Natuurkunde Deel 1 Mechanica en thermodynamica Douglas C.Giancoli Formularium 1 Inleiding, meten en schatten Voorvoegsel Exa Peta Tera Giga Mega Kilo Hecto Deca Deci Centi Milli Micro Nano Pico Femto Atto Tabel 1: Afkorting E P T G M k h da d c m µ n p f a Waarde 1018 1015 1012 109 106 103 102 101 10−1 10−2 10−3 10−6 10−9 10−12 10−15 10−18 SI metrieke voorvoegsels. 2 Beweging beschrijven: Kinematica in één dimensie Gemiddelde snelheid: gemiddelde snelheid = afgelegde afstand verstreken tijd Gemiddelde vectoriële snelheid: gemiddelde vectoriële snelheid = v̄ = 1 verplaatsing ∆x = verstreken tijd ∆t (2.1) Grootheid Eenheid Eenheid (afkorting) Lengte meter Tijd seconde Massa kilogram Stroomsterkte ampère Temperatuur kelvin Hoeveelheid v.e. stof mol Lichtsterkte candela Tabel 2: Momentane snelheid: m s kg A K mol cd SI Eenheden. ∆x dx = ∆t→0 ∆t dt v = lim Gemiddelde versnellingsvector: gemiddelde versnellingsvector = ā = Momentane versnelling: verandering van snelheidsvector ∆v = verstreken tijd ∆t dv d2 x ∆v = = 2 a = lim ∆t→0 ∆t dt dt (2.3) (2.4) (2.6) Beweging met constante versnelling: (2.7) (2.8) v = v0 + at x = x0 + v̄t v + v0 v̄ = 2 (2.9) 1 x = x0 + v0 t + at2 2 v 2 = v02 + 2a (x − x0 ) (2.10) (2.11) Versnelling van de zwaartekracht of valversnelling: g = 9, 80 m/s2 Variabele versnelling: Z t2 x2 − x 1 = v (t) dt t Z 1t2 v2 − v1 = a (t) dt t1 3 Kinematica in twee en drie dimensies; vectoren Gemiddelde snelheidsvector: ~v = 2 ∆~r ∆t (3.7) Momentane snelheidsvector: ∆~r d~r dx dy dz = = ~ex + ~ey + ~ez = vx~ex + vy~ey + vz~ez ∆t→0 ∆t dt dt dt dt ~v = lim (3.8) Momentane versnellingsvector: d~v dvx dvy dvz ∆~v ~ex + ~ey + ~ez = ax~ex + ay~ey + az~ez = = ∆t→0 ∆t dt dt dt dt ~a = lim (3.11) Constante versnelling: ~v = ~v0 + ~at ~r = ~r0 + ~v0 t + 21 ~at2 (3.12a) (3.12b) Kogelbaan: vy = vy0 − gt 1 y = vy0 t − gt2 2 2 2 vy = vy0 − 2gy vy0 g y= x− x2 2 vx0 2vx0 (3.14) 4 Dynamica: De bewegingswetten van Newton Tweede wet van Newton: Derde wet van Newton: Zwaartekracht: ~ = m~a F (4.1) ~ GP = −F ~ PG F (4.2) ~ G = m~g F (4.3) X 5 De wetten van Newton: wrijving, cirkelvormige beweging, weerstandskrachten Glijdende (kinetische) wrijving: Fwr = µk FN Statische wrijving: Fwr ≤ µs FN 3 Cirkelbeweging: v2 = ω2r r 1 T = f 2πr v= T dv atan = dt ~a = ~aR + ~atan q a = a2tan + a2R aR = (5.1) (5.2) (5.4) (5.5) Centripetale kracht bij cirkelbeweging: X FR = maR = m v2 = mω 2 r r (5.3) 6 De zwaartekracht en de synthese van Newton Algemene gravitatiewet: m1 m2 r2 Nm2 G = 6, 67 · 10−11 2 kg ~ 12 = −G m1 m2 r̂21 F 2 r21 F =G (6.1) (6.2) Zwaartekracht aan het aardoppervlak: g=G 4 mA 2 rA (6.3) Derde wet van