Rok akademicki: 2015/2016 Kod: EAR s Punkty ECTS: 6. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: -

Transkrypt

1 Nazwa modułu: Fizyka 2 Rok akademicki: 2015/2016 Kod: EAR s Punkty ECTS: 6 Wydział: Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej Kierunek: Automatyka i Robotyka Specjalność: - Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: - Język wykładowy: Polski Profil kształcenia: Ogólnoakademicki (A) Semestr: 2 Strona www: Osoba odpowiedzialna: dr hab. Woch Wiesław Marek (wmwoch@agh.edu.pl) Osoby prowadzące: mgr inż. Zalecki Ryszard (zalecki@agh.edu.pl) dr hab. Woch Wiesław Marek (wmwoch@agh.edu.pl) Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń) Wiedza M_W001 Zna i rozumie znaczenie fizyki jako nauki przyrodniczej, jej miejsce i rolę w dzisiejszej nauce i technice zwłaszcza znaczenie fizyki ciała stałego dla zastosowań w automatyce, elektronice i elektrotechnice; dostrzega wzajemne relacje pomiędzy teorią a eksperymentem. Egzamin, Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych M_W002 Dysponuje aktualną wiedzą w dziedzinie fizyki współczesnej, zna aktualny stan badań, śledzi rozwój fizyki. Egzamin, Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych M_W003 Ma wiedzę w zakresie elektromagnetyzmu, równań Maxwella, fal elektromagnetycznych, optyki, oddziaływania promieniowania z materią oraz podstaw mechaniki kwantowej i fizyki ciała stałego, niezbędną do zrozumienia podstawowych zjawisk fizycznych w przyrodzie i technice, a w szczególności w automatyce, elektronice, elektrotechnice i mechanice. Egzamin, Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych Umiejętności 1 / 7

2 M_U001 Umie zastosować odpowiednie prawa i zasady fizyczne do rozwiązywania zagadnień elektromagnetyzmu, mechaniki kwantowej, optyki i fizyki ciała stałego. Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych M_U002 Zdobywa umiejętność planowania i przeprowadzania pomiarów wielkości fizycznych. Odpowiedź ustna M_U003 Posiada praktyczną umiejętność analizy wyników pomiaru, sporządzania raportów i analizy niepewności wyników. AR1A_U12,, AR1A_U03 Sprawozdanie M_U004 Rozumie działanie współczesnych urządzeń pomiarowych i w oparciu o poznane zasady umie projektować nowe eksperymenty. Odpowiedź ustna Kompetencje społeczne M_K001 Dostrzega konieczność wykształcenia umiejętności praktycznych w opisie zjawisk fizycznych AR1A_K01, Odpowiedź ustna M_K002 Student pracując w grupie postrzega konieczność współpracy przy wykonywaniu zadań laboratoryjnych i ponoszenia wspólnie odpowiedzialności za opracowanie i przedstawienie rezultatów swojej pracy AR1A_K04, AR1A_K02 Aktywność na zajęciach M_K003 Student może w oparciu o nabyte praktyczne umiejętności podjąć działania planowania i realizacji nowych eksperymentów np. w obszarze automatyki, elektroniki i elektrotechniki. Aktywność na zajęciach Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć Wykład Ćwiczenia audytoryjne Ćwiczenia laboratoryjne Ćwiczenia projektowe Konwersatori um seminaryjne praktyczne terenowe warsztatowe Inne E-learning Wiedza M_W001 M_W002 Zna i rozumie znaczenie fizyki jako nauki przyrodniczej, jej miejsce i rolę w dzisiejszej nauce i technice zwłaszcza znaczenie fizyki ciała stałego dla zastosowań w automatyce, elektronice i elektrotechnice; dostrzega wzajemne relacje pomiędzy teorią a eksperymentem. Dysponuje aktualną wiedzą w dziedzinie fizyki współczesnej, zna aktualny stan badań, śledzi rozwój fizyki / 7

