Class Notes (835,342)
United States (324,093)
Physics (162)
PHYS 150 (1)
All (1)
Lecture

PHYS 150 Lecture Notes 4.0 GPA Student

42 Pages
107 Views
Unlock Document

Department
Physics
Course
PHYS 150
Professor
All Professors
Semester
Fall

Description
Intro / Chapter 1: Energy and Power 8/27/13­9/3/13 Professor: Smitha Vishveshwara ­Office hours: 4:15­5:00 on Thursdays in room 2109 of the Engineering Science Building TA: Anna Miller ­Office Hours: 5:00­7:00 on Fridays in room 271 of Loomis Lab iClicker frequency: BB rd Exam I: October 3 Exam II: November 19 th th Final: Tuesday December 17  from 1:30­4:30 Energy and Power Intro ­energy can be converted into different forms but never created or destroyedl▯aw of conservation energy can be kinetic, electric, potential, light, etc. exception▯E=mc^2 ­chemical energy ­work▯energyh▯ eat ­energy: extracting, converting, harnessing, releasing ­examples: chemical reaction, potential to kinetic, light to other, E=mc^2 Explosions *kinetic energy=energy of motion=(1/2)mv^2 ­explosions: rapidly expanding hot gas ­combustion: hydrogen and oxygen Types of Energy ­chemical, thermal, kinetic, electric, light, nuclear ­energy▯powerr▯ ate ­examples: light on retina, collision, crane lifting weight, running at different speeds ­example: 100 watt incandescent bulb: creates more heat than light 26 watt compact fluorescent: same light output with ¼ the energy use LED: about the same efficiency as CF all have about the same output brightness but not the same input Human Energy Consumption ­1000 watts needed to fuel bodily functions (given off as heat) ­amount of energy you burn per day about 2 kW/h Energy Units * P=E/T ­calorie (cal) ­kilowatt hour (kWh) ­british thermal unit (BTU) ­joule (J) Solar Power ­meter^2 of sunlight=1 horsepower=1 kW ­typical car uses at least 50 hp ­solar power is not a great option because it’s not very efficient  Hydrogen * 2 H2 + O2 = 2 H2O + energy ­high potential energy ­combustion releases high energy Hybrid and Electric Vehicles ­EV/BEV: batteries only ­HEV: gasoline and batteries ­PHEV: plug in hybrid vehicle ­expensive batteries have about 100 times less energy per gram than gasoline ­batteries cost about $50 per pound Chapter 2: Atoms and Heat 9/3/13­9/5/13 Temperate Scale * 0 degrees C=273 K ­kelvin scale▯absolute zero=no energy ­temperature of 10^­9=cold labs * Tf=(9/5)Tc + 32 * Tc=(Tf­32)(5/9) Temperature ­a measure of average energy contained in microscopic motions (kelvin scale) ­in a gas, temperature can be changed with volume and pressure Brownian Motion ­Robert Brown▯pollen experiment ­Einstein studied this with atoms and molecules with diffusion (random motion) Average Energy * KE=(1/2)mv^2 ­linear motion▯gas ­rotational gas▯molecule ­vibrational kinetic and potential solid ­if temperate increases, then so does internal energy Chapter 2: Atoms and Heat 9/3/13­9/5/13 Heating Materials ­changes temperature and does work Thermal Expansion ­heat▯expansion ­cold▯contraction ­different materials expand at different rates ­if the earth’s temperature rises, then so does the sea level Heat Flow ­heat travels from high to low temperatures ­thermal equilibrium: objects in contact with eventually reach the same temperature ­thermal conduction: heat flows through contact and energy is transferred through a medium (diffusion) * heat flow=(akΔT)/thickness units: energy/second a=area k=thermal conductivity ΔT=temperature change ­convection: heat is carried by moving material ­radiation: heat flows through vacuum Chapter 2: Atoms and Heat 9/3/13­9/5/13 Engines ­stirling engine: heat up▯expand▯cool down▯compress▯repeat▯extract work ­steam engine: heat▯water▯steam▯push piston▯move wheel ­heat engine: hot▯cold=output power ­heat pump: cold▯hot=input power (air or ground source) States of Matter ­solid, liquid, gas, plasma ­with heat: solid▯liquid▯gas▯plasma ­with cold: plasma▯gas▯liquid▯solid ­new states: superconductors and superfluids Chapter 3: Gravity, Force, and Space 9/10/13­9/17/13 Gravity ­mutual force of attraction between any two masses ­discovered by Isaac Newton Newton’s Law of Universal Gravitation * F=G[(M1M2)/r^2]  ▯ with 2 separate masses ­Cavendish’s torsion experiment * F=G[(MeM)/Re^2]  ▯ on the earth’s