanotehnologia) suntaplicații ale fizicii.

https://www.microscopyu.com/galleries/cell-motility(Vizualizari microscopice ale celulelor mobile)

((Acer pseudoplatanus-platan)-sectiune transversală)nanotehnologie

Mărimi fizice, clasificare, unități de măsură

• Mărimea fizică- calitate a materiei măsurabilă• Clasificare:

a) după modul de definire:- fundamentale: lungimea, timpul, masa, temperatura termodinamică,

cantitatea de substanță, intensitatea curentului electric, intensitatealuminoasă

- derivate: viteza, accelerația, forța, presiunea, lucru mecanic, puterea,etc.

b) după natura lor:- scalare- vectoriale- tensoriale

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/units.html#unit(informatii complete despre marimi fizice)

Mărimi fizice fundamentale, unități de măsură, definiția unităților de măsură

-Metrul este lungimea drumului parcurs de lumină în vid în timp de 1/299 792 458 dintr-o secundă.

- Kilogramul este masa prototipului internațional al kilogramului confecționat dintr-un aliaj deplatină și iridiu (90 % - 10 %) și care se păstrează la Biroul Internațional de Măsuri si Greutăți(BIPM) de la Sèvres - Franța.

- Secunda este durata a 9 192 631 770 perioade ale radiației care corespunde tranziției între douănivele de energie hiperfine ale stării fundamentale a atomului de cesiu 133 la temperatura de 0 K.

Mărimi fizice scalare

• Definiție: Mărime fizica bine definită prin valoarea ei numerică (modul)

• Exemple: distanța, timpul, lucrul mecanic, masa, etc.

• Observație: Sunt mărimi fizice care depind numai de proprietățile fiziceintrinseci exprimate și nu de ceea ce se petrece în mediul exterior. Deexemplu masa este scalara, pentru că exprima cantitatea de substanțădintr-un corp și nu de ceea ce se întâmplă în exterior ( masa unui corpeste aceeași și pe pământ și pe lună).

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Games/ReadtheTripleBeam/index.html

(simulare-măsurarea masei cu balanța triplă)https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/mass-spring-lab

(simulare: masă-greutate)

http://interactives.ck12.org/simulations/physics/astronaut-training-chamber/app/index.html?referrer=ck12Launcher&backUrl=http://interactives.ck12.org/simulations/physics.html

(simulare: masă-greutate)

Mărimi vectoriale

• Definiție: O mărime fizică vectorială, este caracterizată de: valoare numerică (modul), punctde aplicație, direcție și sens.

• Exemple: Forța, vectorul de poziție, momentul forței, inducția magnetică, etc..

• Reprezentare grafica:

V

V

https://phet.colorado.edu/en/simulation/vector-addition(simulare-vectori)

http://www.physicsclassroom.com/Physics-Interactives/Vectors-and-Projectiles/Riverboat-Simulator/Riverboat-Simulator-Interactive

(Simulare- compunerea vitezelor)

http://www.liceulsimionbarnutiucarei.ro/Manual%20IX-swf/Manual%20clasa%20a%20IX%20a-Geometrie%20-swf/Cap%201%20Vectori/L3-operatii%20cu%20vectori/P1+adunarea/Suma%20a%20doi%20vectori/M2-suma%20a%20doi%20vectori/index.html

(simulare-adunarea vectorilor)

OPERAȚII CU VECTORI- Adunarea- Scăderea- Produs scalar- Produs vectorial

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/RiverCrossingLab/index.html(simulare adunarea vectorilor viteza pe curgerea raului)

Produsul Scalar și Produsul Vectorial

O

a

b

α αcosabba =•

ab

α

c

αsinabc

bbbaaa

uuu

cba

zyx

zyx

zyx

=

==×

Produsul scalar

Produsul vectorialRegula șurubului

drept

Modulul produsului vectorial

http://mathinsight.org/cross_product(simulare produs vectorial)

Erori de măsurare

Eroare de măsurare- abaterea mărimii măsurate de la valoarea adevăratăClasificare:

- sistematice: pot fi eliminate- grosolane: pot fi eliminate-aleatorii (întâmplatoare): nu pot fi eliminate, de aceea trebuie de făcut un calcul

de erori pentru orice mărime măsurată

Motive:• mediul înconjurător (ambiant)• mărimea care se măsoară• aparatul folosit• operator (persoana sau persoanele care măsoară)• factori perturbatori incontrolabili

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/StoppingDistanceLab/index.html(Măsurarea timpului de reacție a unui conducător auto)

Calcule Elementare in Teoria Erorilor de Măsurare

{ } nnii xxxxX

,...,, 21,1 ==

Mărimea măsurată

Șirul de valori măsurate

n

xx

n

ii∑

=== 1µValoarea medie a mărimii măsurate

(estimatul valorii adevărate)

;)1(

)(1

2

nnn

xxS

n

ii

xσ

=−

−=∑= Abaterea standard (împrăștierea)

valorilor măsurate

%3

)(

≤=

±=

xS

Sxx

xr

x

ε

(unitate de măsură) Prezentarea rezultatului final

Eroarea relativăhttps://www.symbolab.com/solver/statistics-calculator

(calculator statistic)

Distribuția Statistică a Erorilor de Măsurare(Distribuția Gauss sau Normală)

http://mw.concord.org/public/student/classic/motion/galtonboard.cml

(simulare-distribuția Gauss)

nS

n

xxx

exf

x

n

ii

x

G

=−

−==

=

∑=

−−

1

)(;

21)(

1

2

2)(

2

2

2

σµ

πσσµ

https://www.youtube.com/watch?v=Hexccic8ufQ&feature=youtu.be

(distribuția Maxwell)

????????????????? (why?????)