3 M_W003 Umiejętności M_U001 M_U002 M_U003 M_U004 Ma wiedzę w zakresie elektromagnetyzmu, równań Maxwella, fal elektromagnetycznych, optyki, oddziaływania promieniowania z materią oraz podstaw mechaniki kwantowej i fizyki ciała stałego, niezbędną do zrozumienia podstawowych zjawisk fizycznych w przyrodzie i technice, a w szczególności w automatyce, elektronice, elektrotechnice i mechanice. Umie zastosować odpowiednie prawa i zasady fizyczne do rozwiązywania zagadnień elektromagnetyzmu, mechaniki kwantowej, optyki i fizyki ciała stałego. Zdobywa umiejętność planowania i przeprowadzania pomiarów wielkości fizycznych. Posiada praktyczną umiejętność analizy wyników pomiaru, sporządzania raportów i analizy niepewności wyników. Rozumie działanie współczesnych urządzeń pomiarowych i w oparciu o poznane zasady umie projektować nowe eksperymenty Kompetencje społeczne M_K001 M_K002 M_K003 Dostrzega konieczność wykształcenia umiejętności praktycznych w opisie zjawisk fizycznych Student pracując w grupie postrzega konieczność współpracy przy wykonywaniu zadań laboratoryjnych i ponoszenia wspólnie odpowiedzialności za opracowanie i przedstawienie rezultatów swojej pracy Student może w oparciu o nabyte praktyczne umiejętności podjąć działania planowania i realizacji nowych eksperymentów np. w obszarze automatyki, elektroniki i elektrotechniki / 7

4 Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć) Wykład WYKŁADY: 1.Elektryzowanie ciał; elektrometr. 2.Ładunek elektryczny, ładunek elementarny, linie sił pola elektrycznego. 3.Prawo Coulomba. Jednostki ładunku w układzie SI i CGS. 4.Zasada superpozycji dla pola elektrycznego. Natężenie pola elektrycznego definicja. 5.Natężenie pola elektrycznego dla ładunku punktowego. Natężenie pola elektrycznego dla rozkładu ładunków: dyskretnego i ciągłego. 6.Praca sił w polu elektrycznym. Potencjał i energia potencjalna. 7.Całkowita energia potencjalna (energia Madelunga) dla kryształów jonowych (np. NaCl). 8.Gradient potencjału pola elektrycznego. 9.Strumień natężenia pola elektrycznego. Prawo Gaussa. Zastosowania. 10.Przewodniki w polu elektrycznym. 11.Pojemność elektryczna kondensator. Jednostki pojemności. 12.Kondensatory przykłady. Łączenie kondensatorów. 13.Energia zgromadzona w kondensatorze. 14.Dipol elektryczny. 15.Momenty rozkładu ładunków. 16.Prąd elektryczny. Natężenie i gęstość prądu elektrycznego. 18.Teoria przewodnictwa Drudego. 19.Prawo Wiedemann a Frantz a. Wzór Lorentza. 20.Prawa prądu stałego: prawo Ohma i prawa Kirchoffa. Zastosowania. 21.Reguła Mattisena. 22.Prawo Joule a Lenza. 23.Łączenie oporników zastosowania. 24.Obwód RC ładowanie i rozładowanie. 25.Łączenie ogniw. 26.Praca wyjścia z metalu. Prawa Volty. 27.Kontaktowa różnica potencjałów. Termopary. 28.Zjawisko Seebeck a. 29.Zjawisko Peltiera zastosowania. 30.Termoemisja, fotoemisja, emisja wtórna i emisja polowa. 31.Dysocjacja elektrolityczna; prawa elektrolizy Faraday a. 32.Teoria przewodnictwa w elektrolitach. 33.Prąd w gazach: przewodnictwo elektronowe, jonowe i samoistne. 34.Prawo Paschena. 35.Wyładowanie jarzeniowe i łukowe. 36.Pole magnetyczne. Natężenie i indukcja pola magnetycznego. Jednostki. 37.Siła Lorentza. Linie sił pola magnetycznego. Oddziaływanie magnesów stałych. 38.Przewodnik z prądem w polu magnetycznym moment magnetyczny ramki z prądem. 39.Prawo Ampera zastosowania. 40.Prawo Biota Savarta Laplace a: zastosowania. 41.Pole magnetyczne solenoidu: model cewki długiej. Cewki Helmholtza. 42.Pole magnetyczne poruszających się ładunków. 43.Klasyczny efekt Halla i napięcie Halla: zastosowania. 44.Pole magnetyczne wirującego dielektrycznego krążka. 4 / 7

