I. Elektrostatyka. Prawo zachowania ładunku, prawa Coulomba. Pole elektryczne.

Transkrypt

1 Fizyka 2 - pytania do wykładów (wersja r.) I. Elektrostatyka. Prawo zachowania ładunku, prawa Coulomba. Pole elektryczne. 1. Wymień kilka zjawisk fizycznych występujących w naturze związanych z elektromagnetyzmem. 2. W jaki sposób można doświadczalnie stwierdzić istnienie ładunków elektrycznych? 3. Na czym polega elektryzowanie ciał przez tarcie a na czym przez indukcję? 4. Kto, kiedy i w jaki sposób (ogólnie, opisowo) udowodnił fakt ziarnistości (istnienie najmniejszej porcji) ładunku? 5. Jakie cząstki elementarne mają najmniejszy ładunek? 6. Co mówi zasada zachowania ładunku? 7. Sformułuj prawo Coulomba i podaj jego postać w układzie SI. 8. Co to jest zasada superpozycji? Podaj przykłady. 9. Na czym polega podobieństwo praw: Coulomba i powszechnego ciążenia? 10. Jaka jednostka podstawowa w układzie SI związana jest z elektromagnetyzmem i jak (ogólnie, opisowo) jest definiowana? 11. Jaką nazwę nosi jednostka ładunku w układzie SI i jak jest definiowana? 12. Z jaką siłą (w przybliżeniu) działają na siebie dwa odważniki, każdy o masie 1kg, oddalone od siebie o 1m, a z jaką dwa ładunki 1C oddalone od siebie o 1m? 13. Podaj definicję wektora pola elektrycznego; czy pole elektryczne to czysto matematyczna konstrukcja czy byt materialny? 14. Podaj wzór na gęstość energii pola elektrycznego. 15. Co to są linie sił pola elektrycznego? W jaki sposób można je wyznaczyć? Czy linie sił pola istnieją w rzeczywistości (czyli istnieją miejsca gdzie linia jest a w innym miejscu jej nie ma)? II. Prawo Gaussa. Zachowawczość pola elektrycznego. 1. Jak definiujemy strumień elektryczny? 2. Wyjaśnij sens stwierdzenia, że pole elektryczne to inaczej gęstość strumienia pola. 3. Sformułuj prawo Gaussa (w postaci całkowej). 4. Jak korzystając z prawa Gaussa można wyznaczyć pole elektryczne wewnątrz jednorodnie naładowanej kuli. 5. Uzasadnij, że wewnątrz przewodnika pole elektrostatyczne jest zerowe. 6. Korzystając z prawa Gaussa udowodnij, że w stanie równowagi ładunek gromadzi się zawsze na powierzchni zewnętrznej przewodnika. 7. Uzasadnij, że pole elektrostatyczne wytwarzane przez ładunek nadmiarowy w przewodniku jest zawsze prostopadłe do jego powierzchni na zewnątrz i równe zero wewnątrz przewodnika. 8. Co to jest klatka Faradaya? III. Zachowawczość pola elektrycznego 1. Co to znaczy, że pole elektrostatyczne jest zachowawcze? 2. Co to znaczy, że pole elektrostatyczne jest źródłowe i bezwirowe (wyjaśnij jakościowo korzystając z pojęcia linii sił pola).

