Fizyka. dr Bohdan Bieg p. 36A. wykład ćwiczenia laboratoryjne ćwiczenia rachunkowe

Transkrypt

1 Fizyka dr Bohdan Bieg p. 36A wykład ćwiczenia laboratoryjne ćwiczenia rachunkowe

2 Literatura Raymond A. Serway, John W. Jewett, Jr. Physics for Scientists and Engineers, Cengage Learning D. Halliday, D. Resnick, J. Walker Podstawy fizyki C. Bobrowski Fizyka krótki kurs

3 Literatura Tablice Fizyczno Astronomiczne wyd. Adamantan strona Moodle dla GiK

4 Optyka Optyka to dział fizyki, zajmujący się: badaniem natury światła, prawami opisującymi jego emisję, rozchodzenie się, oddziaływanie z materią, pochłanianie przez materię.

5 Natura światła 1 Christiaan Huygens światło ma naturę falową Isaac Newton 1642/ światło ma naturę korpuskularną (składa się z cząstek) Światło jest strumieniem cząstek

6 Natura światła 2 Thomas Young 1801 Doświadczenie Younga (interferencja światła) światło ma naturę falową James Clerk Maxwell 1861 Równania Maxwella Światło jest falą Heinrich Hertz 1886 emisja i odbioru fal elektromagnetycznych, w zakresie widmowym innym niż światło

7 Natura światła 3 Albert Einstein 1905 Objaśnienie zjawiska fotoelektrycznego W przypadku zjawiska fotoelektrycznego światło wykazuje właściwości strumienia cząstek. Dualizm korpuskularno-falowy w pewnych zjawiskach ma naturę falową, a w innych korpuskularną (strumień fotonów) dyfrakcja interferencja efekt Dopplera zjawisko fotoelektryczne promieniowanie ciała doskonale czarnego efekt Comptona

8 Równania Maxwella E = ρ ε 0 prawo Gaussa dla elektryczności (źródłem pola elektrycznego są ładunki elektryczne) B = 0 E = B B = μ 0 ԦJ + μ 0 E prawo Gaussa dla magnetyzmu (pole magnetyczne jest bezźródłowe) =,, = i + j + k operator nabla x y z x y z operator dywergencji (dywergencja) operator rotacji (rotacja) prawo indukcji magnetycznej Faradaya (zmienne w czasie pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne) rozszerzone prawoampere a (przepływający prąd oraz zmienne pole elektryczne wytwarzają pole magnetyczne)

9 Równanie falowe E = ρ ε 0 B = 0 E = B B = μ 0 ԦJ + ε 0 E w próżni ԦJ=0,ρ=0 E = 0 B = 0 E = B B = μ 0 ε 0 E 2 E 2 x = μ 2 E 0ε 0 2 t 2 B 2 x = μ 2 B 0ε 0 2 t Równania Maxwella można sprowadzić do równania falowego opisującego zmiany wektora natężenia pola elektrycznego E oraz wektora indukcji pola magnetycznego B, których rozwiązanie ma postać: ቊ E = E 0 sin kx ωt B = B 0 sin kx ωt Zespolone pola elektryczne i magnetyczne tworzą falę elektromagnetyczną

10 Cechy fali elektromagnetycznej ቊ E = E 0 sin kx ωt B = B 0 sin kx ωt 2 E 2 x = μ 2 E 0ε t 2 B V 2 x = 2 μ 2 B 0ε 0 2 t E = 0 B = 0 E = B B = μ 0 ε 0 E 1) Natężenia pola elektrycznego i indukcji pola magnetycznego zmieniają się sinusoidalnie z częstością ω, zgodnie w fazie. 2) Fala elektromagnetyczna rozchodzi się w próżni z prędkością c = 1 μ 0 ε 0 3) Wektor natężenia pola elektrycznego E jest zawsze prostopadły do wektora indukcji pola magnetycznego B 4) Wektory E i B są zawsze prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali fala elektromagnetyczna jest falą poprzeczną. 5) Iloczyn wektorowy E B wyznacza kierunek rozchodzenia się fali 6) Stosunek amplitud obu fal jest równy prędkości c fali c = E B = E 0 B

11 Fala elektromagnetyczna E λ = 2π k = 2πc ω = c f B

12 Rodzaje fal elektromagnetycznych

13 Wektor Poyntinga Chwilowa szybkość przepływającej energii fali elektromagnetycznej przez jednostkową powierzchnię prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali, opisana jest przez wektor Poyntinga, którego jednostką jest WΤm 2 : ԦS = 1 μ 0 E B Kierunek wektora Poyntinga określa kierunek przenoszenia energii S = 1 μ 0 EB = 1 cμ 0 E 2 = c μ 0 B 2 S x, t = 1 cμ 0 E 0 2 sin 2 kx ωt

14 sin 2 ( ) sin( ) Natężenie światła Natężeniem światła nazywamy uśrednioną po czasie wartość wektora Poyntinga: I = S śr = 1 cμ 0 E 0 2 sin 2 kx ωt 1,0 0,5 śr 0,0-0,5 /2 3 /2 2 I = E 0 2 = cb 2 0 2cμ 0 2μ 0-1,0 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0 /2 3 /2 2 [rad] [rad] sin 2 kx ωt śr = 1 2

15 Ciśnienie światła Fala elektromagnetyczna, oprócz energii, ma również pęd. Oświetlenie powierzchni zmiana pędu fali siła (II i III ZDN) ciśnienie p = I c 1 + R R współczynnik odbicia fali: R = 0 całkowite pochłanianie, R = 1 całkowite odbicie. ogon pyłowy ogon gazowy