Fizyka dla Informatyki Stosowanej

Podobne dokumenty
ψ przedstawia zależność

Fale elektromagnetyczne spektrum

Sformułowanie Schrödingera mechaniki kwantowej. Fizyka II, lato

2.1 Zagadnienie Cauchy ego dla równania jednorodnego. = f(x, t) dla x R, t > 0, (2.1)

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

RUCH HARMONICZNY. sin. (r.j.o) sin

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Podstawy fizyki wykład 7

Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

2.6.3 Interferencja fal.

WYKŁAD FIZYKAIIIB 2000 Drgania tłumione

2. Rodzaje fal. Fale te mogą rozchodzić się tylko w jakimś ośrodku materialnym i podlegają prawom Newtona.

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

drgania h armoniczne harmoniczne

ver b drgania harmoniczne

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

Fale biegnące. y t=0 vt. y = f(x), t = 0 y = f(x - vt), t ogólne równanie fali biegnącej w prawo

Prosty oscylator harmoniczny

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

Wykład FIZYKA I. 2. Kinematyka punktu materialnego. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Fizyka 12. Janusz Andrzejewski

ĆWICZENIE 7 WYZNACZANIE LOGARYTMICZNEGO DEKREMENTU TŁUMIENIA ORAZ WSPÓŁCZYNNIKA OPORU OŚRODKA. Wprowadzenie

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

4.3 Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu metodą fali biegnącej(f2)

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

obszary o większej wartości zaburzenia mają ciemny odcień, a

Wykład FIZYKA I. 11. Fale mechaniczne. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

5.1. Powstawanie i rozchodzenie się fal mechanicznych.

Prowadzący: Kamil Fedus pokój nr 569 lub 2.20 COK konsultacje: środy

Wykład z modelowania matematycznego. Przykłady modelowania w mechanice i elektrotechnice.

Temat VIII. Drgania harmoniczne

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Związek między ruchem harmonicznym a ruchem jednostajnym po okręgu

RUCH HARMONICZNY. sin. (r.j.o) sin

Fale elektromagnetyczne

Podstawy fizyki sezon 1 VIII. Ruch falowy

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 13

Ruch falowy, ośrodek sprężysty

lim Np. lim jest wyrażeniem typu /, a

Zasada pędu i popędu, krętu i pokrętu, energii i pracy oraz d Alemberta bryły w ruchu postępowym, obrotowym i płaskim

Fale mechaniczne i akustyka

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

Ruch falowy. Fala zaburzenie wywoane w jednym punkcie ośrodka, które rozchodzi się w każdym dopuszczalnym kierunku.

Energia w ruchu harmonicznym

Impedancja akustyczna, czyli o odbiciu fal podłużnych

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Wykład FIZYKA I. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak. Katedra Optyki i Fotoniki Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Ruch drgający

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

- Strumień mocy, który wpływa do obszaru ograniczonego powierzchnią A ( z minusem wpływa z plusem wypływa)

Drania i fale. Przykład drgań. Drgająca linijka, ciało zawieszone na sprężynie, wahadło matematyczne.

m Jeżeli do końca naciągniętej (ściśniętej) sprężyny przymocujemy ciało o masie m., to będzie na nie działała siła (III zasada dynamiki):

Pobieranie próby. Rozkład χ 2

FALE W OŚRODKACH SPRĘZYSTYCH

1. Jeśli częstotliwość drgań ciała wynosi 10 Hz, to jego okres jest równy: 20 s, 10 s, 5 s, 0,1 s.

Drgania i fale II rok Fizyk BC

C d u. Po podstawieniu prądu z pierwszego równania do równania drugiego i uporządkowaniu składników lewej strony uzyskuje się:

Sygnały zmienne w czasie

Wykład FIZYKA I. 10. Ruch drgający tłumiony i wymuszony. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

LXVII OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY II STOPNIA

Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Optyka 1 / 16

Ψ(x, t) punkt zamocowania liny zmienna t, rozkład zaburzeń w czasie. x (lub t)

Równania różniczkowe. Lista nr 2. Literatura: N.M. Matwiejew, Metody całkowania równań różniczkowych zwyczajnych.

Część I. MECHANIKA. Wykład KINEMATYKA PUNKTU MATERIALNEGO. Ruch jednowymiarowy Ruch na płaszczyźnie i w przestrzeni.