Măsurări Indirecte(Cazul in care mărimea pe care dorim s-o măsuram, este determinată indirect prin

măsurarea directă a altor două sau mai multe mărimi)

Exemplu: mărimea F depinde de două mărimi fizice x și y măsurate direct:

{ } nni xxxx ,...,, 21=

),( yxFF =

{ } nni yyyy ,...,, 21=

......; == xSx

......; == ySyFolosim în continuare legea de propagare a erorilor de măsurare:

22,

22, )()(

),(

yyxxyxF SyFS

xFS

yxFF

∂∂

+∂∂

=

=

)( FSFF ±= (unitate de măsură)

Concluzie

Orice măsurătoare trebuie să fie repetată (de cel puțin 10 ori); înaceleași condiții experimentale; obținându-se un șir de valoriexperimentale:

Se calculează apoi valorile medii și abaterile standard (împrăștierile)pentru fiecare mărime măsurată:

În cazul în care mărimea pe care dorim s-o măsurăm se face indirect,prin intermediul altor mărimi care se măsoară direct, atunci folosimlegea de propagare a erorilor de măsurare.

Rezultatul final se prezintă sub forma:

{ } nnii xxx ,...,1...1 ==

)1(

)(; 1

2

1

−

−==∑∑==

nn

xxS

n

xx

n

ii

x

n

ii

...;...;)( ===±= rx

x xSSxx ε

DISCUȚIE ASUPRA REZULTATULUI FINAL- FOARTE IMPORTANTĂ!!!

Mărimi Fizice Derivate(Mărimi fizice definite cu ajutorul altor

mărimi)

• Viteza- este o mărime fizică vectorială, numeric egală cu distanța parcursă de mobil, în unitate de timp

v

• Accelerația- este o mărime fizică vectorială, numeric egală cu variația vitezei produsă în unitate de timp

.tgana[ ]

)(

;

2

2

0.

212

12.

lim txdt

xddtdv

tva

sma

ttvv

tva

tmom

SImed

′′===∆∆

=

=−−

=∆∆

=

→∆

[ ]

)(

.sec;

lim0

.

12

12.

txdtdx

txv

mvttxx

txv

tmom

SImed

′==∆∆

=

=−−

=∆∆

=

→∆

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/GraphingDragRacerMotionLab/index.htmlSimulare accelerația (demarajul) diferitelor marci de masini

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/(Laborator-toată fizica)

na

.tgaaccelerație normală

accelerație tangențială

Curs 2

Mișcarea rectilinie(Mișcarea pe o traiectorie dreaptă-liniară)

O XBA1x

2xtttxxx

∆=−∆=−

)()(

12

12

1v 2va

[ ]

)(

.sec;

lim0

.

12

12.

txdtdx

txv

mvttxx

txv

tmom

SImed

′==∆∆

=

=−−

=∆∆

=

→∆

[ ]

)(

;

2

2

0.

212

12.

lim txdt

xddtdv

tva

sma

ttvv

tva

tmom

SImed

′′===∆∆

=

=−−

=∆∆

=

→∆

(simulare mișcarea rectilinie)

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/EquationsOfMotionLab/index.html(simulare miscare rectilinie)

Mișcarea rectilinie uniform variată(Mișcarea pe o traiectorie dreaptă cu accelerație constantă)

±=

±=

±=

⇒=

axvv

attvx

atvv

consta

22

.

20

2

2

0

0legea vitezei

legea spațiului (legea mișcării)

ecuația lui Galilei

a

v0v

x

accelerația constantă a mobilului

viteza inițială a mobilului

viteza finală a mobilului

spațiul parcurs de mobil

± + pentru mișcare accelerată; - pentru mișcare încetinită

https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/projectile-motion(Mișcarea în câmp gravitațional)

28,9smga ==

https://www.youtube.com/watch?v=si2sOGyS01w&feature=youtu.be

Adrese simulari mișcări rectilinii uniforme și uniform variate

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/GraphingOfMotionLab/index.htmlAccelerarea și frânarea diferitelor tipuri de mașini

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/EquationsOfMotionLab/index.htmlMișcarea accelerată

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/MeasuringPhotogateAccelerationPrelab/index.html

Măsurarea accelerației

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/ProjectileLab/index.htmlSimulare miscarea unui proiectil in camp gravitational

https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/projectile-motion(Simulare aruncare câmp gravitațional)

http://interactives.ck12.org/simulations/physics/cliff-diver/app/index.html?referrer=ck12Launcher&backUrl=http://interactives.ck12.org/simulations/

(Aruncarea de la inaltime)

Mișcarea circulară uniformă

• Perioada de rotație T

• Frecvența de rotație

• Viteza unghiulară

• Viteza de rotație

[ ] .sec1=SIT

tn∆

=ν [ ] HzrotSI 1

.sec.1==ν

ntT ∆

=1;1

== TTνν

[ ].sec1.1; rad

t SI =∆∆

= ωθω πνπω 22==

T

v

RT

Rv ωπ==

2

R

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/Circula

rMotionLab/index.html(Simulare mișcarea circulară)

http://www.walter-fendt.de/html5/phen/circularm

otion_en.htm(Simulare mișcarea circulară)

Mișcarea oscilatoriehttp://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/PendulumLab/index.html

(Simulare pendul gravitațional)

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/HorizontalOscillationswDampingLab/index.html

(Simulare pendul elastic orizontal)

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/OscillationLab/index.html(Laborator pendul elastic)

glT π2= (Pendul gravitațional)

(Pendul elastic orizontal)

2.