5 45.Pola wektorowe operatory gradientu, dywergencji i rotacji (współrzędne kartezjańskie) 46.Twierdzenie Gaussa. Różniczkowa forma prawa Gaussa. Równanie Poissona. 47.Równanie Laplace a. 48.Strumień pola magnetycznego. Prawo Gaussa dla pola magnetycznego. 49.Twierdzenie Stokesa. Różniczkowa forma prawa Ampera. 50.Potencjał wektorowy. Potencjał wektorowy gęstości prądu. Pole dowolnego przewodu z prądem. 51.Transformacja pól elektrycznego i magnetycznego. 52.Doświadczenia i prawo Faraday a. 53.Reguła Lenza. 54.Zjawisko indukcji własnej i wzajemnej. Zastosowania. Transformator. 55.Prądy wirowe zastosowania. 56.Obwód RL. 57.Energia pola magnetycznego. 58.Prąd przesunięcia. Równania Maxwella. 59.Równanie fali elektromagnetycznej. 60.Własności dielektryków. Polaryzacja dielektryczna, indukcja pola elektrycznego. 61.Piezoelektryczność, piroelektryczność i ferroelktryczność: własności i zastosowania. 62.Magnetyczne własności materii. Dia-, para- i ferro-magnetyki. Własności, przykłady i zastosowania. 63.Magnetostrykcja. 64.Wytwarzanie i pomiary pola magnetycznego. 65.Obwody prądu zmiennego. 66.Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego. Rozkład widmowy, prawo Stefana i Wiena. Teoria Planck a CDC. 67.Model budowy atomu wg. Thomsona i Rutherforda. 68.Teoria budowy atomu wodoru wg. Bohra. 69.Efekt fotoelektryczny. Ćwiczenia laboratoryjne ĆWICZENIA LABORATORYJNE: Ćwiczenia laboratoryjne mają na celu utrwalenie wiadomości zdobytych na wykładzie poprzez bezpośredni kontakt z eksperymentem fizycznym. Celem tych zajęć jest wykształcenie umiejętności planowania i przeprowadzania pomiarów wielkości fizycznych oraz praktyczne wykorzystanie wiedzy w zakresie opracowania wyników pomiarów i analizy niepewności wyników z wykorzystaniem obliczeniowych i graficznych metod statystycznych. W ramach tych zajęć studenci samodzielnie wykonują doświadczenia fizyczne według harmonogramu oraz przygotowują sprawozdania z przebiegu ćwiczeń. Zaliczenie ćwiczeń laboratoryjnych odbywa się na podstawie sprawozdań i kolokwium z teorii. Na praktyczne wykonanie doświadczeń w laboratorium poświęca się 30 godzin. SPIS ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH 1. Drgania harmoniczne sprężyny. Cel ćwiczenia: wyznaczenie współczynnika sprężystości sprężyny i modułu sztywności materiału sprężyny. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości z teorii sprężystości i drgań. 2. Współczynnik lepkości. Cel ćwiczenia: zapoznanie się z hydrodynamiką cieczy lepkiej, wyznaczanie współczynnika lepkości cieczy metodą Stokesa. Dyskusja i sprawdzenie znajomości praw hydrodynamiki. 3. Rezonans akustyczny. Cel ćwiczenia: obserwacja powstawania akustycznej fali stojącej. Pomiar rezonansu i 5 / 7