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

WSTĘP DO ELEKTRONIKI

W-9 (Jaroszewicz) 15 slajdów. Równanie fali płaskiej parametry fali Równanie falowe prędkość propagacji, Składanie fal fale stojące

Krzysztof Łapsa Wyznaczenie prędkości fal ultradźwiękowych metodami interferencyjnymi

Wykład 1: Fale wstęp. Drgania Katarzyna Weron. WPPT, Matematyka Stosowana

Fizyka 2 Wróbel Wojciech

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

I. KINEMATYKA I DYNAMIKA

Ruch drgający i falowy

gęstością prawdopodobieństwa

Ruch płaski. Bryła w ruchu płaskim. (płaszczyzna kierująca) Punkty bryły o jednakowych prędkościach i przyspieszeniach. Prof.

Solitony i zjawiska nieliniowe we włóknach optycznych

Promieniowanie synchrotronowe i jego zastosowania

Tadeusz Lesiak. Dynamika punktu materialnego: Praca i energia; zasada zachowania energii

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

1 Płaska fala elektromagnetyczna

a, F Włodzimierz Wolczyński sin wychylenie cos cos prędkość sin sin przyspieszenie sin sin siła współczynnik sprężystości energia potencjalna

Wykład FIZYKA II. 4. Indukcja elektromagnetyczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

= sin. = 2Rsin. R = E m. = sin

Drgania wymuszone - wahadło Pohla

Drgania. W Y K Ł A D X Ruch harmoniczny prosty. k m

Wykład 3: Jak wygląda dźwięk? Katarzyna Weron. Matematyka Stosowana

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

III. Opis falowy. /~bezet

Fal podłużna. Polaryzacja fali podłużnej

W tym module rozpoczniemy poznawanie właściwości fal powstających w ośrodkach sprężystych (takich jak fale dźwiękowe),

Fizyka elektryczność i magnetyzm

DYNAMIKA KONSTRUKCJI

Rys Ruch harmoniczny jako rzut ruchu po okręgu

Ruch drgajacy. Drgania harmoniczne. Drgania harmoniczne... Drgania harmoniczne... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż.

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

5) W czterech rogach kwadratu o boku a umieszczono ładunki o tej samej wartości q jak pokazano na rysunku. k=1/(4πε 0 )

3. KINEMATYKA Kinematyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się opisem ruchu ciał bez wnikania w jego przyczyny. Oznacza to, że nie interesuje nas

Głównie występuje w ośrodkach gazowych i ciekłych.

WYDZIAŁ EKOLOGII LABORATORIUM FIZYCZNE

Transkrypt:

Fizyka dla Informayki Sosowanej Jacek Golak Semesr zimowy 018/019 Wykład nr 14

Równania Mawella w próżni E 0 B 0 B E B j 0 0 E Uwaga: To są równania w układzie SI! 8.85419 0 4 π 0 10 7 10 T m A 1 C N m Tylko yle dodał sam Mawell. To zw. gęsość prądu przesunięcia

z y B z y B z y B z y B r B B z y E z y E z y E z y E r E E z y z y pole elekryczne indukcja magneyczna Wekory pola elekrycznego i indukcji magneycznej zależą od czasu i punku przesrzeni!

0 0 0 0 B B E E Z równań Mawella dla próżni bez ładunków i prądów wynika że Każda składowa pola elekrycznego i indukcji magneycznej spełnia w próżni bez ładunków i prądów równanie falowe! 1 z y u v z z y u y z y u z y u W dodaku dokładnie bez żadnych przybliżeń! Prędkość rozchodzenia się fali EM fazowa jes równa prędkości świała! Wniosek: świało widzialne jes eż falą elekromagneyczną! s m c v 8 0 0 10 3 1

Co o jes właściwie fala? Fala o zaburzenie lub zmiana kóra przemieszcza się w ośrodku. Ośrodek w kórym fala się przemieszcza może doznawać lokalnych zmian np. oscylacji ale cząski ośrodka nie wędrują razem z falą. Zaburzenia mogą przyjmować bardzo różne formy od impulsu o skończonej szerokości do nieskończenie długiej fali sinusoidalnej. Porzebna jes maemayka aby precyzyjnie opisywać fale! y u y z z 1 v u y z To podsawowe równanie falowe musi być odpowiednio zmodyfikowane by opisać na przykład łumienie fali

Rodzaje fal: - mechaniczne rozchodzące się na naprężonym sznurze na membranie na wodzie dźwiękowe sejsmiczne wymagają ośrodka w kórym się poruszają -elekromagneyczne świelne radiowe radarowe rozchodzą się nie ylko ośrodku maerialnym ale akże w próżni -fale maerii związane z każdą cząską maerialną mechanika falowa = mechanika kwanowa

