MATEMATIX

Polityka prywatności

Definicje i Teorie

Kluczowe pojęcia z matematyki i fizyki — od podstawówki po maturę

Inne

Promieniotwórczość — typy rozpadu i prawo zaniku

Szkoła średnia
Promieniotwórczość — spontaniczny rozpad niestabilnych jąder atomowych z emisją promieniowania.
Typy:
  • $\alpha$: emisja jądra helu $^4_2\text{He}$ (duże, mało przenikliwe — zatrzymuje kartka papieru)
  • $\beta^-$: elektron + antyneutrino ($n\to p+e^-+\bar{\nu}$)
  • $\beta^+$: pozyton + neutrino ($p\to n+e^++\nu$)
  • $\gamma$: foton wysokoenergetyczny (brak zmiany $Z$ ani $A$ — wymaga grubego ołowiu)
Prosto mówiąc: Jądro "niestabilne" jak kostka lodu — chce przejść w stabilniejszy stan, oddając energię jako cząstki lub promieniowanie. Nie można przewidzieć KIEDY rozpadnie się jedno jądro — ale dla miliardów jąder prawo zaniku działa dokładnie.
Prawo zaniku promieniotwórczego: $$N(t) = N_0 \cdot \left(\frac{1}{2}\right)^{t/T_{1/2}} = N_0 e^{-\lambda t}$$ Gdzie $T_{1/2}$ — czas połowicznego zaniku, $\lambda = \dfrac{\ln 2}{T_{1/2}}$ — stała rozpadu.
Aktywność: $A = \lambda N$ [Bq = 1 rozpad/s]
Przykład — datowanie izotopem C-14 ($T_{1/2}=5730$ lat):
Znaleziono szczątki z $A = 0{,}25\cdot A_0$ (¼ aktywności pierwotnej). $$0{,}25 = \left(\frac{1}{2}\right)^{t/5730} = \left(\frac{1}{2}\right)^2 \Rightarrow \frac{t}{5730} = 2 \Rightarrow t = 11\,460 \text{ lat}$$
⚡ Zapamiętaj: Po każdym czasie $T_{1/2}$ połowa jąder się rozpada. Po $n$ półokresach pozostaje $\left(\frac{1}{2}\right)^n$ ilości początkowej. Zasada zachowania liczby masowej $A$ i atomowej $Z$ obowiązuje w każdym rozpadzie.

Ruch harmoniczny prosty

Szkoła średnia
Definicja: Ruch harmoniczny prosty (RHP) to ruch, w którym siła przywracająca jest proporcjonalna do wychylenia i skierowana ku pozycji równowagi: $$F = -kx \quad \text{(prawo Hooke'a)}$$ Równanie ruchu: $x(t) = A\cos(\omega t + \varphi_0)$
Gdzie: $A$ — amplituda, $\omega = 2\pi f = \dfrac{2\pi}{T}$ — częstość kołowa, $\varphi_0$ — faza początkowa.
Okres: $T = 2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}$ (wahadło sprężynowe); $T = 2\pi\sqrt{\dfrac{l}{g}}$ (wahadło matematyczne)
Prosto mówiąc: Ciężarek na sprężynie kiwający w górę i dół. Raz w górę, raz w dół — symetrycznie, regularnie, bez tłumienia. Matem. opisuje go cosinus lub sinus czasu.
Energie w RHP:
  • Energia potencjalna: $E_p = \dfrac{1}{2}kx^2$
  • Energia kinetyczna: $E_k = \dfrac{1}{2}mv^2 = \dfrac{1}{2}k(A^2-x^2)$
  • Energia całkowita: $E = \dfrac{1}{2}kA^2$ (stała — zasada zachowania energii)
  • Prędkość max. w $x=0$: $v_{max} = A\omega$
Przykład: Wahadło matematyczne długości 1 m. Jaki okres na Ziemi ($g = 9{,}81$ m/s²)? $$T = 2\pi\sqrt{\frac{l}{g}} = 2\pi\sqrt{\frac{1}{9{,}81}} \approx 2\pi \cdot 0{,}319 \approx 2{,}006\ \text{s}$$
⚡ Zapamiętaj: Okres wahadła matematycznego zależy od długości i $g$ — NIE zależy od masy wahadła ani amplitudy (dla małych wychyleń). Dlatego wahadła zegarowe zachowują stały rytm.