222.

20

0

22000

000

4)(

);sin()(

)sin()(

extext

t

mFA

teAtx

tAtx

ωγωω

γωωϕω

ϕωγ

+−=

−=+=

+=−

kmT π2=

Mișcarea oscilatorie neamortizată

Mișcarea oscilatorie amortizată

Mișcarea oscilatorie forțată

tFF ext.0 sinω=

https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/resonance

(Simulare rezonanța)

Mișcarea oscilatorie: alte adrese

https://phet.colorado.edu/ro/simulation/legacy/pendulum-lab(Pendulul gravitațional)

Legile dinamiciihttp://interactives.ck12.org/simulations/physics/hot-air-

balloon/app/index.html?hash=5b9a709904ced0d761b1c5c98ce21597&source=ck12&artifactID=1742551&backUrl=http%3A//www.ck12.org/physics/Newtons-Second-

Law/%23simulations(Simulare balon incalzit)

Isaac Newton (1643-1727)

https://www.youtube.com/watch?v=hqdUfqxOITY&feature=youtu.be

(Pendule ciocniri)

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/(Laborator-toată fizica)

Curs 3

Legile dinamicii

1.Legea inerției: Un corp tinde să-și păstreze starea de mișcare rectilinie și uniformă saude repaus relativ, atâta timp cât din exterior nu intervine nici o forță exterioară care să-imodifice această stare.- Masa: măsură a inerției unui corp- Densitatea masică a unui corp: [ ] 3;

mkg

Nm

SI == ρρ

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/GraphingOfMotionLab/index.htmlAccelerarea și frânarea diferitelor tipuri de mașini

2. Legea forței (legea fundamentală a dinamicii): Dacă o forță acționează asupra unui corp,îi imprimă o accelerație direct proporțională cu forța și de acelasi sens cu ea.

amF = [ ] N

smkgF SI 12 ==

https://phet.colorado.edu/sims/html/forces-and-motion-basics/latest/forces-and-motion-basics_en.html

(Forța și mișcarea)3. Legea acțiunii independente a forțelor: Dacă mai multe forțe acționează asupra unuicorp, acțiunea fiecăruia este independentă de prezența celorlalte

∑=

=n

iiFF

1

https://phet.colorado.edu/en/simulation/vector-addition(Adunarea forțelor)

http://interactives.ck12.org/simulations/physics/everglades-airboat/app/index.html?referrer=ck12Launcher&backUrl=http://interactives.ck12.org/

simulations/(Legile dinamicii aplicate pentru airboat)

Adrese simulari pentru legile dinamicii

Tipuri de forțe

Greutatea: Forța de atracție a corpului de către Planetă (Pamântul)

;PP gmG = ;8,9 2s

mg p = ;625,1 2smgL =

G

Forța de tracțiune: forța totală ce acționează asupra unui corp pentru a-l pune în mișcare

tF

Reacțiunea normală: forța de reacțiune a suprafeței de sprijin asupra corpului

N

N

Forța de frecare: forța ce apare la suprafața de contact dintre corp și suprafața de sprijin și care se opune mișcării

tF

fF

N

G

tF

N

fF

G

Forța de frecare de alunecare: NFf µ=µ- coeficient de frecare de alunecare cinematicstatic µµµ +=http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/ForceFriction/index.html

(simulare-forța de frecare)

tF

N

fF

G

ααaG

nG

Calculul accelerației

mmgmgFa

mNGFa

GNmaFGF

t

t

n

fat

αµα

µα

cossin

;sin;

;

−−=

−−=

=

=−−

Forța elastică-Legea lui Hookehttps://phet.colorado.edu/ro/simulation/hookes-law

(simulare forța elastică, legea lui Hooke)

kxFF elastdef −=−= ..

.defF

.elastFkx

- forța de deformație

- forța elastică

- constanta de elasticitate

-mărimea deformației (elongația)

kmT π

ν21

==https://phet.colorado.edu/ro/simulation/legacy/mass-spring-lab

(Simulare forta elastica, pendul elastic)

Pendulul gravitațional

https://phet.colorado.edu/ro/simulation/legacy/pendulum-lab(simulare pendulul gravitational)

glT π

ν21

==

Presiunea

[ ] PaPascalmNp

SFp SI ==== 2;

LlFp =

Presiunea atmosferică

1 atm. fizică=760 mmHg=101325 Pa=1013,25 hPa

Unități de măsură:

Variația presiunii atmosferice cu înălțimea

http://www.mide.com/pages/air-pressure-at-altitude-calculator

(Calculator)

Modificarea temperaturii globale 1880-2016

Lucru mecanic, Putere mecanică, Energie

Lucru mecanic αF

dαcosFdL =[ ] JJoulemNL SI 1111 ==×=

Puterea mecanică

tLP∆

=

[ ] WWattJP SI 11.sec1

1===

WCP 5,7351 =

Calul Putere

https://phet.colorado.edu/sims/html/forces-and-motion-basics/latest/forces-and-motion-basics_en.html

(Simulare-forța și mișcarea)

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/(Laborator-toată fizica)

