nota fizik tingakatan 4

8/21/2019 nota fizik tingakatan 4

1/50

1

Contoh di mana fizik sedang

beroperasi


2/50

2

Alam fizikal kita difikirkansebagai suatu kewujudan yangberedar mengikut prinsip-prinsip fizik yang asas bagaiperlakuan jam randik ditentukanoleh peraturan-pertaturanmekanikal.


3/50

3

Major Concepts

Physics and the Laws of Nature

Units of Length, Mass, and TimeDimensional Analysis

Converting Units

Significant figures and uncertaintiesOrder-of-Magnitude Calculations


4/50

4

Fizik = asas kepada semua jenis sains

Universe kita dapat difahami berdasarkan

beberapa prinsip asas yang amat simple

Misalan: Fermats prinsipal dalam optik; Prinsipof least action dalam mekanik; prinsip tak variant,

dll

Enginer tak akan mencipta DVD, flatscreen TV,computer, kapalterbang atau apa saja ciptaan

moden jika tak tak fizik


5/50

5

Ini semuanya fizik


6/50

6


7/50

7


8/50

8

Empirikal sainsberdasarkan pencerapaneksperimen dan pengukuran kuantitatif

Objektif utama fizik = mendapatkan hukum-humum asas yang govern semua fenomenaalam semesta berdasarkan bukti-buktipercerapan

menggukan mereka untuk membina teori-teori

yang dapat meramal hasil sesuatu eksperimen Fizik mengunakan matematik sebagai

bahasanya

Semua teori fizik ada range of validity

Dalam fizik kita sering membina model untukmewakili sesuatu fenomena agar ia mudahdianalisa

Misalnya: ayam dihampirkan sebagai berbentuk

bulat


9/50

9

6 cabang utama fizik

Mekanik klasik

Kerelatifan

Termodinamik Keelektromagetan

Optik

Mekanik kuantum


10/50

10

Eksperimen mesti melibatkan pengukuran

kuantiti fizikal

kuantiti fizik mekanik yang asas: Jisim (kg),

panjang (m) dan masa (s) Hasil pengukuran mesti dibandingkan dengan

suatu kuantiti fizik yang standard dan tak

berubah: unit S.I. (1960)


11/50

11

Contoh standard S.I.

Unit mesti dirujuk

kepada satu standard

yang tak berubah Unit jisim 1kg

Unit masa satu saat

(=9,192,631,770cycle of a cesium

atomic clock)


12/50

12

Prefiks

S


13/50

13

Scale bagi saiz ukuran-ukuran

dalam alam kita


14/50

14


15/50

15


16/50

16

1022m

1 MPc

1019m 1Pc

1011

m 1 A.U

107m

Berbagai skala jarak alam

semesta

0


17/50

17

10-6 m =

1 mm

100 m = 1 m

10-10 m = 1

Angstrom

10-15m 1 fm


18/50

18


19/50

19

Pertukaran unit

semasa memanipulasi persamaan sentiasabawa unitnya bersama

Unit boleh dianggap sebagai kuantiti algebra

Kena tahu cara tukar unit suatu kuantiti kepadaunit yang lain

Misalnya, diketahui 1 kg = 103g, 1 cm = 10-2m,jadi

ketumpatan aluminiun

2.70 g/cm3= 2.70 (10-3kg)/(10-2m)3 = 2.7 (10-3/ 10-6) kg/m3

=2.7 x 103kg/m3


20/50

20

Example

1 atomic mass, 1 u ditakrifkan = 1.660 538 x 10-27kg

Jadi, jisim satu nukleus karbon-12 ialah

12 u = 12 x 1.660 538 x 10-27kg = 13.9926456 u

1 km = 103m; 1 jam = 60 min = 60 (60 s) = 3600 s;

Jadi, v = 50 km/j

= 50 x (103m) / 3600 s = 50 x (103) / 3600 x (m /s )

= 13.89 m/s


21/50

21

Notasi saintifik memudahkan

pengkomputasian

Notasi saintifik amat memudahkan prosespenghitungan angka-angka yang amat kecil/amatbesar

Misalnya, dalam S.I. Unit, tenaga di antara parastenaga dalam atom ~ ehc/ldi mana pemalarPlanck (Ns), c laju cahaya (m/s), l(m) jarakgelombang, ~ 10-7m

Dalam S.I, e= (6.63 x 10-34Js) x (3 x 108m/s) / 10-7m

= 2 x 10-18J


22/50

22

Pemilihan unit yang sesuai

Oleh kerana skala tenaga yang terlibat adalah kecilsangat, kita tukarkan kpd unit yang lebih memudahkan,eV dan nm.