2 3. Sformułuj równanie Maxwella związane z zachowawczością pola elektrycznego. 4. Podaj definicję potencjału elektrycznego. 5. Jaki jest związek pomiędzy potencjałem elektrycznym a polem elektrycznym? 6. Jaki jest związek napięcia między dwoma punktami w obwodzie elektrycznym a potencjałem elektrycznym? 7. Jaką pracę wykona pole elektryczne przenosząc ładunek Q między dwoma punktami o potencjałach V1 i V2? 8. Dlaczego powierzchnia przewodnika w stanie statycznym musi być ekwipotencjalna? 9. Na czym polega zjawisko ostrza? 10. Jak definiujemy pojemność elektryczną? Od czego zależy pojemność elektryczna kuli metalowej a od czego kondensatora płaskiego? 11. Jaką pracę trzeba wykonać aby naładować kondensator o pojemności C. IV. Prąd stały. Prawo Ohma, mikroskopowe prawo Ohma. Praca i moc prądu. 1. Jak definiujemy prąd elektryczny? 2. Co to jest napięcie w obwodzie elektrycznym? 3. Sformułuj makroskopowe i mikroskopowe prawo Ohma. 4. Jak opór czynny (rezystancja) zależy od wymiarów geometrycznych przewodnika? 5. Czy gęstość prądu jest wielkością skalarną czy wektorową? 6. Opisz najprostszy model mikroskopowy przepływu prądu elektrycznego. Co to jest prędkość unoszenia (dryftu) i prędkość ruchu swobodnego elektronów? 7. Jak gęstość prądu elektrycznego zależy od gęstości nośników i prędkości unoszenia? 8. Od czego zależy przewodnictwo właściwe? Co to jest ruchliwość nośników? 9. Dlaczego w metalach przewodnictwo typowo maleje z temperaturą a w półprzewodnikach typowo rośnie? 10. Sformułuj I prawo Kirchoffa. Jakiego fundamentalnego prawa fizyki jest ono konsekwencją? 11. Sformułuj II prawo Kirchoffa. Jakiego fundamentalnego prawa fizyki jest ono konsekwencją? 12. Wyprowadź wzór na moc prądu elektrycznego. V. Magnetostatyka. Źródła pola magnetycznego. Prawo Ampere a. Prawo Gaussa dla pola magnetycznego. 1. Podaj przykłady kilku zjawisk związanych z polem magnetycznym. 2. Co jest klasycznym źródłem pola magnetycznego (w fizyce klasycznej)? 3. Skąd bierze się pole magnetyczne w magnesach trwałych (ferromagnetykach)? 4. Jak siła działa na ładunek poruszający się w polu magnetycznym? Po jakim torze (ogólnie) może poruszać się ładunek w polu magnetostatycznym? 5. Jaka i dlaczego działa siła na element przewodnika z prądem znajdujący się polu magnetycznym? 6. Scharakteryzuj najprostszy model silnika elektrycznego. 7. Jakie zjawisko wykorzystuje się do wprowadzenia wielkości fizycznej jaką jest pole magnetyczne (wektor indukcji magnetycznej B). Jak definiowana jest jednostka pola magnetycznego w układzie SI (Tesla). 8. Czego dotyczy prawo Biota-Savarta? 9. Sformułuj prawo Ampere a.

3 10. Co to znaczy, że pole magnetyczne jest bezźródłowe i wirowe (wyjaśnij jakościowo korzystając z pojęcia linii sił pola). 11. Czy pole magnetostatyczne może wykonać pracę nad poruszającym się w nim ładunkiem? 12. Gdzie znajduje się (w przybliżeniu) południowy biegun magnetyczny Ziemi? 13. Jak zorientowany jest i jaką ma wartość wektor indukcji magnetycznej w pobliżu nieskończonego prostoliniowego przewodnika z prądem? 14. Wyjaśnij dlaczego dwa prostoliniowe równoległe przewodniki, w których płynie prąd elektryczny przyciągają się (lub odpychają) 15. Jak w układzie SI definiuje się jednostkę prądu elektrycznego (opisz ideę wzorca). 16. Jakim wzorem wyraża się pole magnetyczne w nieskończenie długim solenoidzie. 17. Sformułuj równania Maxwella dla elektrostatyki i magnetostatyki. VI. Indukcja elektromagnetyczna. Prawo Faradaya. Reguła Lenza. Samoindukcja. 1. Podaj przykłady zjawisk, w których ujawnia się indukcja elektromagnetyczna. 2. Podaj definicję strumienia magnetycznego. 3. Co to jest siła elektromotoryczna? 4. Sformułuj prawo Faradaya. 5. Co mówi reguła Lenza. 6. Opisz zasadę działania generatora prądu. 7. Opisz zasadę działania transformatora. 8. Na czym polega zjawisko indukcji własnej (samoindukcji)? Co to jest indukcyjność? Podaj wzór na indukcyjność cewki (w przybliżeniu nieskończonego solenoidu) 9. Co to jest obwód RLC? Z jaką cechą tego obwodu wiąże się jego ogromne znaczenie w elektronice? 10. Co to są prądy wirowe. 11. Opisz zjawisko lewitacji magnetycznej, jaki ma ono związek z regułą Lenza. 12. Co to jest prąd przesunięcia? 13. Sformułuj równania Maxwella dla elektrodynamiki. VII. Fale elektromagnetyczne. 1. Podaj najbardziej ogólną definicję fali. 2. Podaj przykłady fal wraz z opisem ich podstawowych cech. 3. Napisz podstawową funkcję opisującą falę rozchodzącą się w jednym wymiarze i wyjaśnij znaczenie występujących w niej parametrów (amplituda, częstość kołowa, liczba falowa). 4. Co to jest prędkość fazowa fali i jaki jest jej związek z częstością kołową i liczbą falową. 5. Napisz równanie różniczkowe fali w jednym wymiarze. Jak równanie to wygląda dla fali elektromagnetycznej? 6. Wymień podstawowe zakresy widma fal elektromagnetycznych w kolejności od najmniejszej do największej częstości, scharakteryzuj najważniejsze źródła fal w tych zakresach i efekty ich oddziaływania z materią (w tym efekty fizjologiczne). 7. Co wyraża wektor Poyntinga S 1 / o E B?