Energia potencjalna — grawitacyjna i sprężystości

Szkoła średnia
Energia potencjalna grawitacyjna: $$E_{pg} = mgh$$ Gdzie $h$ — wysokość nad przyjętym poziomem odniesienia, $g = 9{,}81$ m/s².
Energia potencjalna sprężystości (Hooke'a): $$E_{ps} = \frac{1}{2}kx^2$$ Gdzie $k$ — stała sprężyny [N/m], $x$ — odkształcenie od położenia równowagi.
Prosto mówiąc: Grawitacyjna: im wyżej ciało, tym więcej energii "zgromadzone" (może spaść). Sprężystości: im bardziej naciągnięta sprężyna, tym więcej energii (wyrzucenie piłki). Obie to "zmagazynowana zdolność do pracy".
Siła sprężystości (prawo Hooke'a): $F = -kx$ (skierowana przeciwnie do odkształcenia).
Praca sił grawitacji: $W_g = mgh$ (niezależna od drogi — siła zachowawcza).
Praca przy rozciąganiu sprężyny: $W = \dfrac{1}{2}kx^2 = E_{ps}$.
Przykład: Sprężyna $k=500$ N/m, odkształcenie 0,2 m. Energia? $$E_{ps} = \frac{1}{2}\cdot500\cdot(0{,}2)^2 = \frac{1}{2}\cdot500\cdot0{,}04 = 10 \text{ J}$$
⚡ Zapamiętaj: Poziom odniesienia dla $E_{pg}$ wybieramy dowolnie (zwykle podłogę lub niższy punkt). Liczy się tylko zmiana energii potencjalnej, nie jej wartość bezwzględna.

Gaz doskonały — równanie stanu i przemiany

Szkoła średnia
Równanie Clapeyrona (gaz doskonały): $$pV = nRT$$ Gdzie: $p$ — ciśnienie [Pa], $V$ — objętość [m³], $n$ — liczba moli [mol], $R = 8{,}314$ J/(mol·K), $T$ — temperatura bezwzględna [K].
Dla stałej ilości gazu: $\dfrac{p_1V_1}{T_1} = \dfrac{p_2V_2}{T_2}$
Prosto mówiąc: Gaz doskonały to model — cząsteczki punktowe, bez oddziaływań (z wyjątkiem zderzeń sprężystych). Powietrze w typowych warunkach zachowuje się prawie jak gaz doskonały.
Izoprocesy — przemiany przy stałej wielkości:
  • Izotermiczna ($T=\text{const}$): $p_1V_1 = p_2V_2$ (prawo Boyle'a)
  • Izobaryczna ($p=\text{const}$): $\dfrac{V_1}{T_1} = \dfrac{V_2}{T_2}$ (prawo Gay-Lussaca)
  • Izochoryczna ($V=\text{const}$): $\dfrac{p_1}{T_1} = \dfrac{p_2}{T_2}$ (prawo Charlesa)
  • Adiabatyczna ($Q=0$): $pV^\gamma = \text{const}$
Przykład: Gaz w zbiorniku: $p_1=2$ atm, $V_1=10$ L, $T_1=300$ K. Po podgrzaniu do $T_2=450$ K, ciśnienie? $$\frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2} \Rightarrow p_2 = \frac{2\cdot450}{300} = 3 \text{ atm}$$
⚡ Zapamiętaj: Temperatura musi być w Kelwinach! $T[K] = T[°C] + 273{,}15$. Błąd Celsiuszy w Kelvinach = błąd w całym wyniku. 0 K = −273,15°C to minimum absolutne.

