Nazwa modułu: Fizyka 2 Rok akademicki: 2013/2014 Kod: EIT-1-303-s Punkty ECTS: 4 Wydział: Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej Kierunek: Informatyka Specjalność: Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne Język wykładowy: Polski Profil kształcenia: Ogólnoakademicki (A) Semestr: 3 Strona www: Osoba odpowiedzialna: prof. nadzw. dr hab. inż. Szczerbowska-Boruchowska Magdalena (boruchowska@fis.agh.edu.pl) Osoby prowadzące: prof. nadzw. dr hab. inż. Szczerbowska-Boruchowska Magdalena (boruchowska@fis.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 Opanował zagadnienia: 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 technologiach informacyjnych (układach do przechowywania, przetwarzania i przesyłania informacji). IT1A_W02 Egzamin, Kolokwium 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 technologiach informacyjnych, dostrzega wzajemne relacje pomiędzy teorią a eksperymentem. IT1A_W02 Egzamin, Kolokwium M_W003 Dysponuje aktualną wiedzą w dziedzinie fizyki współczesnej, zna aktualny stan badań, śledzi rozwój fizyki. IT1A_W02 Egzamin, Kolokwium Umiejętności 1 / 8
M_U001 Zdobywa umiejętność planowania i przeprowadzania pomiarów wielkości fizycznych. IT1A_U02 Odpowiedź ustna M_U002 Rozumie działanie współczesnych urządzeń pomiarowych i w oparciu o poznane zasady umie projektować nowe eksperymenty. IT1A_U02 Odpowiedź ustna M_U003 Posiada praktyczną umiejętność analizy wyników pomiaru, sporządzania raportów i analizy niepewności wyników. IT1A_U12, IT1A_U03, IT1A_U02 Sprawozdanie M_U004 Opanował zagadnienia: 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 technologiach informacyjnych (układach do przechowywania, przetwarzania i przesyłania informacji). IT1A_U02 Kolokwium Kompetencje społeczne M_K001 Dostrzega konieczność wykształcenia umiejętności praktycznych w opisie zjawisk fizycznych IT1A_K01, IT1A_K02 Odpowiedź ustna M_K002 Student jest przygotowany, w oparciu o znajomość zjawisk fizycznych, do wykorzystania nabytej wiedzy w praktyce m.in. w technologiach informatycznych. IT1A_K02 Odpowiedź ustna M_K003 Student pracując w grupie postrzega konieczność współpracy przy wykonywaniu zadań laboratoryjnych i ponoszenia wspólnie odpowiedzialności za opracowanie i przedstawienie rezultatów swojej pracy. IT1A_K04, IT1A_K02 Kolokwium 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 Zajęcia seminaryjne Zajęcia praktyczne Inne Zajęcia terenowe Zajęcia E-learning Wiedza 2 / 8
M_W001 M_W002 M_W003 Umiejętności M_U001 M_U002 M_U003 Opanował zagadnienia: 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 technologiach informacyjnych (układach do przechowywania, przetwarzania i przesyłania informacji). 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 technologiach informacyjnych, dostrzega wzajemne relacje pomiędzy teorią a eksperymentem. Dysponuje aktualną wiedzą w dziedzinie fizyki współczesnej, zna aktualny stan badań, śledzi rozwój fizyki. Zdobywa umiejętność planowania i przeprowadzania pomiarów wielkości fizycznych. Rozumie działanie współczesnych urządzeń pomiarowych i w oparciu o poznane zasady umie projektować nowe eksperymenty. Posiada praktyczną umiejętność analizy wyników pomiaru, sporządzania raportów i analizy niepewności wyników. + - - - - - - - - - - + - - - - - - - - - - + - - - - - - - - - - + - + - - - - + - - - - - + - - - - + - - - - - + - - - - + - - - 3 / 8
M_U004 Opanował zagadnienia: 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 technologiach informacyjnych (układach do przechowywania, przetwarzania i przesyłania informacji). + - + - - - - - - - - Kompetencje społeczne M_K001 M_K002 M_K003 Dostrzega konieczność wykształcenia umiejętności praktycznych w opisie zjawisk fizycznych Student jest przygotowany, w oparciu o znajomość zjawisk fizycznych, do wykorzystania nabytej wiedzy w praktyce m.in. w technologiach informatycznych. Student pracując w grupie postrzega konieczność współpracy przy wykonywaniu zadań laboratoryjnych i ponoszenia wspólnie odpowiedzialności za opracowanie i przedstawienie rezultatów swojej pracy. + - + - - - - + - - - - - + - - - - + - - - + - + - - - - - - - - Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć) Wykład Tematyka wykładów Celem przedmiotu jest wykształcenie umiejętności opisu otaczającej rzeczywistości fizycznej za pomocą podstawowych praw i zasad. Student uzyskuje umiejętność rozumienia oddziaływań i zjawisk fizycznych oraz ich znaczenia w przyrodzie i technice. Potrafi rozwiązywać zagadnienia techniczne w oparciu o prawa fizyki, samodzielnie planuje i przeprowadza pomiary podstawowych wielkości fizycznych. Potrafi przeprowadzić analizę wyników i ocenę niepewności wyników doświadczeń. Zajęcia w ramach modułu są prowadzone w formie wykładu (30 godzin) i ćwiczeń laboratoryjnych (15 godzin). W ramach ćwiczeń laboratoryjnych studenci mają możliwość przedyskutowania problemów związanych z wiedzą fizyczną potrzebną do prawidłowego przeprowadzenia doświadczeń. Przewidziane są również konsultacje. WYKŁADY: 1. Wprowadzenie do analizy niepewności pomiarów (1 godz.) Niepewność względna i bezwzględna, standardowa i maksymalna. Metody określania niepewności wielkości złożonej prawo przenoszenia błędu i metoda różniczki 4 / 8