Curs 4

Energia Mecanică

Energia mecanică - capacitatea unui corp, sau a unui sistem fizic de a efectualucru mecanic

a) Energie potențială gravitațională

F

G

m

h

A

B

pgBA EmghGhFhL ====→

(Energie potențială gravitațională)

mghE pg=

https://phet.colorado.edu/sims/html/energy-skate-park-basics/latest/energy-skate-park-basics_ro.html

(Simulare energie potențială)

Cascada Niagara (USA)

b) Energie cinetică (energia unui corp aflat în mișcare)

)0( =Av

Bv

)0( ≠Bv

A BF

d

dvaadvv

Emvdd

vmLmadFdL

AAB

cAA

BABA

22

222

22

22

=⇒+=

===⇒== →→

2

2mvEc =https://phet.colorado.edu/sims/html/energy-skate-park-basics/latest/energy-skate-park-

basics_ro.html(Simulare energie)

c) Energie potențială de deformație (energia cumulată de un corp elastic deformat)

2

2

.kxEpdef =

https://phet.colorado.edu/ro/simulation/legacy/mass-spring-lab(Simulare forta elastica, pendul elastic)

arcuri inteligente

Legea transformării și consevării energiei mecanice

Într-un câmp consevativ de forțe, energia totală a sistemului se conservă

... frecfininit LEE +=https://phet.colorado.edu/sims/html/energy-skate-park-

basics/latest/energy-skate-park-basics_ro.html(Simulare energie skate park)

https://phet.colorado.edu/ro/simulation/legacy/ramp-forces-and-motion

(simulare plan înclinat-forță elastică)

https://phet.colorado.edu/ro/simulation/legacy/pendulum-lab(simulare pendul gravitațional)

Montagne russe

http://interactives.ck12.org/simulations/physics/loop-the-loop/app/index.html

(simulare montagne russe)

Mecanica fluidelor(Materiale care au proprietatea de a curge: lichide, gaze)

1. Statica fluidelor: fluide aflate în repausa) presiunea hidrostaticăb) legea lui Arhimede

2. Dinamica fluidelor: fluide aflate în mișcarea) curgerea unui fluid: debitul masic și debitul volumicb) curgerea staționară: legea lui Bernoullic) curgerea nestaționară (turbulentă)

3. Fenomene în fluide:a) fenomene superficiale: capilaritateb) vâscozitate

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/(Laborator-toată fizica)Curs 5

[ ] PaPascalmNp

SFp SI ==== 2;

LlFp =

Presiunea atmosferică

1 atm. fizică=760 mmHg=101325 Pa=1013,25 hPa

Unități de măsură:

presiunea hidrostatică

hgp ρ=

https://phet.colorado.edu/en/simulation/under-pressure(simulare presiunea hidrostatică-Universitatea Colorado USA)

manometre

Variația presiunii atmosferice cu înălțimea

http://www.mide.com/pages/air-pressure-at-altitude-calculator

(Calculator)

Variația temperaturii cu înălțimea

Legea lui Arhimede(Un corp cufundat într-un lichid, este împins de jos în sus cu o forță egală

cu greutatea volumului de lichid dezlocuit de acel corp)

gVF lichiddezA ρ.=https://phet.colorado.edu/en/simulation/buoyancy

(simulare legea lui Arhimede-Universitatea Colorado USA)http://www.physics-chemistry-interactive-flash-

animation.com/mechanics_forces_gravitation_energy_interactive/buoyancy_Archimedes_principle.htm(Simulare legea lui Arhimede-interactiv)

http://www.ck12.org/physics/(simulari physics-Scuba Trening_Pressure

in Fluid, Buoyancy, Archimedes Law)

https://www.youtube.com/watch?v=2RefIvqaYg8(youtube-explicatii Forța Arhimedica)-Buoyancy

Debitul unui fluid(cantitatea unui fluid care trece printr-o secțiune a conductei în

unitatea de timp)

S

x∆

Vm

V

qSvtxS

tmq

SvtxS

tVq

ρρρ==

∆∆

=∆∆

=

=∆∆

=∆∆

=v debit volumic

debit masic

[ ].sec

3mq SIV = [ ].sec

kgq SIm =

2v1v Ecuația de continuitate(lichid incompresibil)

.2211 constvSvS ==

Legea lui Bernoulli(curgerea unui lichid incompresibil printr-o conductă cu secțiune variabilă)

1h

2h1v 2v

2

2

.

.

vp

ghp

din

stat

ρ

ρ

=

= presiune statică

presiune dinamică

... constpp dinstat =+

https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/fluid-pressure-and-flow

(simulare Bernoulli Univ. Colorado USA)

Fenomene superficiale. Capilaritate

nmmr 501050105 980 =×=×≈ −−

F

[ ]mN

lF

SI == σσ ;

Coeficient de tensiune superficială

strat superficial

.4atmp ≈http://www.ck12.org/physical-science/Liquids-in-Physical-Science/lesson/Liquids-MS-

PS/?referrer=featured_content(Explicare tensiune superficială)

(raza sferei de acțiune moleculară)

Capilaritatemmd 1⟨⟨⟨

tuburi capilare

h

grh

ρσ2

=

Legea lui Jurin

https://www.youtube.com/watch?v=PP9mn-X9i2Q?v=d4PjrI3iWVI

(youtube- Fenomenul de capilaritate)

Valorile coeficientului de tensiune superficială pentru câteva lichide pure

σ

0

82,2 Adapa =

mA 100

101 −=

Molecula de apă(dipolaritate)

https://www.youtube.com/watch?v=aVmU3CLxvgU(proprietatile fizice ale apei)

http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/javascript/water-density.html(densitatea apei la diverse temperaturi)

https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/microwaves

(simulare cuptorul cu microunde)

