FT500: Mekanik og termodynamik

Dette kursus kan kun vælges, hvis det:

1. indgår konstituerende på din uddannelse
2. det står som specifik anbefaling til valgfri ECTS på det anbefalede studieforløb
3. er del af en defineret overgangsordning for et kursus, du endnu ikke har afsluttet

Ingen

Kurset har til formål at introducere den klassiske mekanik og termodynamik. Disse elementer er essentielle byggesten for enhver fysik uddannelse. De studerende vil lære at anvende fysiske love til at opstille matematiske modeller, at løse disse modeller samt at evaluere de tilhørende resultater. De vil endvidere udføre eksperimenter som illustrerer teorien og lære at behandle og fortolke resultaterne. Kurset introducerer således både grundlæggende fysiske begreber der danner fundamentet for det videre studium og den fysiske metodik.

Viden

Den studerende skal kunne:

• Beskrive translatorisk bevægelse i 1, 2 og 3 dimensioner ved hjælp af de kinematiske ligninger og være bekendt med typer af bevægelse som det skrå kast og cirkelbevægelse.
• Redegøre for Newton’s 3 love og kræfters indflydelse på simple mekaniske systemer.
• Forklare indbyrdes sammenhænge mellem kinetisk energi, potentiel energi og mekanisk energi, samt redegøre for deres sammenhængen med kræfters arbejde (arbejde-energi-teoremet). 
• Redegøre for legemers bevægelsesmængde og indflydelsen af en krafts impuls herpå.
• Bestemme massemidtpunktet for en samling af partikler og udstrakte legemer.
• Beskrive stive legemers rotationsbevægelse på baggrund af deres masseinertimoment og de kinematiske ligninger for rotation.
• Redegøre for Newton’s 3. Lov for rotation, herunder indflydelsen af påvirkende kraftmomenter.
• Redegøre for legemers impulsmoment, kraftmomenters indflydelse herpå samt bevægelsen præcession.
• Formulere principperne om bevarelse af impuls, impulsmoment og mekanisk energi.
• Beskrive udæmpede, dæmpede og tvungne harmoniske bevægelser, herunder systemer som et simpelt pendul, fysisk pendul og et masse-fjeder system. 
• Redegøre for transversale og longitudinale mekaniske bølger, deres udbredelseshastighed, interferens af bølger, stående bølger og resonansfænomener.
• Redegøre for definitionen af temperatur samt indflydelsen af termisk ekspansion.
• Beskrive gassers molekylære egenskaber, herunder ideal-gas-lovene, molekylernes hastighedsfordelinger samt tilstandslovene for gasser.
• Formulere termodynamikkens første lov, definere varmebegrebet og beskrive indflydelsen af varmeledning.
• Redegøre for adiabatiske, isochore, isobare og isoterme processer.
• Formulere termodynamikkens anden lov samt beskrive tilstande og processer ved hjælp af termodynamiske tilstandsstørrelser, herunder entropi.
• Redegøre for reversible og irreversible processer samt kredsprocesser

Færdigheder

Den studerende skal kunne:

• Opstille matematiske modeller af fysiske systemer og anvende modellerne til at beskrive systemernes opførsel.
• Identificere kræfter, skitsere kraftdiagrammer, udføre frit-legemeanalyse og anvende Newton’s love til at bestemme simple mekaniske systemers translatoriske bevægelse og rotationsbevægelse.
• Beregne en krafts arbejde og impuls og anvende arbejdssætningen på simple mekaniske systemer.
• Anvende massemidtpunktssætningen og impulsmomentsætningen på simple mekaniske systemer bestående af partikler og stive legemer.
• Anvende impulsbevarelse, impulsmomentbevarelse og energibevarelse på simple mekaniske systemer til at bestemme systemernes dynamiske opførsel.
• Opstille bevægelsesligningerne for et svingende system, som udfører harmoniske bevægelser (med og uden dæmpning), og løse den resulterende anden ordens differentialligning, som beskriver systemets dynamiske opførsel.
• Udlede den ikke-dispersive bølgeligning for en transversal bølge på en udstrakt streng samt udregne bølgens udbredelseshastighed og energiindhold.
• Anvende superpositionsprincippet og grænsebetingelser til at beregne stående bølgers egenskaber.
• Anvende tilstandsligninger, herunder idealgasligningen, til at foretage beregninger af tryk, temperatur, volumen, stofmængde og udført arbejde, samt udføre simple beregninger af mikroskopiske egenskaber af molekyler.
• Foretage kalorimetriske udregninger samt beregne termodynamiske parametre i såvel adiabatiske, isotermiske, isochore og isobare processer som kredsprocesser.
• Opbygge, modificere og måle på en fysisk opstilling, herunder planlægge og udføre eksperimentelle procedurer.

Kompetencer

Den studerende skal kunne:

• Analysere simple fysiske systemer, opstille matematiske modeller for systemerne ud fra kendte fysiske lovmæssigheder, og benytte modelberegninger til at bestemme systemernes opførsel. 
• Analysere eksperimentelle resultater, bedømme usikkerheder på eksperimentelle værdier og sammenholde målte og teoretiske værdier.
• Analysere betingelser for forsøgsudførelser og på baggrund heraf identificere eventuelle fejlkilder og deres indflydelse på forsøgenes resultater.
• Præsenterer teoretisk analyse, eksperimentelle resultater og vurdering af opnåede resultater i et kort, klart og utvetydigt format.
• Samarbejder om at planlægge og udføre laboratorieeksperimenter i grupper

Kurset indeholder følgende faglige hovedområder: 

• Bevægelse i 1 dimension samt , 2 og 3 dimensioner
• Kræfter og Newton’s love
• Anvendelse af Newton’s love
• Arbejde og kinetisk energi
• Potentiel energi
• Bevarelse af energi
• Bevægelsesmængde
• Systemer af partikler
• Rotation
• Bevægelsesmængdemoment
• Gravitation
• Oscillationer, harmonisk bevægelse
• Mekaniske bølger
• Termodynamikkens første lov, kalorimetri og idealgasser
• Termodynamikkens anden lov, entropi og kredsprocesser

På naturvidenskab er undervisningen tilrettelagt efter trefasemodellen dvs. intro, trænings- og studiefasen.

• Introfase (forelæsning) - Antal timer: 44
• træningsfase: Antal timer: 52, heraf 44 timer eksaminatorie og 8 timer laboratorie