Przykład 1 Meksykańska fala : Grupa ludzi podskakuje i siada z powroem ludzie siedzący blisko widzą o i eż podskakują a siedzący dalej naśladują o zachowanie. Zaburzenie podskakujący ludzie wędruje wokół sadionu ale żadna z osób nie zmienia swego miejsca na sadionie! animaions couresy of Dr. Dan Russell Keering Universiy hp://paws.keering.edu/~drussell/demos.hml

Przykład Podłużne fale dźwiękowe w powierzu zachowują się podobnie. Kiedy przechodzi fala cząski powierza oscylują wokół położeń równowagi ale o zaburzenie wędruje w posaci zagęszczonych rejonów a nie indywidualne cząski ośrodka. animaions couresy of Dr. Dan Russell Keering Universiy hp://paws.keering.edu/~drussell/demos.hml

Przykład 3 W przypadku fali poprzecznej przemieszczenie cząsek ośrodka jes prosopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Animacja pokazuje falę biegnącą w prawo a cząski ośrodka poruszają się jedynie w górę i w dół wokół położeń równowagi. Animaion creaed by Mas Bengsson

Przykład 4 Poprzeczne fale na sznurze: sznur jes odkszałcany w górę i w dół kiedy fala przemieszcza się w prawo ale sznur jako całość nie wykazuje żadnego wypadkowego ruchu. To jes pojedynczy impuls. animaions couresy of Dr. Dan Russell Keering Universiy hp://paws.keering.edu/~drussell/demos.hml

Przykład 5 Fale na wodzie są przykładem fal w kórych cząski ośrodka wykonują kombinację ruchów podłużnego i poprzecznego. Kiedy fala wędruje przez wodę cząseczki ośrodka przemieszczają się po okręgach zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Promień ych okręgów maleje wraz z głębokością. Fala przemieszcza się w prawo. animaions couresy of Dr. Dan Russell Keering Universiy hp://paws.keering.edu/~drussell/demos.hml

Jak przejść od drgań do fal? Porzebujemy modelu sprzężenia między cząseczkami ośrodka Przykład 1: masy i sprężyny

Przykład : wahadła sprzężone przy pomocy sprężyn Ilusracja z książki F.C. Crawforda Waves Przykład 3: wahadło wielokrone albo wiszący łańcuch

Przykład 4: dwa idenyczne obwody drgające LC sprzężone przy pomocy pojemności

Przykład 5: drgania poprzeczne nieważkiej sruny obciążonej punkowymi masami Ilusracja z książki H.J. Paina The Physics of Vibraions and Waves

Jakie siły działają na masę r? Ilusracja z książki H.J. Paina The Physics of Vibraions and Waves Masa r jes ciągnięa w dół w kierunku położenia równowagi przez siłę Tsinθ 1 naprężenie z lewej srony i przez siłę Tsinθ naprężenie z prawej srony.

Ponieważ równanie ruchu ma posać i po uproszczeniu dosajemy

Zapiszmy wyrażenie w nawiasie przy pomocy szeregu Taylora f 1 f f ' f '' co daje

Masy m były punkowe. Teraz rozsmarowujemy m na odcinku δ wprowadzając gęsość liniową ρ=m/δ masa sruny na jednoskę długości T/ρ ma wymiar kwadrau prędkości oznaczenie: T/ρ =c v Dosaliśmy równanie falowe na funkcję dwóch zmiennych y Prosa inerpreacja rozwiązania równania falowego: y jes wychyleniem pionowym sznura w chwili w punkcie o współrzędnej!

0 1 u c u Równanie falowe dla jednowymiarowej cienkiej sruny Równanie różniczkowe 1 cząskowe bo na funkcję więcej niż jednej zmiennej II rzędu 3 liniowe sumując prose rozwiązania budujemy inne rozwiązania 4 jednorodne 5 posiada bardzo wiele różnego ypu rozwiązań

Aby dosać jednoznaczne rozwiązanie należy podać 1 warunki począkowe a u=0 - kszał sruny w chwili =0 b u=0/ - rozkład prędkości punków sruny w chwili =0 warunki brzegowe co dzieje się na końcach sruny dla > 0 na przykład czy sruna jes swobodna lub szywno umocowana Ze względu na będziemy po kolei rozważać rozwiązania dla sruny nieskończonej cała prosa dla srony ograniczonej z jednej srony półprosa dla sruny o skończonej długości odcinek

Sruna nieskończona R 0 R 0 0 R 1 u u u c u Wzór d Alembera

Dlaczego o jes właściwe rozwiązanie? wierdzenie o różniczkowaniu pod znakiem całki hp://www.maemayka.pl/

Sens składników we wzorze d Alembera Impuls poruszający się w lewo Impuls poruszający się w prawo Poprawka na począkowy rozkład prędkości punków sruny

Jeśli wszyskie punky sruny są w spoczynku dla =0 o Rozwiązanie jes suma dwóch impulsów poruszających się w przeciwnych kierunkach!