Ruch po okręgu i siła odśrodkowa

Szkoła średnia
Ruch jednostajny po okręgu: stała wartość prędkości, ale zmienny kierunek → przyspieszenie dośrodkowe: $$a_d = \frac{v^2}{r} = \omega^2 r$$ Gdzie $\omega = \dfrac{2\pi}{T} = 2\pi f$ — prędkość kątowa [rad/s].
Siła dośrodkowa (skierowana do środka): $F_d = ma_d = \dfrac{mv^2}{r}$
Prosto mówiąc: Piłka na sznurku kręcona w kółko potrzebuje siły do środka — to naciąg sznurka. Zwolnij sznurek: piłka leci po stycznej (nie od środka!). "Siła odśrodkowa" to tylko efekt inercji w układzie obracającym się.
Okres i częstotliwość: $T = \dfrac{2\pi r}{v}$; $f = \dfrac{1}{T}$; $v = \omega r = \dfrac{2\pi r}{T}$
Zastosowania: Wirówki (oddzielanie substancji), zakręty na drodze (nachylenie = tarcie dośrodkowe), orbity planet (grawitacja dośrodkowa).
Przykład: Samochód (masa 1000 kg) jedzie z prędkością 20 m/s po łuku o promieniu 50 m. Minimalne tarcie? $$F_d = \frac{mv^2}{r} = \frac{1000\cdot400}{50} = 8000 \text{ N}$$ Tarcie musi dostarczyć tę siłę: $\mu mg \geq 8000$ N → $\mu \geq \dfrac{8000}{9810} \approx 0{,}82$.
⚡ Zapamiętaj: Siła dośrodkowa nie jest nowym rodzajem siły — to rola, jaką pełni np. grawitacja (satelita), naciąg liny (młocarz), tarcie (zakręt). Bez siły dośrodkowej ciało leci po prostej!

Obwody prądu stałego — prawa Kirchhoffa

Szkoła średnia
Prawa Kirchhoffa:
  • I prawo (prądowe): Suma prądów wpływających do węzła = sumie prądów wypływających: $\sum I_{we} = \sum I_{wy}$ (zasada zachowania ładunku)
  • II prawo (napięciowe): Suma SEM w oczku = sumie spadków napięć: $\sum \varepsilon = \sum IR$ (zasada zachowania energii)
Prawo Ohma dla całego obwodu: $I = \dfrac{\varepsilon}{R + r}$, gdzie $r$ — opór wewnętrzny źródła, $\varepsilon$ — SEM.
Prosto mówiąc: I prawo: ile "wody" wpływa do rury — tyle musi wypłynąć (prąd nie ginie w węźle). II prawo: suma "podbić" napięcia (baterie) = suma "spadków" (opory) w zamkniętej pętli.
Moc elektryczna i energia:
  • Moc: $P = UI = I^2R = \dfrac{U^2}{R}$ [W]
  • Energia: $E = P \cdot t = UIt$ [J]; w kWh: $E[\text{kWh}] = \dfrac{P[\text{W}] \cdot t[\text{h}]}{1000}$
  • Efekt Joule'a: $Q = I^2 R t$ (ciepło wydzielone)
Przykład: Bateria $\varepsilon = 9$ V, $r = 0{,}5\ \Omega$, zewnętrzny opór $R = 8{,}5\ \Omega$.
  1. $I = \dfrac{9}{8{,}5 + 0{,}5} = \dfrac{9}{9} = 1$ A
  2. Napięcie na zaciskach: $U = \varepsilon - Ir = 9 - 0{,}5 = 8{,}5$ V
  3. Moc: $P = UI = 8{,}5 \cdot 1 = 8{,}5$ W
⚡ Zapamiętaj: Napięcie na zaciskach baterii jest mniejsze od SEM o spadek napięcia na oporze wewnętrznym ($Ir$). Im większy prąd pobieramy, tym bardziej "siada" napięcie baterii.

Zasada zachowania energii mechanicznej

Szkoła średnia
Zasada zachowania energii mechanicznej: W układzie, gdzie działają tylko siły zachowawcze (np. grawitacja,