surface Newton’s First Law ­an object in motion stays in motion OR an object at rest stays at rest Newton’s Second Law ­a force  * F=mg  ▯ weight * F=ma ­acceleration: rate of velocity change * v=at * d=(1/2)at^2 * g= 10 m/s62 Chapter 3: Gravity, Force, and Space 9/10/13­9/17/13 Weightlessness and Free Fall ­example: going down in an elevator is essentially being weightless ­since the floor beneath you is constantly falling with you, there is no force being exerted Weight and Buoyancy ­buoyant force: when immersed in a fluid, you feel lighter ­Archimedes’ Principle: any object, wholly or partially immersed in a fluid, is buoyed up by a force equal to  the weight of the fluid displaced by the object Gravity and Outer Space ­gravity holds the cosmos together along with other forces ­gravity in other places▯refer to Newton’s universal law of gravitation Einstein’s View ­fabric of “space­time” distorted by mass ­light bends▯time stretches Escape Speed ­minimum speed needed to overcome gravitational potential energy ­on earth=25000 miles/hour Black Holes Chapter 3: Gravity, Force, and Space 9/10/13­9/17/13 ­light cannot escape from black holes ­event horizon, tidal forces, active galactic nucleus, time dilation Newton’s Second Law * F=ma ­acceleration: rate of velocity change ­velocity: speed and direction Rotational Motion ­velocity (direction): always changing ­centripetal acceleration ­force is required to keep you in circular motion Gravity and Rotation ­gravity can provide force for rotational motion/revolution Our Planetary System ­planets (wanderers) have elliptical orbits ­comets have elliptical/parabolic orbits ­terrestrial satellites have circular orbits Chapter 3: Gravity, Force, and Space 9/10/13­9/17/13 Weightlessness in Orbit ­constant “falling” Orbit Distance, Rotation Rate, and Speed ­the larger the orbit radius, the slower the rotation speed and the longer it takes to complete a circle * v^2=(GM)/r * v=(2πr)/t ­satellites: low/medium earth orbit (geosynchronous) ­International Space Station, Landsat Newton’s Third Law ­forces come in pairs ­every action has an equal and opposite reaction ­net momentum (mv) is always conserved Chapter 4: Nuclei and Radioactivity 9/17/13­9/24/13 Some Models of the Atom ­Democritus (460 BC): indivisible bits of matter ­JJ Thomson (1897): electron cathode ray tube, plum pudding model ­Rutherford (Early 1900s): alpha rays on gold foil, model having nucleus Quantum Physics ­atomic orbitals: s, p, d, f, etc. Nucleus and Elements ­proton: positive charge, determines element ­neutron: no charge, determines isotope ­electron: negative charge ­neutral atom: equal number of protons and electrons ­protons and neutrons are bond by nuclear forces, determines stability of element Other Common Isotopes ­deuterium: for heavy water, WWII ­tritium: radioactive, medicine, H­bomb ­He 4: more common, balloons, coolant ­He 3: UIUC Nobel Prize ­K 40: natural, radioactive, in our bodies Chapter 4: Nuclei and Radioactivity 9/17/13­9/24/13 ­Uranium: 92 protons, several unstable isotopes (U235, etc.) Transmuting Elements ­“alchemy” ­possible through nuclear reactions Radioactivity ­the emission of ionizing radiation or particles caused by the spontaneous disintegration  of atomic nuclei ­radiation: doesn’t need medium to travel, could be energy or matter ­Marie Curie: coined the term radioactivity Ionizing Radiation ­high energy particles/light ­from nuclear reactions: alpha, beta, gamma, neutrons ­cosmic rays, x rays, etc. ­can cause damage to cells Radiation Measures ­roentgen, curie, etc.: absolute measures (energy, decays per second, etc.) ­rem, sievert (sv): in terms of biological damage to tissue * 1 sv=100 rem Chapter 4: Nuclei and Radioactivity 9/17/13­9/24/13 ­below 1 sv: no short term illness ­1­2 sv: nausea, hair loss, etc. ­3 sv (LD50): 50% chance of death if untreated ­more than 10 sv: death in 1 to 2 hours Cosmic Rays ­9%=alpha particles ­90%=protons ­1%=? Cancer ­cancer is a term used for diseases in which abnormal cells divide without control and are able to invade  other tissues DNA – The Genetic Code ­Watson and Crick ­determines traits in living beings Radon – Domestic Exposure ­EPA limit of 4 pCi/liter ­responsible for a lot of