Jak sworzyć pojedynczy impuls poruszający się w prawo lub w lewo? Wziąć jeden kawałek! Impuls biegnący w prawą sronę: u v u ' v v u 0 ' v Rozkład prędkości dla =0 jes już jednoznacznie wyznaczony!

Impuls biegnący w lewą sronę: u v u ' v v u 0 ' v Rozkład prędkości dla =0 jes już jednoznacznie wyznaczony!

Przykłady dla v 1 ep 5 Impuls gaussowski

Impuls się rozdwaja bo w chwili =0 punky sruny mają prędkość zero!

Sruna ograniczona z jednej lewej srony: 0 a sruna szywno umocowana w =0

Taki sam impuls jak dla przypadku sruny nieograniczonej z obu sron

Impuls się nie rozdwaja bo w chwili =0 punky sruny mają odpowiednio dobrany rozkład prędkości!

Animaion couresy of Dr. Dan Russell Keering Universiy hp://paws.keering.edu/~drussell/demos.hml

b sruna swobodna w =0 u 0 0 0

Taki sam pojedynczy impuls jak poprzednio ale inne warunki dla odbicia

animaion couresy of Dr. Dan Russell Keering Universiy hp://paws.keering.edu/~drussell/demos.hml

Polecam noebooki ze srony wykładu: hp://users.uj.edu.pl/~golak/f18-19/ jednowymiarowe_równanie_falowe_wb1.nb jednowymiarowe_równanie_falowe_wb.nb jednowymiarowe_równanie_falowe_wp1.nb jednowymiarowe_równanie_falowe_wp.nb jednowymiarowe_równanie_falowe_wp3.nb jednowymiarowe_równanie_falowe_wp4.nb dwywymiarowe_równanie_falowe_kwadra.nb dwuwymiarowe_równanie_falowe_kolo.nb

Do ej pory bawiliśmy się impulsami ale przecież posać φ jes dowolna. Teraz rozważymy szczególnie ważny rodzaj fal fale sinusoidalne u Asin[ k v ] czyli Asin[ k] Musi być sała k bo nie może być sin1mera

] sin[ ] sin[ ] sin[ ] sin[ ] sin[ k A u T A u f A u v A u v k A u Równoważne formy:

] cos[... ] cos[ k A u v k A u Jeszcze inne formy: ] sin[ ] cos[ ] [ ep k i k A u k i A u Wygodna w rachunkach posać zespolona

Sens różnych wielkości i ich powiązania v o prędkość fazowa fali A o ampliuda fali Jeśli usalimy o mamy okresową funkcję Wedy ω jes częsością kołową powiązaną w zwykły sposób z okresem T i częsoliwością f T f kv Jeśli usalimy o mamy okresową funkcję z okresem λ zwanym długością fali powiązanym z liczbą falową k k vt v

Aple ma pomóc zrozumieć podwójną zależność u od i animaions couresy of Dr. Dan Russell Keering Universiy hp://paws.keering.edu/~drussell/demos.hml

Dodawanie impulsów falowych animaions couresy of Dr. Dan Russell Keering Universiy hp://paws.keering.edu/~drussell/demos.hml

Dodawanie dwóch fal sinusoidalnych o ej samej częsości biegnących w ę samą sronę ale przesunięych w fazie animaions couresy of Dr. Dan Russell Keering Universiy hp://paws.keering.edu/~drussell/demos.hml

Dodawanie dwóch fal sinusoidalnych o ej samej częsości biegnących w przeciwne srony bez przesunięcia w fazie fala sojąca! Zależność czasowa i przesrzenna w formie osobnych czynników! animaions couresy of Dr. Dan Russell Keering Universiy hp://paws.keering.edu/~drussell/demos.hml

Dodawanie dwóch fal sinusoidalnych o różnych częsościach biegnących w ę samą sronę bez przesunięcia w fazie animaions couresy of Dr. Dan Russell Keering Universiy hp://paws.keering.edu/~drussell/demos.hml

Fala i własności ośrodka v T sprężysość bezwładność sprężysość energia poencjalna sruny bezwładność energia kineyczna sruny Co się dzieje gdy zmieniają się własności ośrodka?