Vâscozitate(Fenomenul de frecare dintre straturile de fluid aflate în curgere)

SF

G

AF

ηπrvFS 6=

mgG =

gVF lichidbA ρ=

- raza bilei- viteza bilei- coeficientul de viscozitate dinamic- volumul bilei- masa bilei- densitatea lichidului

rv

rηbV

mlichidρ

(Forța Stokes)

(Forța Arhimedică)

(Greutatea bilei)

[ ] .secsec6 2 ×=×=

×=⇒= Pa

mN

smm

Nrv

FSI

S ηπ

η

http://www.ck12.org/physical-science/Liquids-in-Physical-Science/lesson/Liquids-MS-PS/?referrer=featured_content

(Explicarea vâscozității)

(Simulare pentru curgerea a două lichide de vâscozități diferite)

.sec)96,6272,4( ×÷∈ Pamiereρ

Valori viscozitate lichide, gaze, solide

http://www.upscale.utoronto.ca/GeneralInterest/Harrison/Flash/FluidDynamics/ViscousMotion/ViscousMotion.html(Simulare vascozitate)

http://www.engineeringtoolbox.com/index.html(proprietatile fizice ale materialelor ingineresti)

Forme de energie(Capacitatea unui sistem de a face lucru mecanic)

1. Mecanică- legată de mişcarea mecanică 2. Chimică- ruperea legaturilor dintre atomii care formează compuşi3. Electrică- determinată de mişcarea electronilor aflaţi în mişcare (curent electric)4. Electromagnetică- undele electromgnetice determinate de sarcinile electrice aflate

in mișcare5. Termică (căldura)- datorită atomilor sau moleculelor aflate în mișcare6. Nucleară- energia care apare din procesele nucleare din interiorul nucleului

atomichttps://phet.colorado.edu/en/simulation/energy-

forms-and-changes(Simulari forme de energie)

http://labs.minutelabs.io/Brownian-Motion/

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/

(Laboratoare)Curs 6

Energii:• Regenerabile: energii care practic durează o perioada foarte mare de timp (nelimitată)• Neregenerabile: limitate în timp

Energia termică (căldura)

Teoria cinetico-moleculară:-Moleculelele se găsesc într-o permanentă stare de agitație, numită agitație termică;- starea de agitație termică este cu atât mai intensă, cu cât temperatura este mai mare;- suma tuturor energiilor cinetice ale moleculelor, aflate în starea de agitație termică, se numește energia internă a substanței respective;- variația energiei interne, poară numele de căldură

https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/balloons-and-buoyancy(simulare pentru energia termică a gazelor)

http://labs.minutelabs.io/Brownian-Motion/(simulare mișcare Browniană)

∑∑==

==n

i

in

ici

mvEU1

2

1 2Energia internă

[ ] JQQUUU SI 1;12 ==−=∆

http://www.ck12.org/physics/Heat-Temperature-and-Thermal-Energy-Transfer/

(simulare energie termică-căldura)

Căldura

Transmiterea călduriiPrincipiul II al termodinamicii (Clausius): Căldura trece de la sine, întodeauna, de la corpul cu temperatură mai

ridicată, la cel cu temperatură mai joasă

-Prin conducţie: se face prin lipsa mişcărilor macroscopice (corpuri solide)- Prin convecţie: se face prin mişcări macroscopice de curgere (lichide, gaze)

- convecţie liberă: sub acţiunea forţelor arhimedice, datorită diferenţelor de densitate- convecţie forţată: mişcări sub acţiunea altor forţe

- Prin radiaţie: se face prin radiaţia electromagnetică (radiaţie termică, în infraroşu) se poate face şi în vid

CK-12, heat conduction, forme de transfer de căldură

http://www.ck12.org/physics/

https://www.youtube.com/watch?v=O3N9XyTkSBI

(youtube- transmiterea căldurii)

Transmiterea căldurii prin conducţie

Temperatura Agitaţie termicăStări de agregare:-Solidă-Lichidă-Gazoasă-Plasma

Simulare transmiterea căldurii prin conducţie

primitced QQTmcTTmcQ

=∆=−=

.

12 )(

[ ] JcalJQ SI 18,4.1; ==

http://www.physics-animations.com/Physics/English/thermo.htm

Mişcare browniana(simulare)

tmcttmcQ ∆=−= )( 12

M- masa corpului; c- căldura specifică;- variația temperaturii t∆

Ecuația calorimetrică

http://labs.minutelabs.io/Brownian-Motion/

Material Thermal conductivity(cal/sec)/(cm2 C/cm)

Thermal conductivity(W/m K)*

Diamond ... 1000

Silver 1.01 406.0

Copper 0.99 385.0

Gold ... 314

Brass ... 109.0

Aluminum 0.50 205.0

Iron 0.163 79.5

Steel ... 50.2

Lead 0.083 34.7

Mercury ... 8.3

Ice 0.005 1.6

Glass,ordinary 0.0025 0.8

Concrete 0.002 0.8

Water at 20° C 0.0014 0.6

Asbestos 0.0004 0.08

Snow (dry) 0.00026 ...