background radiation Chapter 4: Nuclei and Radioactivity 9/17/13­9/24/13 Measuring Radioactivity ­Geiger counter Radioactive Decay ­alpha rays: helium nucleus, 2 protons and 2 neutrons, reduces nucleons ­emission: overcome strong nuclear forces, defies classical laws, quantum tunneling ­beta rays: energetic electrons, in nucleus us 1 proton more and one neutron less ­gamma rays: high energy light, photon Half Life ­the amount of time it takes for half of a substance to decay Application: Radio Carbon Dating ­beta decay of 14C to 14N ­need to know 3 things: 1. how much 14C when plant/animal was alive 2. the 14C half life 3. how much 14C is present in the fossil now Stability of Matter ­mass of atom less than sum of mass of nucleons ­where does the mass go? ­mass is converted into energy ­mass defect/binding energy ­tremendous energy released in formation of atomic nucleus ­atom: lower energy, more stable Fission and Fusion ­fission: nucleus splits releasing lighter nuclei ­fusion: 2 or more nuclei collide to form a new type of nucleus Chapter 5: Nuclear Reactors & Atomic Bombs 9/24/13­10/1/13 Fission Chapter 5: Nuclear Reactors & Atomic Bombs 9/24/13­10/1/13 * n+235U▯2 fission fragments+2 n+energy * n+239Pu▯2 fission fragments+3 n+energy Fusion * D+T▯4He+n+energy ­hydrogen to helium ­nuclear reaction fuelling stars Basic Reactions for a Nuclear Bomb or a Nuclear Reactor ­bomb: explosive chain reaction ­reactor: controlled chain reaction Nuclear Power Plant ­converts water to steam, steam operates turbine, generates electricity ­large temperature difference ­operates via nuclear fission ­U235 reaction triggered by neutron collision ­need moderator to slow neutrons ­need certain types of moderators (heavy water/graphite) or enriching uranium Chapter 5: Nuclear Reactors & Atomic Bombs 9/24/13­10/1/13 Exponential Growth and Decay ­exponential decay: decay in one generation proportional to amount of stuff in previous ­exponential growth: growth in one generation proportional to amount of stuff in previous ­applies to investment returns, population, forest fires, social media, and nuclear reactions Nuclear Reactors and Bombs ­chain reaction: n+235U▯2 fission fragments+2 n+energy ­fission fragments: 95Sr, 139Xe, etc. ­fission fragments are usually radioactive ­neutrons are key Critical Mass ­smallest amount of fissile material needed for a sustained nuclear chain reaction ­can depend on several factors: amount of material, temperature, geometry, density, neutron reflector, etc. Nuclear Weapon Design ­fission: gun­type assembly ­one type of subcritical fissile material is fired at another ­fission: implosion­type ­detonating explosives to compress and achieve critical mass ­239Pe requires implosion Chapter 5: Nuclear Reactors & Atomic Bombs 9/24/13­10/1/13 ­fusion: hydrogen bomb ­different stages: fission reaction produces heat, gives energy for hydrogen fusion Manhattan Project ­over 2 billion US dollars and 130000 people ­enrichment of U235, separation of Pu ­produced first atomic bombs, WWII Hiroshima and Nagasaki ­mixed reactions to bombings ­a lot people opposed or regretted it Benefits of Nuclear Power ­production of electricity without greenhouse gas emission ­uninterrupted power supply ­no depletion of fossil fuels ­quick generation of large amounts of energy ­fueling space missions Chapter 6: Electricity & Magnetism 10/3/13­10/15/13 Electromagnetism Chapter 6: Electricity & Magnetism 10/3/13­10/15/13 ­one of the four fundamental forces in nature ­electric + magnetic = electromagnetic Charge and Electric Field ­charges produce electric fields, positive and negative ­positive charges follow field lines ­Benjamin Franklin Analogy with Gravitational Force ­like laws concerning forces ­charge (q) instead of mass (m) ­G replaced by electric constant in Newton’s Law of Universal Gravitation Electron ­negative charge: ­1.6x10^­19 Coulombs ­mass: 1/1836 of a proton Voltage ­potential energy associated with electron ­can be produced by separating positive and negative charge Chapter 6: Electricity & Magnetism
More Less

Related notes for PHYS 150

Log In


OR

Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


OR

By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.


Submit