1 Joule = (1/e) eV = 1/ (1.6 x 10-19 ) eV

= 6.25 x 1018 eV

hc = (6.63 x 10

-34

Js) x (3 x 10

8

m/s) = 6.63 x 10-34x (6.25 x 1018 eVs) x

3 x 108 x (109nm/s)

= 1240 nmeV

e= hc/l = 1240 nmeV / 100 nm = 12.4 eV

Bandingkan e= 12.4 eV dengan tenaga unit S.I. e= 2 x 10-18J.

Unit nm, eV memberi lebih kemudahan kerana numboryang kena kita tangani menjadi mudah

Moralnya: pilihlah unit-unit yang sesuai secocok dengansistem yang dikaji


23/50

23

Dimensi merujuk kepada nature sesuatu kuantitiyang tak bergantung kepada unitnya

Dalam mekanik kita biasa deal with tiga jeniskuantiti asas yang berdimensi berlainan

[jarak] = L, [jisim] = M; [masa]=T Unit S.I. [jarak] = m; [jisim] = kg; [masa]=s

Misalan:

[halaju] = [jarak]/[masa]=L/T, unit = m/s

[area] = L2, unit = m2

Susuatu persamaan mestilah konsisten secaradimensional, dan sebutan-sebutan hanya bolehditambah atau tolak jika dimensionnya sama


24/50

24

Dimensions of Some Common Physical Quantities

Distance [L] m

Area [L2] m2

Volume [L3] m3

Velocity [L]/[T] m/s

Acceleration [L]/[T2] m/s2

Energy [M][L2]/[T2] J

Quantity Dimension Unit S.I


25/50

25

Contoh analisis dimension

2

2

1atx =

x= jarak; a= pecutan; t = masa

[x]= L; [a]= L/T2; [t2] = T2

[a] [t2] = (L/T2

)T2

= L = [x]

[kanan]=[kiri]


26/50

26

Counter example

Diberi kuantiti jarakx (m), laju v (m/s) , masa t (s):

Jalankan analisis ke atas hubungan formula

v= at+ t/x:

[kiri] = [v] = L/T

[kanan], [at] = [a] [t] = L/T2T = L/T;

Tapi [vt] = (L/T) T = L

t /x dan vt tidak boleh dicampurkan kerana dimensitidak sama

Jadi, formular v= at+ t/x adalah tidak konsisten dari segidimensi, iaitu [kira] [kanan]

jadi formular itu tidak valid


27/50

27

Pendekatan am: analysis dimensi

dengan power law

Katakan pecutan satu zarah ayang

bergerak dengan laju seragam vdalam

satu bulatan berradius r berkadar dengan

kuasa mbagi v. Tentukan nilai-nilai m,ndan tuliskan persamaan yang paling

mudah bagi pecutan dalam sebutan r,v.


28/50

28

Solution

a vnrma =k vnrm(kpemalar kadar tanpa dimensi)

[a] = L/T2; [v]n = (L/T)n; [r]m = (L)m

Samakan kedua belah persamaan:

L/T2 = (L/T)n(L)m = (Ln+m)(T)-n

n + m =1; n= 2

m= 1n = -1

a =k v

2

r-1

= k v2

/r-

Jika satu set unit yang konsisten untuk v,r

digunakan, k = 1

Misalnya, jika adalam m/s2 adan v dalam m/s


29/50

29

Quick Quiz

True or false: Analisis dimensi dapat

memberikan nilai numerikal pemalar kadar

yang wujud dalam sesuatu ekspresi

formular

Jawapan: = tidak


30/50

30

Nilai sesuatu kuantiti yang diukur dengan sesuatu radashanya dapat ditentukan tepat kepada sesuatu had sajaja,bergantung kepada faktor-faktor seperti kualiti alat,kecekapan lakukan experimen dan bilangan ukuranyang dibuat

Dalam kata lain, setiap nilai ukuran ada ketidakpastian Bilangan angka bererti adalah digunakan untuk

memerihalkan ketidakpastian sesuatu kuantiti

Misalnya, mengukuran sisi-sisi satu keping disketdengan pembaris yang hanya dapat mengukur tepat

kepada 0.1 cm, dan kita menyatakan hasil pengukuransebagin 5.5 0.1 cm dan 6.4 0.1 cm

Bilangan angka bererti ialah 2 sahaja.