Fiberglass 0.00015 0.04

Brick,insulating ... 0.15

Brick, red ... 0.6

Cork board 0.00011 0.04

Wool felt 0.0001 0.04

Rock wool ... 0.04

Polystyrene (styrofoam) ... 0.033

Polyurethane ... 0.02

Wood 0.0001 0.12-0.04

Air at 0° C 0.000057 0.024

Helium (20°C) ... 0.138

Hydrogen(20°C) ... 0.172

Nitrogen(20°C) ... 0.0234

Oxygen(20°C) ... 0.0238

Silica aerogel ... 0.003

A-aria barierei termiced-grosimea barierei termice- intervalul de timpk-coeficientul de conducţie termică

dTTAk

tQ rececald )( −

=∆

A

d

caldT receT

Viteza de transfer a căldurii

t∆

Simulare transfer căldură

Transmiterea căldurii prin convecție

simulare - transferul căldurii prin convecție

Efectul Stack: aerul cald se ridică datorită densității lui mai mici (flotabilitate), iar presiunea lui mai scăzută, aspiră aerul proaspăt dim exterior

Efectul Stack: aerul cald se ridică datorită densității lui mai mici (flotabilitate), iar presiunea lui mai scăzută, aspiră aerul proaspăt din exterior

Aplicație: Șemineu solarRăcire

Încălzire Simulare: efectul Stack(Aplicații industriale

șemineul solar)

Transmiterea căldurii prin radiație (transmiterea se face prin radiație – unde electromagnetice)

-orice corp încălzit, emite la distanță energie sub formă de unde electromagnetice (radiație termică)- radiația se transmite la distanță, fără a fi nevoie de mediu de propagare (aer, mediu material) cu o viteză egală cu viteza luminii:

.sec300000103 8 km

smc =×≈

radiatie

Proprietățile undelor electromagnetice

Mărimi caracteristice:-Viteza de propagare în vid (propagarea undelor electromagnetice se poate face atât în vid, cât și într-un mediu material):

- frecvența undelor (respectiv lungimea de undă): .sec

300000103 8 kmsmc =×≈

λν c=

[ ] HzSI =νν ;

roșu

[ ]mnmmSI

91011;−=

=λλ lungimea de undă

Lumina vizibilă:-este o undă electromagnetică- are lungimea de undă cuprinsăîntre: ( )nm760380÷=λ

violet

frecvența

R O G V A I VV I A V G O R

http://www.ck12.org/user:bGlzYS5qLmZpc2NoZXJAZ21haWwuY29t/book/Electromagnetic-Radiation-Waves/section/1.1/

(youtube- unde electromagnetice)

Radiația termică

https://www.youtube.com/watch?v=5GoZZKcNZiQ(youtube- explicarea radiației termice)

(simulare radiația termică emisă de un corp absolut negru)

https://phet.colorado.edu/sims/blackbody-spectrum/blackbody-spectrum_en.html

[ ] 22 11

.sec111

;

mWatt

mJI

tAWI

SI =×

=

∆∆∆

= intensitatea (fluxul) radiației termiceLegea Stefan- Boltzmann

4)( TTI σ=42

81067,5Km

W×

×= −σ

Radiația solară

radiația incidentă 100%

radiația reflectată de

atmosferă

radiația absorbită de suprafață radiația reflectată de

suprafață

radiația absorbită de atmosferă și nori

19%

radiația reflectată

de nori

20 1367mWI =

21000mWI p =

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/RadiantEmission/index.html(Simulare emisie prin radiație)

Teoria fotonică (corpusculară) a luminiiLumina: caracter dual undă particulă1. undă- caracterizată de: frecvență, lungime de undă, viteză de propagare, amplitudine, intensitate (flux)2. particulă- caracterizată de: masă, viteză, impuls, energie

Undă: spectrul undelor electromagnetice

Teoria corpusculară a luminii (Einstein)Lumina (undele electromagnetice) este formată dintr-un flux de

particule - fotoni

Caracteristicile fotonului:

-Viteza:

-Energia:

- Masa:

- Impulsul:

smc 9103×=

f

chh ff λνε ==

chm f λ

=

λhcmp ff ==

f

chh ff λνε ==

2mcE ∆=∆

.sec10626,6 34 ××= − Jh

Formula lui Planck

Formula lui Einstein

Constanta lui Planck

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/RadiantEmission/index.html(Fotonii emisi de Soare)

http://www.google.ro/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiW5ICTsLXQAhXJORQKHc-lAM8QjRwIBw&url=http://traseeromania.ro/wiki/modalitatile-prin-care-corpul-omenesc-pierde-caldura/&psig=AFQjCNGOPo-t4gyHeVo-LhJSnrj-1J5Mng&ust=1479664009532166

Centrale nucleare

Funcționarea reactorului nuclear

Concluziihttp://labs.minutelabs.io/Mass-Energy-Scale/(simulare scală de energii- foarte interesantă)

Legea conservarii energiei mecanice

Într-un câmp conservativ de forte, energia totală se conservă, adică ramâne constantă

consumataEnergiaEE finalainitiala .+=

Simulari -legea conservarii energiei mecanice

Curs 7

Tipuri de energii

1. Mecanică-hidroenergie

valuri tsunami hidrocentrale

https://www.youtube.com/watch?v=BUHKMIr5E1E(Tsunami)

-seismică

-eoliană

2. Energia termica (caldura)

simulare-caldura-transmitere caldura

tmcttmcQ ∆=−= )( 122

.031

medvmVNp =

RTpV ν=

tabel călduri specifice

Transmiterea căldurii

Principiul II al termodinamicii (Clausius): Căldura trece de la sine, întodeauna, de la corpul cu temperatură mai ridicată, la cel cu temperatură mai joasă

-Prin conducţie: se face prin lipsa mişcărilor macroscopice (corpuri solide)- Prin convecţie: se face prin mişcări macroscopice de curgere (lichide, gaze)

- convecţie liberă: sub acţiunea forţelor arhimedice, datorită diferenţelor de densitate- convecţie forţată: mişcări sub acţiunea altor forţe

- Prin radiaţie: se face prin radiaţia electromagnetică (radiaţie termică, în infraroşu) se poate face şi în vid

Transmiterea căldurii prin conducţie

Temperatura Agitaţie termicăStări de agregare:-Solidă-Lichidă-Gazoasă-Plasma

Simulare transmiterea căldurii prin conducţie

primitced QQTmcTTmcQ

=∆=−=

.