4 8. Jakie fakty doświadczalne i argumenty teoretyczne świadczą o tym, że światło wywiera ciśnienie? 9. Podaj przykład doświadczenia pokazującego ciśnienie światła. VIII. Teorie światła. Optyka geometryczna. 1. Wymień i krótko scharakteryzuj 4 podstawowe teorie światła (jakie zjawiska opisują). 2. Na jakich założeniach opiera się optyka geometryczna? 3. Co mówią prawa odbicia i załamania światła? Podaj prawo Snelliusa. 4. Jak definiuje się współczynnik załamania ośrodka (refrakcji) z wykorzystaniem prędkości światła? 5. Zdefiniuj względny współczynnik załamania granicy dwóch ośrodków. 6. Wyjaśnij zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Gdzie znajduje ono zastosowanie? 7. W jakich warunkach światło może biec się po linii krzywej w ośrodku. Jakie prawo (zasada) opisuje wówczas trajektorię światła. 8. Wyjaśnij zjawisko mirażu. 9. Napisz wzór soczewkowy (dla soczewki cienkiej). 10. Narysuj schemat tworzenia obrazów (odwzorowań) przez soczewki cienkie (zwierciadła sferyczne) dla promieni przyosiowych. 11. Opisz (narysuj) zasadę tworzenia odwzorowań przez proste instrumenty optyczne: lupa, luneta (układ teleskopowy), mikroskop. podaj wzory na powiększenia. 12. Czy prędkość światła w próżni zależy od częstości? 13. Czy prędkość światła (tzw. prędkość grupowa) w ośrodku może zależeć od częstości? 14. Wyjaśnij zjawisko rozszczepienia światła białego na rożne barwy na granicy ośrodków. 15. Wyjaśnij zjawisko tęczy. IX. Optyka falowa. Doświadczenie Younga. Interferencja fal elektromagnetycznych. 1. Co mówi zasada superpozycji fal? 2. Jaki jest wynik superpozycji fal biegnących w tym samym kierunku lecz różniących się niewiele częstością? Co to jest prędkość grupowa fali? 3. Jaki jest wynik superpozycji identycznych fal w 1D rozchodzących się w przeciwnych kierunkach? Podaj przykłady takich sytuacji w przyrodzie i technice. 4. Co to jest fala stojąca? Podaj przykłady występowania/wykorzystania zjawiska fali stojącej. 5. Wyjaśnij nas czym polega zjawisko interferencji fal. Co to jest interferencja konstruktywna i destruktywna? 6. Jaki dwa warunki muszą być spełnione aby mogło zajść zjawisko interferencji? 7. Opisz doświadczenie Younga, które ujawniło falową naturę światła. 8. Dlaczego w doświadczeniu Younga konieczne jest zastosowanie dwóch przesłon: najpierw z jedną szczeliną a następnie i z dwiema szczelinami? 9. Jaka jest różnica między interferencją przez podział czoła fali a interferencją przez podział amplitudy (podaj przykłady). 10. Dlaczego bańka mydlana (plama oleju) jest kolorowa?