31/50

31

Contoh bilangan angka bererti

Bil A.B dalam 1500 g= 2 sahaja, bukan 4;

Bil A.B dalam 1500.0 g

= 5

Bil A.B 0.00300 kg ialah ?

Nyatakan semua nilai dalam notasi saintifik:0.00300 kg = 3x 10-3kg hanya 1 A.B

0.000 23 = 2.3x 10

-4

ada 2 A.B 2.300001 = = 2.300001x 100,ada 6 A.B

1500 g = = 1.5x 10-3g, ada 2 A.B

Contoh menyatakan ketidakpastian


32/50

32

Contoh menyatakan ketidakpastian Jadi, dalam kes pembaris biasa, apakah luas

permukaan disket, A?

a = (5.5 0.1) cm; b = (6.4 0.1) cm, a =

b = 0.1 cm A = a b = (5.5 x 6.4) cm2= 34.02 cm2

Ralat/ketidakpastian dalam A diberi oleh

A / A= a/a + b/b

A = (a/a + b/b)A = (0.1/5.5 +

0.1/6.4)x5.5x6.4 cm

2

= 1.17 cm2

A mesti dibetulkan kepada 1 angka berertisahaja, iaitu A = 1 cm2

Nilai A yand dinyakan mestilah konsistendengan bilangan angka bererti A

Jadi luas A dinyatakan sebagai (34 1) cm2(2 A.B)

Tetapi bukan A = (34.02 1.17) cm2(4 A.B)atau A = (34.0 1.2) cm2


33/50

33

Hasil campur/tolak

Dalam kes pembaris biasa, bagaimanakan kita

tentukan nilai a = b atau a + b denganketidakpastiannya diambil kira?

a = (5.5 0.1) cm; b = (6.4 0.1) cm, a = b = 0.1

cm Katakan X = b a

Ralat/ketidakpastian dalam B diberi oleh

X = a + b = 0.2 cm

X mesti dibetulkan kepada 1 angka bererti sahaja,iaitu X = 0.2 cm

Nilai X yand dinyakan mestilah konsisten denganbilangan angka bererti X

Jadi X dinyatakan sebagai (11.90.2) cm dan (0.9

0.2) cm


34/50

34

Banding dengan radas yang lebih

accurate

Sebagai bandingan,

jika angkup vernier

(0.01mm =

0.001cm) digunakan,hasil ukuran menjadi

5.501 0.001 cm dan

6.403 0.001 cm

Bilangan angkabererti menjadi 4.


35/50

35

Sebagi bandingan, kita ulangi pengiraan ralat dalam luaspermukaan disket jika angkup vernier digunakan dalampengukuran

a = (5.501 0.001) cm; b = (6.403 0.001) cm, a = b= 0.001 cm

A = a b = (5.501 x 6.404) cm2= 35.228404 cm2

Ralat/ketidakpastian dalam A diberi oleh

A = (a/a + b/b)A = (0.001/5.501 + 0.001/6.403)x

35.228494 cm2 = 0.011907023cm2 A mesti dibetulkan kepada 1 angka bererti sahaja, iaituA = 0.001 cm2

Jadi luas A dinyatakan sebagai (35.228 0.001) cm2(5A.B)

Secara am, lebih banyak bil. A.B dan/atau bilanganangka bererti, lebih kecil ketidakpastiannya

c.f. (35.228 0.001) cm2(5 A.B, 3 T.P) (vernier)

(34 1) cm2(2 A.B, 0 T.P) (pembaris)


36/50

36

Quick Quiz

Katakan dalam contoh luas disket tadi, a

diukur dengan pembaris dan b diukur

dengan vernier, nyatan luasnya dan

perbezaan ba, dengan ralat diambil kira.Nyatakan bilangan A.B dalam setiap kes.