Kepler: Naam Aarde Maan Zon T1 T2 2 = r1 r2 3 (6.7) Straal (km) Massa (kg) Gem. afstand tot de aarde (km) 6, 95 · 105 5, 98 · 1024 7, 35 · 1022 1, 99 · 1030 3, 84 · 105 1, 496 · 108 6380 1738 - Zwaartekrachtveld: ~g = ~ F m (6.8) 7 Arbeid en energie Arbeid, verricht door een constante kracht: W = Fk d = F d cos θ (7.1) ~ ·B ~ = AB cos θ A = Ax Bx + Ay By + Az Bz (7.2) (7.4) Inwendig vectorproduct: Arbeid, verricht door een constante kracht, vectorieel: ~ · ~d = F d cos θ W =F (7.3) Arbeid, verricht door een variabele kracht: Z W = b Z F cos θd` = a a 5 b ~ · d~` F (7.7) Wet van Hooke voor een veer: (7.8) FV = −kx Arbeid bij een veer: WV = 12 kx2 Kinetische energie van een puntmassa: Arbeid-energiestelling: K = 12 mv 2 (7.10) 1 1 Wnet = ∆K = mv22 − mv12 2 2 (7.11) 8 Behoud van energie Potentiële energie van een voorwerp in het gravitatieveld (dicht bij het aardoppervlak): (8.3) U = mgy Verandering van potentiële energie, horend bij een conservatieve kracht: Z 2 ∆U = U2 − U1 = − ~ · d~` = −W F (8.4) 1 Potentiële energie van een veer: Uel = 21 kx2 (8.5) Kracht in functie van de potentiële energie (één dimensie en 3 dimensies): F (x) = − dU (x) dx (8.7) ~ (x, y, z) = −~ex ∂U − ~ey ∂U − ~ez ∂U = −grad U = −∇U F ∂x ∂y ∂z Behoud van energie voor conservatieve krachten: E = K + U = constant (8.8) ∆K + ∆U + [verandering in alle andere vormen van energie] = 0 (8.14) Behoud van energie : Potentiële energie in een gravitatieveld: GmM r (8.17) dW ~ · ~v =F dt (8.20) U (r) = − Momentaan vermogen: P = 6 9 Impuls Impuls van een voorwerp: (9.1) ~p = m~v Tweede wet van Newton in geval van constante massa: X ~ = d~p = d (m~v) = m d~v = m~a F dt dt dt (9.2) Behoud van impuls (tweede wet van Newton voor een systeem): X ~ dP ~ uitw = F dt Stoot bij een botsing: ~J = Z t2 (9.5) (9.6) ~ = ∆~p Fdt t1 Elastische botsing in 1 dimensie: (9.8) vA − vB = − (vA0 − vB0 ) Massamiddelpunt van een verzameling puntmassa's: P xMM = P m i xi M mi y i M yMM = P zMM = mi zi M P mi~ri M ~rMM = (9.11) (9.12) Massamiddelpunt van een ruimtelijk lichaam: xMM 1 = M Z xdm Z yMM 1 = M Z ~rMM 1 = M ydm zMM 1 = M ~rdm Z zdm (9.13) (9.14) Tweede wet van Newton voor ruimtelijke lichamen: ~ uitw M~aMM = F (9.17) Tweede wet van Newton voor een systeem met variabele massa: M dM d~v ~ = Fuitw + ~vrel dt dt 7 (9.19) 10 Rotatiebeweging Grootheden bij rotatie: l r dθ ω= dt dω α= dt v = Rω atan = Rα (10.1) θ= (10.2) (10.3) (10.4) (10.5) v2 (Rω)2 aR = = = ω2R R R ω f= 2π 1 T = f (10.6) (10.7) (10.8) Constante hoekversnelling: (10.9a) ω = ω0 + αt 1 θ = θ0 + ω0 t + αt2 2 ω 2 = ω02 + 2α (θ − θ0 ) ω + ω0 ω= 2 (10.9d) τ = R⊥ F = RF⊥ = RF sin θ (10.10) Krachtmoment: Traagheidsmoment: I= Rotationele dynamica: X X mi Ri2 [vaste as] τ = Iα (10.9b) (10.9c) (10.13) (10.14) Rotatie-equivalent van de tweede wet van Newton, voor rotatie om een as met vaste oriëntatie, ook in beweging: τMM = IMM αMM (10.15) Traagheidsmoment van een ruimtelijk lichaam: Z I= R2 dm 8 (10.16) Evenwijdige-assenstelling (stelling van Steiner): I = IMM + M h2 (10.17) Loodrechte-assenstelling voor vlakke voorwerpen: Iz = Ix + Iy (10.18) Kinetische energie bij rotatie om een vaste as: K = 21 Iω 2 Arbeid bij rotatie: Z θ2 W = τ dθ θ1 9 (10.19) (10.20) Vermogen bij rotatie: P = dW = τω dt (10.21) Principe arbeid en energie bij rotatie: Z θ2 W = θ1 (10.22) τ dθ = 21 Iω22 − 21 Iω12 Totale kinetische energie van een star lichaam met een rotatie-as met vaste oriëntatie: (10.23) 2 + 12 IMM ω 2 K = 21 M vMM 11 Impulsmoment; algemene rotatie Impulsmoment bij rotatie om een vaste as (component van L langs de rotatie-as): (11.1) L = Iω Tweede wet van Newton voor rotatie: X τ= dL dt (11.2) Behoud van impulsmoment: dL = 0 en L = Iω = constant dt hX i τ =0 Uitwendig product van 2 vectoren: (11.3a) ~ ×B ~ = AB sin θ A ~ ×B ~ = A ~i ~j ~k Ax Ay Az Bx By Bz (11.3b) = (Ay Bz − Az By ) ~ex + (Az Bx − Ax Bz ) ~ey + (Ax By − Ay Bx ) ~ez (11.3c) Eigenschappen van het uitwendig product: ~ ×A ~ =0 A (11.4a) ~ ×B ~ = −B ~ ×A ~ A ~ × B ~ +C ~ = A ~ ×B ~ + A ~ ×C ~ A (11.4b) Krachtmomentvector: (11.4c) ~ ~ d ~ ~ = dA × B ~ +A ~ × dB A×B dt dt dt (11.4d) ~ ~τ = ~r × F (11.5) 10 Krachtmoment op een verzameling puntmassa's: X ~ ~ri × Fi ~τ = Impulsmoment van een puntmassa: ~ = ~r × ~p L (11.6) Rotationele tweede wet van Newton op een puntmassa in een inertiaalstelsel: X ~τ = ~ dL dt (11.7) Rotationele tweede wet van Newton op een lichaam in een inertiaalstelsel: X ~τuitw = ~ dL dt (11.9a) Rotationele tweede wet van Newton op een lichaam (algemeen): X Impulsmoment: ~ = I~ω L ~τMM = ~ MM dL dt [rotatie-as = symmetrie-as] (11.9b) (11.11) Coriolisversnelling in een roterend assenstelsel: acor = −2ωv (11.15) en vectoriëel: ~acor = −2~ω × ~v Centrifugaalversnelling in een roterend assenstelsel: ~acent = −~ω × (~ω × ~r) 12 Statisch evenwicht; elasticiteit en breuk Evenwichtsvoorwaarden: X ~ =0 F X ~τ = 0 (12.1) (12.2) Lengteverandering van een voorwerp onder invloed van een kracht: ∆l = 1F l0 EA (12.4) ∆l = 1F l0 GA (12.6) Afschuiving: Volumeverandering van een voorwerp onder invloed van druk: ∆V 1 = − ∆P V0 K 11 (12.7) 13 Vloeistoen Dichtheid van een stof: ρ= Gewicht van een voorwerp: m V (13.1) mg = ρV g Druk op een oppervlak: F A (13.2) P = P0 + ρgh (13.3) druk = P = Druk in een vloeistof: 12 Wet