6 prędkości dźwięku fali stojącej w rurze Quinckego dla powietrza i CO2. Wyznaczenie stosunku cp/cv i liczby stopni swobody molekuł gazu. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości z ruchu falowego, akustyki i termodynamiki gazów. 4. Wyznaczanie charakterystyki różnych oporników. Cel ćwiczenia: Poznanie zakresu stosowalności prawa Ohma. Obliczenie temperatury włókna żarówki. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości z przewodnictwa elektrycznego, metali półprzewodników i izolatorów. 5. Badanie zależności mocy użytecznej od obciążenia. Cel ćwiczenia: Sprawdzenie prawa Ohma dla obwodu zamkniętego, wyznaczenie: rezystancji wewnętrznej, siły elektromotorycznej i mocy użytecznej. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości dotyczących obwodów elektrycznych prądu stałego. 6. Mostek pojemnościowy. Cel ćwiczenia: Zapoznanie się z pomiarem nieznanej wartości pojemności kondensatora metodą mostka Wheatstone a. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości dotyczących kondensatorów w obwodach elektrycznych. 7. Samoindukcja cewek. Cel ćwiczenia: wyznaczenie współczynnika samoindukcji cewki poprzez pomiar impedancji dla prądu zmiennego i rezystancji dla prądu stałego. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości dotyczących praw elektromagnetyzmu, w szczególności indukcji Faradaya. 8. Drgania elektromagnetyczne obwodu RLC. Cel ćwiczenia: obserwacja przebiegów napięcia w obwodzie RLC. Wyznaczenie dekrementu tłumienia i opru krytycznego. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości dotyczących drgań tłumionych i obwodów elektrycznych RLC. 9. Współczynnik załamania światła dla ciał stałych. Cel ćwiczenia: wyznaczenie współczynnika załamania ciał stałych za pomocą mikroskopu metodą grubości pozornej. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości z optyki geometrycznej, zasada Fermata. 10. Badanie zjawiska dyfrakcji i polaryzacji światła. Cel ćwiczenia: obserwacja obrazu dyfrakcyjnego światła laserowego dla pojedynczej szczeliny. Wyznaczenie szerokości szczeliny. Poznanie zjawiska polaryzacji światła. Sprawdzanie prawa Malusa. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości z optyki falowo-korpuskularnej, ze szczególnym uwzględnieniem zjawisk interferencji, dyfrakcji, generowania akcji laserowej na przykładzie lasera gazowego i półprzewodnikowego. 11. Poziomy energetyczne atomu wodoru. Stała Rydberga. Cel ćwiczenia: analiza spektralna widma wodoru otrzymanego w wyniku ugięcia na siatce dyfrakcyjnej. Wyznaczenie stałej Rydberga i energii jonizacji atomu wodoru. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości z podstaw fizyki atomowej, ze szczególnym uwzględnieniem wzbudzonych stanów atomowych i modelu atomu Bohra. 12. Wyznaczanie ruchliwości i koncentracji nośników prądu w półprzewodnikach metodą efektu Halla. Cel ćwiczenia: zapoznanie się ze zjawiskiem Halla, wyznaczenie koncentracji i ruchliwości nośników. Dyskusja i sprawdzenie wiadomości z elektromagnetyzmu, oddziaływania pola magnetycznego na ładunek (siła Lorentza), podstawowe pojęcia o półprzewodnikach samoistnych, domieszkowanych, ruchliwości i koncentracji nośników. 6 / 7

7 Inne - Sposób obliczania oceny końcowej Ocena końcowa obliczana jest zgodnie z Regulaminem studiów, jako średnia ocen uzyskanych w kolejnych terminach egzaminu. Wymagania wstępne i dodatkowe Wymagana jest znajomość fizyki i matematyki w zakresie określonym programem studiów. Dodatkowo konieczne jest posiadanie wiedzy zdobytej podczas realizacji przedmiotu Fizyka I. Zalecana literatura i pomoce naukowe 1. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy Fizyki, t.1-5, PWN Warszawa, C. Kittel, Wstęp do Fizyki Ciała Stałego, PWN Warszawa E.M. Purcel, Elektryczność i Magnetyzm, PWN Warszawa R. Eisberg, R. Resnick, Fizyka kwantowa, PWN Warszawa Treść wykładu i dodatkowe materiały w tym przykłady zadań egzaminacyjnych umieszczane na stronie internetowej przedmiotu 6. Instrukcje do ćwiczeń laboratoryjnych na stronie internetowej przedmiotu 7. A. Zięba, Pracownia Fizyczna, WFiTJ, Skrypt Uczelniany SU 1642, Kraków 2002 Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu Nie podano dodatkowych publikacji Informacje dodatkowe Brak Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS) Forma aktywności studenta Udział w wykładach Przygotowanie do zajęć Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych Dodatkowe godziny kontaktowe z nauczycielem Samodzielne studiowanie tematyki zajęć Sumaryczne obciążenie pracą studenta Punkty ECTS za moduł Obciążenie studenta 28 godz 65 godz 28 godz 10 godz 19 godz 150 godz 6 ECTS 7 / 7