zupełnej. Metoda najmniejszych kwadratów (regresja liniowa). Przykład opracowania serii pomiarów bezpośrednich dużej próby (wartość średnia, wariancja rozkładu, odchylenie standardowe, histogram). Rozkład normalny. 2. Elektrostatyka (4 godz.) Podstawowe pojęcia: pole, potencjał, energia potencjalna, strumień. Dipol elektryczny. Przykłady zastosowania prawa Gaussa (liniowy, powierzchniowy objętościowy rozkład ładunków). Kondensatory, energia pola elektrycznego E. Dielektryki, piezoelektryczność. 3. Prąd stały (2 godz.) Prąd i prawo Ohma. SEM siła elektromotoryczna i opór wewnętrzny. Przewodnictwo elektryczne w metalach i półprzewodnikach. Prawa Kirchoffa. Obwód RC i RLC. 4. Pole magnetyczne (4 godz.) Wektor indukcji B, siła Lorentza, siła elektrodynamiczna. Przykłady: efekt Halla, e/m, cyklotron, spektrometr masowy. Prawo Ampera, prawo Biota Savarta, przykłady obliczania pola magnetycznego, prawo Faraday a i reguła Lenza. Indukcyjność i samoindukcja. Obwód RL, energia pola B, magnetyzm materii i jego zastosowania. 5. Równania Maxwella i fale elektromagnetyczne (4 godz.) Operatory dywergencji i rotacji, przykłady zastosowań. Twierdzenie Stokesa. Magnetyzm materii, prąd przesunięcia, Indukowane pole B i E. Równanie falowe. Energia fali elektromagnetycznej, wektor Poytinga. Widmo fali elektromagnetycznej. 6. Optyka geometryczna i falowa (4 godz.) Zasada Fermata, prawa i zjawiska optyki geometrycznej, optyka falowa interferencja, dyfrakcja (na 1 i 2 szczelinach), siatka dyfrakcyjna. Promieniowanie rentgenowskie, dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego (prawo Bragga). Polaryzacja, dwójłomność. Prędkość światła (metody pomiaru, teoria eteru). 7. Teoria względności (2 godz.) Transformacja Lorentza, kontrakcja długości, dylatacja czasu. Prędkość w układach inercjalnych. Masa i energia relatywistyczna. 8. Zjawiska korpuskularno-falowe, atom (2 godz.) Promieniowanie termiczne, zjawisko fotoelektryczne, efekt Comptona. Model atomu Bohra. 9. Fale materii, równanie Schroedingera (2 godz.) Hipoteza de Broglie a, zasada nieoznaczoności Heisenberga. Równanie Schroedingera zależne i niezależne od czasu, funkcja falowa i jej własności. 10. Fizyka atomu (2 godz.) Wzbudzony stan energetyczny atomu. Dyskretne widmo atomowe (emisja spontaniczna, wymuszona, rezonansowa). Antyboltzmanowski rozkład obsadzeń, lasery gazowy (pompowanie elektronowe), laser rubinowy (pompowanie optyczne). 11. Elementy fizyki ciała stałego (3 godz.) Typy wiązań atomowych. Elektron w sieci periodycznej, masa efektywna. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe, zależności temperaturowe przewodnictwa. Fizyka podstawowych elementów mikro- i nanoelektroniki. Nadprzewodniki. Ćwiczenia laboratoryjne Tematyka ćwiczeń laboratoryjnych 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. Ćwiczenia laboratoryjne składają się z zajęć 5 / 8
wstępnych, praktycznego wykonania doświadczeń i zajęć zaliczeniowych połączonych z odrabianiem ewentualnych zaległości. W ramach zajęć studenci wykonują w dwuosobowych zespołach 6 ćwiczeń z listy, według harmonogramu oraz przygotowują sprawozdania z przebiegu ćwiczeń. Zaliczenie ćwiczeń laboratoryjnych odbywa się na podstawie sprawozdań i kolokwium z teorii. 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 (hydrodynamika). 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 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. Opanowanie zagadnień teorii błędu na postawie dużej statystyki wyników pomiaru. 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 oporu 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. 6 / 8
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. Inne Konsultacje Sposób obliczania oceny końcowej Ocena końcowa (OK) uwzględnia ocenę z egzaminu (OE) oraz ocenę z ćwiczeń laboratoryjnych (OL) i liczona jest jako: OK = 0.6 OE + 0.4 OL Wymagania wstępne i dodatkowe Wymagana jest znajomość fizyki i matematyki w zakresie określonym programem studiów. Dodatkowo konieczna jest znajomość materiału z przedmiotu Fizyka I. Zalecana literatura i pomoce naukowe 1. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy Fizyki, t.1-5, PWN Warszawa, 2003 2. C. Kittel, Wstęp do Fizyki Ciała Stałego, PWN Warszawa 1975 3. E.M. Purcel, Elektryczność i Magnetyzm, PWN Warszawa 1973 4. R. Eisberg, R. Resnick, Fizyka kwantowa, PWN Warszawa 1983 5. 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 7 / 8
Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS) Forma aktywności studenta Udział w wykładach Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych Samodzielne studiowanie tematyki zajęć Przygotowanie sprawozdania, pracy pisemnej, prezentacji, itp. Sumaryczne obciążenie pracą studenta Punkty ECTS za moduł Obciążenie studenta 30 godz 15 godz 30 godz 35 godz 110 godz 4 ECTS 8 / 8