van Pascal: Fuit Auit = Fin Ain Wet van Archimedes: FB = mV g Continuïteitsvergelijking: Wet van Bernoulli: ρ1 A1 v1 = ρ2 A2 v2 (13.7) 1 P + ρv 2 + ρgy = constant 2 (13.8) Wet van Torricelli: v1 = Verband kracht - viscositeit: F = ηA Wet van Poiseuille: Q= (13.9) p 2g (y2 − y1 ) v l (13.11) πR4 (P1 − P2 ) 8ηl (13.12) F l (13.13) Oppervlaktespanning van een vloeistof: γ= 14 Trillingen Terugroepende kracht van een veer (wet van Hooke): (14.1) F = −kx Bewegingsvergelijking voor de enkelvoudige harmonische oscillator: k d2 x + x=0 2 dt m met ω2 = (14.3) k m (14.4) Enkelvoudige harmonische beweging: x = A cos (ωt + φ) = A cos 1 f= 2π r 2πt +φ T = A cos (2πf t + φ) r k m T = 2π m k (14.6) (14.7) Totale mechanische energie van een harmonische oscillator: 1 1 E = mv 2 + kx2 2 2 13 (14.10) Periode van een enkelvoudige slinger (kleine uitwijking): s l g (14.12) I mgh (14.14) T = 2π Periode van een fysische slinger: s T = 2π Periode van een torsieslinger: r ω= K I als τ = −Kθ Bewegingsvergelijking van een gedempte harmonische beweging: m d2 x dx + b + kx = 0 2 dt dt (14.15) Oplossing van een gedempte harmonische beweging: x = Ae−γt cos ω 0 t b γ= 2m r k b2 ω0 = − m 4m2 (14.16) (14.17) (14.18) Bewegingsvergelijking van een gedwongen gedempte harmonische beweging: m d2 x dx + b + kx = F0 cos ωt 2 dt dt (14.21) Oplossing van bovenstaande bewegingsvergelijking: A0 = x = A0 sin (ωt + φ0 ) (14.22) F0 q 2 m (ω 2 − ω02 ) + b2 ω 2 /m2 (14.23) ω02 − ω 2 ω (b/m) mω0 Q= b (14.24) φ0 = tan−1 (14.25) 15 Golfbeweging Voortplantingssnelheid van een golf: v = λf 14 (15.1) Snelheid van een golf in een gespannen snaar: s v= FT µ (15.2) Snelheid van een longitudinale golf in een massieve staaf: s v= E ρ (15.3) Snelheid van een longitudinale golf in een vloeistof of gas: s v= K ρ (15.4) Intensiteit van een golf: I= P̄ = 2π 2 vρf 2 A2 S (15.7) Wiskundige voorstelling van een eendimensionale golf die zich naar rechts voortplant: 2π (x − vt) = A sin (kx − ωt) D = A sin λ (15.13) ∂ 2D 1 ∂ 2D = ∂x2 v 2 ∂t2 (15.16) 2` , n (15.18) Golfvergelijking: Golengte van een trillende snaar: λn = Brekingswet van Snellius: n = 1, 2, 3, . . . sin θ2 v1 = sin θ1 v2 (15.19) 16 Geluid Snelheid van het geluid in lucht (T = temperatuur in ◦ C): v ≈ (331 + 0, 60 T ) m/s Intensiteitsniveau van een geluid (met I0 = 1, 0 · 10−12 W/m2 ): β (in dB) = 10 log I I0 (16.6) Staande golven in een open buis: f1 = v , 2L f2 = v , L 15 f3 = 3v ... 2L Staande golven in een gesloten buis: f1 = v , 4L f2 = 3v , 4L f3 = 5v ... 