Fyzika I (FSI-2F)

Akademický rok 2021/2022
Garant: doc. Ing. Stanislav Průša, 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 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. Termodynamika, teplo, kinetická teorie plynů, entropie, tepelné motory.
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách. Výuka je doplněna laboratorním cvičením.
Způsob a kritéria hodnocení:
Podmínky udělení zápočtu: alespoň 11 bodů v C1 a alespoň 6 bodů v L, maximálně lze získat 31 bodů. 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.
Písemná část zkoušky je povinná pro všechny (14 testových otázek s výběrovými odpověďmi, 3 příklady, max 59 bodů), pokud při ní student získá méně než 30 bodů, pak u zkoušky neuspěl.
Ústní části zkoušky se mohou dobrovolně podrobit studenti, kteří uspěli v předchozích částech. Ústní část je hodnocena celkem -10 až +10 body.
Klasifikační hodnocení studenta (A - F) odpovídá celkovému dosaženému počtu bodů v souladu se Studijním a zkušebním řádem VUT.  Podrobnosti na serveru Physics.fme.vutbr.cz.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Účast ve cvičení je kontrolována. V teoretickém cvičení (C1) jsou zařazeny 3 kontrolní práce (KP, vždy 2 testové otázky s výběrovými odpověďmi, 2 příklady, max 7 bodů).
V laboratorním cvičení (L) 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 důvody (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. nepovinná                  
    Laboratorní cvičení  13 × 1 hod. povinná                  
    Cvičení  13 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška Měření. Mezinárodní soustava jednotek, základní a odvozené jednotky. Přímočarý pohyb. Grafické integrování při analýze pohybu. Vektory, jejich sčítání a násobení.
Dvojrozměrný a trojrozměrný pohyb, rychlost a zrychlení, rovnoměrný pohyb po kružnici. Vzájemný pohyb.
Síla a pohyb. Newtonovská mechanika. Inerciální vztažné soustavy. První, druhý a třetí Newtonův zákon. Některé typy sil. Užití Newtonových zákonů.
Práce a kinetická energie. Teorém o práci a kinetické energii. Práce gravitační síly. Práce pružné síly. Práce proměnné síly. Výkon.
Potenciální energie a zákon zachování energie. Konzervativní a nekonzervativní síly. Určení hodnot potenciální energie gravitační a pružné. Práce vnějších a nekonzervativních sil.
Soustavy částic a tuhé těleso. Střed hmotnosti. Hybnost. První impulzová věta. Srážky částic.
Rotace tuhého tělesa a valení. Veličiny charakterizující otáčivý pohyb. Moment setrvačnosti. Moment síly. Moment hybnosti. Druhá impulzová věta. Zákon zachování momentu hybnosti.
Rovnováha a pružnost. Těžiště a střed hmotnosti. Tah a tlak, smyk a všestranný tlak. Hookův zákon.
Gravitace. Newtonův gravitační zákon. Princip superpozice. Gravitační potenciální energie. Planety a družice: Keplerovy zákony.
Tekutiny. Tlak. Pascalův zákon. Archimedův zákon. Rovnice kontinuity. Bernoulliova rovnice.
Kmity. Harmonický pohyb, pohybová rovnice, energie. Torzní kmity. Kyvadla. Tlumený oscilátor. Nucené kmity a rezonance.
Vlny. Druhy vln. Vlny příčné a podélné. Postupná harmonická vlna. Vlnová rovnice. Princip superpozice. Interference vln. Stojaté vlny a rezonance. Zvukové vlny. Zázněje. Dopplerův jev.
Termodynamika. Nultý zákon termodynamiky, teplota a tepelná rovnováha. Práce a teplo. Vnitřní energie a první zákon termodynamiky, jeho aplikace. Ideální plyn (stavová rovnice, tepelné kapacity). Druhý zákon termodynamiky a entropie. Vratné a nevratné děje. Carnotův motor a jeho účinnost. Chladnička a tepelné čerpadlo.
    Laboratorní cvičení 1. Účinnost tepelného stroje: Stirlingův motor.
2. Numerická integrace pohybové rovnice: torzní kmity.
3. Vytvoření modelu: vlny v trubicích.
4. Numerické a grafické řešení: ohřev při tepelných ztrátách.
    Cvičení Příklady jsou označeny podle základní literatury [1]:
1. téma: Vektory – opakování
2. téma: Pohyb částice
3. téma: Síla a pohyb
4. téma: Práce a energie
5. téma: Soustavy částic
6. téma: Rotace a valení
7. téma: Gravitace
8. téma: Kmity
9. téma: Vlny
10. téma: Termodynamika
Literatura - základní:
1. HALLIDAY, D. - RESNICK, R. - Walker, J.: Fyzika, 2. vydání, VUTIUM, Brno 2013
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  
B-ZSI-P prezenční studium STI Základy strojního inženýrství -- zá,zk 7 Povinný 1 1 L
B-ZSI-P prezenční studium MTI Materiálové inženýrství -- zá,zk 7 Povinný 1 1 L
B-ENE-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 7 Povinný 1 1 L
B-MAI-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 7 Povinný 1 1 L
B-MET-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 7 Povinný 1 1 L