Jawapan: (25.2 0.6) cm2, (3 A.B)

dan (0.9 0.1) cm, (1 A.B)


37/50

37

Kita boleh guess tertib jawapan sesuatu

pengiraan sebelum menjalankan kiraan

terperinciamat berguna untuk check validity

sesuatu formular atau teori fizik Biasanya betul kepada order yang terhampir,

iaitu dalam faktor 10

Guna simbol ~ dalam angkaran kasar order

Contoh : 0.0086 ~ 10-2, 0.0021 ~ 10-3, 720 ~ 102


38/50

38

Contoh

Anggarkan bilangan nafasdalam hayat anda

Anggarkan hayat

seseorang ~ 70

Lebih kurang nafas 10 kalidalam seminit

Jadi bilangan nafas

~ 70 tahun x (10 kali/min)

= 70 x (365 hari x 24 jamx 60 min) x (10 kali/min)

= 367.92 x 106kali

~ 4 x 108kali


39/50

39

Apa perbezaannya jika

Apakah kebenaran anggaran itu masihbetul jika hayat purata ialah 100 tahuntapi bukannya 70 tahun?

Utk kes ini, anggaran kita menjadi (100 / 70) x (367.92 x 106kali) = 521.92 x

106kali ~ 5 x 108kali

5 x 108

kali dan 4 x 108

kali hanya berbezasedikit aje, tapi kedua-dua anggaranmasih pada tertib yang sama, ~108kali


40/50

40

ContohAnggarkan bilangan langkan jika nak berjalan kaki dari Penang

ke KL:


41/50

41

Berjalan kaki ke KL Anggarkan jarak ~ 400 km

Jarak setiap langkah ~ 0.5 m Jadi bilangan langkah

~ 400 km / (0.5 m/langkah)

= 4x105m / (0.5 m / langkah) = 2 x105langkah

Anggarkan masa yang diambil: Anggap berjalan 5 km/jam

Jadi masa diambil (tanpa rehat) = 400 km / (5 km/jam) =80 jam

Jika masa rehat diambil kira, anggarkan jumlah masa Anggap masa rehat = masa berjalan, iaitu 12 jam jalan 12

jam rehat dalam sehari.

Jadi jumlah masa (termasuk rehat) = 2 x 80 jam = 160 jam= 160 / 24 jari = 6.7 hari ~ 7 hari


42/50

42

Test your understanding questionsJawapan dalam page 33, Serway

Ketumpatan bahan =jisimnya/isipadu.Apakah ketumpatan(dalam kg/m3) suatu

batu dengan jisim1.80 kg dan isipadu6.0 x 10-4m3?Jawapan anda mesti

menganduingibilangan angkabererti yang betul.


43/50

43

Test your understanding questionsJawapan dalam page 33, Serway

Bolehkah anda

anggarkan jumlah

bilangan gigi semua

warga kampus USM?(Hint: kirakan

bilangan gigi anda)


44/50

44

Kita takkan bincangkan dalam kuliah

mesti pastikan anda tahu apa dia vektor,

bagaimana untuk manipulasi vektor-vektor,

magnitud, arah dan hasildarap skalar dua

vektor (dot product)

Akan digunakan semasa bincang gerakan

dua dimensi dan kerja


45/50

45

The general definition ofphysicsand some of theconceptual tools needed to begin its study

Know the three most common basic physical quantitiesin physics and their units

Know how to determine the dimension of a quantity andperform a dimensional check on any equation

Be familiar with the most common metric prefix

be able to convert quantities from one set of units toanother

Express calculated values with the correct number ofsignificant figures and their uncertainty

Be able to perform quick order of magnitude calculations

Understanding vector


46/50

46


47/50

47

if you have no life - and you can PROVE itmathematically.

if you enjoy pain.

if you know vector calculus but you can'tremember how to do long division.

if you chuckle whenever anyone says 'centrifugalforce.'

if you've actually used every single function onyour scientific calculator.


48/50

48

if you always do homework on Friday andSaturday nights.

if you know how to integrate a chicken and

can take the derivative of water. if you hesitate to look at something

because you don't want to break down itswave function.

if you understood more than five of theseindicators.


49/50

49

if you avoid doing anything because you don'twant to contribute to the eventual heat-death ofthe universe.

if you consider ANY non-science course 'easy.'

if the 'fun' centre of your brain has deteriorated

from lack of use. if you'll assume that a 'horse' is a 'sphere' in

order to make the math easier.


50/50

if you have a pet named after a scientist.

if you laugh at jokes about mathematicians.

if the Humane society has you arrested

because you actually performed the

Schrodinger's Cat experiment.

if you make a hard copy of this list, and

post it on your door.

nota fizik tingakatan 4

Documents