4L Dopplereect voor een bewegende bron (+: bron beweegt weg van de (stilstaande) waarnemer): 1 (16.7) f0 = vbron f 1± vgeluid Dopplereect voor een bewegende waarnemer (+: waarnemer beweegt naar de (stilstaande) bron toe): f0 = 1± vwaarn vgeluid f (16.8) 17 Temperatuur, thermische expansie en de ideale gaswet Temperatuurschalen: 5 [T (◦ F ) − 32] 9 9 T (◦ F ) = T (◦ C) + 32 5 T (K) = T (◦ C) + 273, 15 (17.3) ∆` = α`0 ∆T (17.4) T (◦ C) = Lineaire expansie: 16 (17.1) (17.2) Volume expansie: ∆V = βV0 ∆T (17.5) P V = nRT = N kT (17.6) Ideale gaswet: 18 Kinetische gastheorie Gemiddelde translatie-energie: K = 12 mv 2 = 32 kT Eectieve snelheid: ve = p r v2 = Maxwell-snelheidsverdeling: f (v) = 4πN 3kT m m 32 1 mv 2 v 2 e− 2 2kT 2πkT (18.1) (18.2) (18.3) Clausius-toestandsvergelijking: P V −b n 17 = RT (18.4) Van der Waals-toestandsvergelijking: P+ a (V /n)2 Gemiddelde vrije weglengte: `M = V −b n = RT 1 √ 4π 2r2 (N/V ) Diusievergelijking: J = DA dC dx (18.5) (18.6) (18.7) 19 Warmte en de eerste hoofdwet van de thermodynamica Inwendige energie ideaal gas: Einw = 32 N kT = 32 nRT (19.1) Q = mc∆T (19.2) Q = mL (19.3) Soortelijke warmte: Latente warmte: 18 Eerste hoofdwet: ∆Einw = Q − W (19.4) ∆K + ∆U + ∆Einw = Q − W (19.5) Uitbreiding van de eerste hoofdwet: Arbeid: W = Arbeid isotherm proces, ideaal gas: Z VB VA P dV (19.7) VB VA (19.8) W = nRT ln Arbeid isobaar proces: W = P ∆V (19.9a) VB W = nRTB 1 − VA (19.9b) Arbeid isobaar proces, ideaal gas: Molaire soortelijke warmtes voor gassen: [constant volume] [constante druk] Q = nCV ∆T Q = nCP ∆T (19.10a) (19.10b) CP − CV = R (19.11) ∆Einw = 32 nR∆T = nCV ∆T (19.12) CV = 32 R (19.13) Voor een ideaal eenatomig gas: Adiabatische expansie van een gas: γ= CP CV 19 (19.14) Warmtegeleiding: Warmtestraling: Warmtestraling van Zon: P V γ = cte (19.15) T1 − T2 ∆Q = kA ∆t ` dQ dT = −kA dt dx (19.16a) (19.16b) ∆Q = σA T14 − T24 ∆t (19.18) ∆Q = 1000 W/m2 A cos θ ∆t (19.19) 20 De tweede hoofdwet van de thermodynamica Rendement: e= W QH e=1− 20 QL QH (20.1a) (20.1b) Carnotcyclus: QL TL = QH TH eideaal = 1 − Prestatiecoëciënt: COP = QL W QL QH − QL TL COPideaal = TH − TL COP = Entropie: Reversibele cyclus: (20.2) TL TH (20.3) [koelkast, airconditioner] (20.4a) [koelkast, airconditioner] (20.4b) [koelkast, airconditioner] (20.4c) Z b dQ dS = ∆S = a T a Z b I dQ =0 T (20.8) (20.11) Tweede hoofdwet: ∆S = ∆Ssyst + ∆Somg > 0 (20.13) S = k ln W (20.14) Statische betekenis entropie: Thermodynamische temperatuur: T = (273, 16 K) met Ttp = 273, 16 K het tripelpunt van water. 21 Q Qtp
0
You can add this document to your study collection(s)
Sign in Available only to authorized usersYou can add this document to your saved list
Sign in Available only to authorized users(For complaints, use another form )