12 )([ ] JcalJQ SI 18,4.1; ==

http://www.physics-animations.com/Physics/English/thermo.htm

Mişcare browniana tmcttmcQ ∆=−= )( 12

Material Thermal conductivity(cal/sec)/(cm2 C/cm)

Thermal conductivity(W/m K)*

Diamond ... 1000

Silver 1.01 406.0

Copper 0.99 385.0

Gold ... 314

Brass ... 109.0

Aluminum 0.50 205.0

Iron 0.163 79.5

Steel ... 50.2

Lead 0.083 34.7

Mercury ... 8.3

Ice 0.005 1.6

Glass,ordinary 0.0025 0.8

Concrete 0.002 0.8

Water at 20° C 0.0014 0.6

Asbestos 0.0004 0.08

Snow (dry) 0.00026 ...

Fiberglass 0.00015 0.04

Brick,insulating ... 0.15

Brick, red ... 0.6

Cork board 0.00011 0.04

Wool felt 0.0001 0.04

Rock wool ... 0.04

Polystyrene (styrofoam) ... 0.033

Polyurethane ... 0.02

Wood 0.0001 0.12-0.04

Air at 0° C 0.000057 0.024

Helium (20°C) ... 0.138

Hydrogen(20°C) ... 0.172

Nitrogen(20°C) ... 0.0234

Oxygen(20°C) ... 0.0238

Silica aerogel ... 0.003

A-aria barierei termiced-grosimea barierei termicet- intervalul de timpk-coeficientul de conducţie termică

3. Energia luminoasa (solara)

Fluxul energetic emis de soare

20 1367mWI =

21000

mWI p =

Energia radianta Legea Stephan Boltzman

4)( TSt

WTR σ=∆∆

∆=

2

81067,5ms

J×

×= −σ

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html(George State University)

(Constanta Stephan Boltzman)

[ ]nm760380÷∈λ ROGVAIV

nm380⟨λ

nm760⟩λSpectrul undelor electromagnetice

λ

λνε

hcm

cmhch

f

ff

=

=== 2

Teoria corpuscul- undă

https://www.youtube.com/watch?v=9k-seI24k8M

masa foton

energie foton

Noțiuni de fizică atomică

Atomos – indivizibil studiază atomii (sistemul nucleu – electroni)

atomD

nucleud

http://www.ptable.com/?lang=ro(Tabelul periodic dinamic)

000.100101010

1101010

515

10

.

.

15.

10.

===

≈≈

≈≈

−

−

−

−

Hnucleu

Hatom

Hnucleu

Hatom

dD

fmmdnmmD

https://phet.colorado.edu/sims/html/build-an-atom/latest/build-an-atom_en.html

(simulare construcția unui atom)

Structura atomului- Experimentul Rutherford (1911)https://phet.colorado.edu/sims/html/rutherford-scattering/latest/rutherford-scattering_en.html

Curs 8

Fenomene legate de Fizica Atomică(Feneomene fizice care au loc în interiorul învelișului de electroni din interiorul atomului)

Producerea luminiihttp://www.walter-fendt.de/html5/phen/bohrmodel_en.htm

(simulare model atom - modelul Bohr)

https://phet.colorado.edu/ro/simulation/hydrogen-atom(simulare excitare-dezexcitare- spectrul de emisie)

Fenomenul de producere a luminii-Spectrul de emisie)

https://phet.colorado.edu/en/simulation/molecules-and-light(Efectele luminii asupra moleculelor)

Radiația X(Produsă în urma unor fenomene fizice din învelișul electronic al unor elemente din

tabelul periodic)

Experiment

https://www.youtube.com/watch?v=4zrw9RIQJGY(youtube-producere)

AngstromAmo

1110 10 ==≈ −λ

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/Half-LifeLab/index.html(timp de înjumătățire)

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/RadiationDetectionLab/index.html(detecția radiației)

explozie bombă nuclearăpericol radiații

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/RadioactiveShieldingLab/index.html(absorbția-atenuarea radiațiilor nucleare)

Noțiuni de fizică nucleară

centrală nucleară

http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/(Laborator- grafice-tools)Curs 9

dezintegrarea carbon-14

aniT .573021 =

https://phet.colorado.edu/en/simulation/radioactive-dating-game(simulare-determinarea vârstei unui material radioactiv)

21693.0

0T

t

eNN =

21693.0

0T

t

edtdN

Λ==Λ

Legea dezintegrării radioactive

-N numărul de nuclee rămase nedezintegrate după intervalul de timp t- numărul inițial de nuclee- timpul de înjumătățire

0N21T

- activitatea sursei după timpul t- activitatea inițială a sursei radioactiveΛ

0Λ

[ ] BqBequereldezdtdN

SI ===Λ=Λ.sec.;

Radioactivitatea(Emisia de radiații de către un izotop al atom al cărui nucleu este instabil energetic)

Clasificare:-Radioactivitate naturală: radioactivitatea datorată unor nuclee din cele aflate în mediu natural

MeVYttriumStrontium 546.019039

9038 ++→ − β aniT 79.2821 =

MeVRadonRadium 871.442

22286

22688 ++→ α aniT 160121 =

MeVThU 267,423490

42

23892 ++→ α aniT 9

21 10468,4 ×=

- Radioactivitate indusă (artificială): obținută prin bombardarea unor nuclee curadiații nucleare- apar in reactoarele nucleare în urma reacțiilor nucleare dininteriorul lor- deșeuri radioactive.