Wprowadzamy nową wielkość Z impedancja charakerysyczna sruny Zakładamy że generaor drgań sinusoidalnych przyczepiony jes do lewego końca sruny i emiuje falę biegnącą w prawo u=acosk-ω

Poprzeczna składowa siły wywieranej przez srunę na wyjściowy elemen generaora u F poprz = T sinθ T gθ = T u=0 Ilusracja z książki F.C. Crawforda Fale

sin sin cos k A u k ka u k A u u Z u v T u T Dlaego F poprz dana jes wzorem gdzie bo v T v T v T Z poprzeczna składowa prędkości sruny dla =0

Generaor emiuje falę; sruna przeciwsawia się emu z siłą proporcjonalną i przeciwnie skierowaną do nadawanej jej prędkości. Współczynnik proporcjonalności Z o impedancja charakerysyczna. Rozumując jak dla oscylaora wymuszonego P=Fv: Moc wyjściowa generaora w chwili P o ogólnie P a dla fali biegnącej F poprz u u P Z

fala padająca fala przechodząca T fala odbia T Z v 1 1 1 Z v =0 granica dwóch ośrodków u nas dwa kawałki sruny o różnych gęsościach

Uwagi: 1 wybieramy =0 bo najprossze rachunki; generaor rzeba odsunąć bardziej w lewo częsość się nie zmienia u u u pad przech odb A A 1 3 cos[ k A cos[ k cos[ k 1 1 ] ] ]

Porzebne zw. warunki ciągłości 1 funkcja u jes ciągła w =0 bo sruna nie może być rozerwana składowa poprzeczna siły T u/ musi być ciągła w =0; inaczej różnica sił działająca na nieskończenie małą masę dawałaby nieskończone przyspieszenie Te warunki prowadzą do współczynnika odbicia A 3 / A 1 i współczynnika przejścia A / A 1 dla ampliud

noebook: odbicie_i_przechodzenie_fali_na_srunie_real.nb

Dosajemy więc i i i Z T v k Z Z Z Z k k k k A A Z Z Z k k k A A bo 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1

Szczególne przypadki już znamy: 1 Umocowany koniec sznura odpowiada Z A = 0 nic nie przechodzi do drugiego ośrodka A 3 /A 1 = -1 odbia fala zmienia fazę o π Swobodny koniec sznura odpowiada Z = 0 A 3 /A 1 = 1 A /A 1 = zwiększenie ampliudy fali przy swobodnym końcu sruny

Transpor energii w srunie Trakujemy każdą jednoskę długości sruny jak oscylaor kóry ma energię 1 1 E ka A Fala wędruje z prędkością v więc szybkość ransporu energii o energia v 1 A v 1 Z A Cała energia docierająca do granicy ośrodków jes albo w odbiej albo w przechodzącej fali

1 1 1 1 3 1 Z Z Z Z A Z A Z 1 1 1 1 4 Z Z Z Z A Z A Z energia padająca energia padająca energia odbia energia przechodząca Jeśli Z 1 = Z o nie ma odbiej energii i mówimy że impedancje ośrodków są dopasowane

Odbicie dla Z animaions couresy of Dr. Dan Russell Keering Universiy hp://paws.keering.edu/~drussell/demos.hml

Odbicie dla Z =0 animaions couresy of Dr. Dan Russell Keering Universiy hp://paws.keering.edu/~drussell/demos.hml

Odbicie dla Z 1 < Z v 1 > v animaions couresy of Dr. Dan Russell Keering Universiy hp://paws.keering.edu/~drussell/demos.hml

Odbicie dla Z 1 > Z v 1 < v animaions couresy of Dr. Dan Russell Keering Universiy hp://paws.keering.edu/~drussell/demos.hml

Dopasowanie impedancji warswa przeciwodbiciowa Bardzo ważny problem w mechanice akusyce i opyce! Cały ośrodek u nas sruna może być podzielony na rzy części 1 - < < 0 Z 1 k 1 0 < < L Z k 3 L < < + Z 3 k 3 Jaka musi być impedancja Z i długość warswy nr L by nie było odbicia i cała energia padającej fali wchodziła do ośrodka 3? Odpowiedzi szukamy dla usalonego ω! Pomysł: fale odbie w =0 i w =L powinny się znieść w ośrodku 1 dzięki inerferencji desrukywnej.

Odpowiedź w przybliżeniu słabego odbicia: Z L Z 1 Z 1 4 3 k Ilusracja z książki F.C. Crawforda Fale

Podobne rozważania można przeprowadzić dla fal dźwiękowych i elekromagneycznych. Na przykład zachowanie się fali elekromagneycznej na granicy dwóch ośrodków wynika z warunków ciągłości wyprowadzanych z równań Mawella.