5 11. Pokaż analogię między interferencją światła na cienkiej warstwie (podział amplitudy) a rozpraszaniem promieni X na kryształach. 12. Co to jest siatka dyfrakcyjne i jakie ma zastosowania. 13. W jaki sposób zjawisko interferencji wykorzystywane jest w technice antenowej (np. GSM - Global System of Mobile Communication). X. Dyfrakcja. Polaryzacja. 1. Wyjaśnij na czym polega zjawisko dyfrakcji fal. 2. Na czym polega negatywny wpływ zjawiska dyfrakcji na działanie przyrządów optycznych? 3. Od czego zależy zdolność rozdzielcza mikroskopu a od czego lunety astronomicznej lunety astronomicznej? 4. Jaką teorię światła należy zastosować aby opisać zjawisko polaryzacji światła? 5. Co to jest polaryzacja światła? Jakie są możliwe stany polaryzacji? 6. Na czym polegają mechanizmy polaryzacji światła: przez odbicie, w kryształach dwójłomnych, przez anizotropową transmisję. XI. Kwantowa natura światła 1. Co to jest ciało doskonale czarne? 2. Opisz najważniejsze cechy zjawiska promieniowania ciała doskonale czarnego. 3. Dlaczego w kontekście tego zjawiska mówimy o porażce fizyki klasycznej? Co to jest katastrofa z nadfiolecie? 4. Co to jest promieniowanie 3K i jak zostało odkryte? 5. Na czym polega efekt cieplarniany (szklarniowy)? 6. Co to jest zewnętrzny efekt fotoelektryczny? Opisz jakościowo najważniejsze cechy tego zjawiska (od czego zależy liczba wybitych elektronów, od czego zależy ich energia?). Dlaczego fizyka klasyczna nie potrafiła wyjaśnić tego zjawiska? 7. Co to jest fotokomórka? 8. Na jakich założeniach opiera się kwantowa teoria światła (Einsteina) i w jaki sposób tłumaczy zewnętrzny efekt fotoelektryczny. 9. Co to jest praca wyjścia elektronu z metalu? XII. Falowa natura cząstek. Atom. 1. Co to są widma liniowe gazów (np. wodoru)? Jak można je obserwować? 2. Opisz pierwsze modele atomu i podaj przyczyny ich upadku. 3. W jaki sposób odkryte zostało jądro atomowe (eksperyment Rutheforda, 1909)? 4. Na jakich postulatach opierał się model atomu wodoru Bohra? Opisz jego zalety i wady. 5. Czego dotyczyła hipoteza de Broglie a i jak została potwierdzona doświadczalnie (eksperyment Davissona-Germera)? 6. Opisz eksperyment dyfrakcji elektronów na podwójnej szczelinie i najważniejsze wnioski płynące z tego eksperymentu. 7. Co to jest funkcja falowa i co mówi interpretacja probabilistyczna Borna funkcji falowej?

6 XIII. Atomy. Układ okresowy pierwiastków. 1. Napisz równanie Schrödingera niezależne od czasu (stacjonarne), co stanowi rozwiązanie takiego równania (zagadnienie własne)? 2. Napisz równanie stacjonarne Schrödingera) dla atomu wodoru. 3. Co to jest spin elektronu? 4. Scharakteryzuj jakościowo rozwiązania równania Schrödingera dla atomu wodoru. Jakie liczby kwantowe klasyfikują te rozwiązania i jakim wielkościom fizycznym odpowiadają? 5. Podaj zakresy zmienności liczb kwantowych w atomie wodoru. 6. Co to jest zakaz Pauliego? 7. W jaki sposób można scharakteryzować atomy wieloelektronowe posługując się jakościowym obrazem rozwiązań dla atomu wodoru. 8. Pokaż związek struktury układu okresowego ze strukturą atomu. XIV. Układy kwantowe 1. Podaj rozwiązania równania Schrödingera dla nieskończonej prostokątnej studni potencjału (energie własne oraz funkcje własne)? 2. Jak jakościowo wyglądają rozwiązania równania Schrödingera dla skończonej studni potencjału, układu dwóch studni, układu wielu studni? 3. Na czym polega zjawisko tunelowania kwantowego? 4. Wyjaśnij istotę wiązania kowalencyjnego i jonowego w cząsteczkach w obrazie sąsiadujących studni kwantowych. 5. Jak jakościowo wyglądają rozwiązania równania Schrödingera dla układu dużej (w granicy nieskończonej) liczby sąsiadujących studni kwantowych? Co to są pasma energetyczne i przerwa wzbroniona? 6. Wyjaśnij różnice między dielektrykami i metalami w obrazie struktury pasmowej. 7. Dlaczego kryształy diamentu czy kwarcu są przeźroczyste? 8. Co to jest półprzewodnik, czym się różni od izolatora (w obrazie struktury pasmowej)? 9. Dlaczego przewodnictwo elektryczne półprzewodnika rośnie z temperaturą? 10. Dlaczego przewodnictwo elektryczne półprzewodnika może rosnąć pod wpływem światła? 11. Dlaczego półprzewodnik może emitować światło? 12. Wymień kilka najważniejszych zastosowań półprzewodników.