Efectele radiațiilor nucleare1. Efecte folositore pentru:- Industria alimentară: un alt tip de conservare al alimentelor (distrugerea

bacteriilor și microbilor prin iradiere)- Industria farmaceutică: sterilizarea instrumentelor chirurgicale- Diagnosticare: radiografii- Tratamente medicale: cancer (distrugerea tumorilor)- Agricultură: modificări genetice ale plantelor prin iradiarea semințelor2. Efecte biologice:

Depind de:- ce cantitate de radiație încasează persoana expusă- organul expus iradierii (cap, mână, picior, organul digestiv, etc.)- timpul de iradiere (doza de radiație)- vărsta persoanei iradiate

a) efecte somatice: stare de rău generală și aparent inexplicabilăb) efecte genetice:

- malformații congenitale datorate iradierii celulelor reproductive, înainte de concepție

c) efecte teratogene:- cancer sau malformații congenitale cauzate expunerii la radiații a fătului în

uter, înainte de naștere.

Măsurarea expunerii la radiații

- Se realizează cu aparate speciale numite detectoare de radiații (transformă energia transportată de radiație, prin diverse fenomene fizice, în semnale electrice care mai departe, prin prelucrări de natură electronică, ne dau informații în legatură cu radiația măsurată)- exemple de tipuri de detectoare de radiații: Geiger Muller (GM), scintilatori, detectoare de fum, etc.

Schema de principiu al măsurării expunerii la radiații

Funcționarea unui detector de fum (foc)

Unități de măsură pentru radiația emisă de substanțele radioactiveRadiațiile nucleare emise de substanțe radioactive pot fi măsurate în:

-Număr de particule emise de substanțele radioactive N

- Activitatea sursei radioactive

Numărul de particule emise de substanța radioactivă în unitatea de timp

- altă unitate:

este activitatea unei surse radioactive de Radiu având masa de 1 gram

[ ] BqparticulătN

SI 1.sec1

1; ==Λ∆∆

=Λ

http://www.translatorscafe.com/unit-converter/ro/radiation-activity/7-1/(Conversia unitatilor de masura din fizica)

BqCiCurie 10107.311 ×==

Mărimi și unități de măsură pentru radiația nucleară absorbită prin contaminare radioactivă

- Doza medie absorbită:

- energia absorbită pentru toate tipurile de radiații

- masa substanței ce absoarbe radiația-Doza medie echivalentă absorbită:

- eficacitatea biologică a tipului de radiație

mEDabs ∆

∆=.

E∆

m∆

.abseDwQ =ew

→÷=

→=→=

=

−

nww

Xww

e

e

e

e10

1

205)(20,,(1

αβγ

[ ]

SvmSvkgJSvSievertQ SI

31011111

−=

===

https://en.wikipedia.org/wiki/Sievert(vezi expunerea la radiație a materiei vii)

1 Sv reprezintă echivalentul efectului biologic a unei energii de 1J ce afectează 1kg de țesut uman

Doze de radiații admisibile

http://www.jaea.go.jp/04/turuga/jturuga/realtime/unchange_file/e_expln_3.html

(radiația provenită din mediul înconjurător)

• 6 Sv (accident Cernobâl) – deces imediat.• (4-4.5) Sv – jumătate din persoane mor (piele arsă; distrugerea sistemului nervos, măduvă osoasă, celule digestive, sistem imunitar, etc.). • (1-3) Sv – grețuri, vomă, hemoragii interne, moartea celulelor, etc..• 1 Sv – celulele supraviețuiesc, este distrus ADN care conduce la cancer(leucemie, cancer tiroidian, plămâni, piele, etc.) după mai mulți ani de la iradiere.

- influențe negative asupra dezvoltării fătului în uter care conduc spre nașterea unor copii cu malformații. Acest lucru se propagă și la generațiile următoare.

⟨

Doze de radiații-efecte

Fonduri de radiații nucleare:• Australia – 1,5 mSv/an• SUA – 3 mSv/an-Zbor avion New York-Tokio (ruta polară) – 9 mSv/an- lucrător mine Japonia – 5 mSv/3 luni- Ramsar (Iran) – 100 mSv- Cernobâl - 350 mSv/timpul vieții- Plajă (Brazilia) – 800 mSv

- pentru creșterea probabilității de apariție al cancerului 100 mSv- 10 000 mSv/timp scurt – fatal (deces în câteva saptămâni)

zileTMevPoRn

8235,3590.5

2/1

21884

42

22286

=++→ α Radonul provine din existent în

sol, roci, apă; prin dezintegrări succesive.Este un gaz radioactiv, care emite radiații în interiorul caselor noi.Este greu de protejat împotriva acestui gaz.

U23892

α