instytut fizyki - kazimierz sierańskiif.pwr.edu.pl/~sieranski/talent/temat1.pdf · 2020. 10....
Post on 31-Jan-2021
13 Views
Preview:
TRANSCRIPT
-
Kazimierz Sierański
kazimierz.sieranski@pwr.edu.pl
www.if.pwr.wroc.pl/~sieranski
Dydaktyka – Talent –temat1
Ciekawy podręcznik na stronie:
Tom 1: https://openstax.org/details/books/fizyka-dla-szkół-wyższych-tom-1Tom 2: https://openstax.org/details/books/fizyka-dla-szkół-wyższych-tom-2Tom 3: https://openstax.org/details/books/fizyka-dla-szkół-wyższych-tom-3
mailto:kazimierz.sieranski@pwr.edu.plhttp://www.if.pwr.wroc.pl/~sieranskihttps://openstax.org/details/books/fizyka-dla-szkół-wyższych-tom-1https://openstax.org/details/books/fizyka-dla-szkół-wyższych-tom-2https://openstax.org/details/books/fizyka-dla-szkół-wyższych-tom-3
-
sobota - dr Kazimierz Sierański
nr zajęć dzień sala godziny
1 10.paź.2020 zoom 9:00-10:45
2 17.paź.2020 zoom 9:00-10:45
3 24.paź.2020 zoom 9:00-10:45
4 31.paź.2020 zoom 9:00-10:45
5 7.lis.2020 zoom 9:00-10:45
6 14.lis.2020 zoom 9:00-10:45
7 21.lis.2020 zoom 9:00-10:45
8 28.lis.2020 zoom 9:00-10:45
9 5.gru.2020 zoom 9:00-10:45
10 12.gru.2020 zoom 9:00-10:45
11 19.gru.2020 zoom 9:00-10:45
12 9.sty.2021 zoom 9:00-10:45
13 16.sty.2021 zoom 9:00-10:45
14 23.sty.2021 zoom 9:00-10:45
egzamin 27.lut.2021stacjonarnie
Wrocław9:00-10:45
Terminy zajęć i egzaminu:
-
Na wykładach Studium Talent przerobimy zagadnienia:
Światło jako fala – optyka falowa:
Szczególna teorii względności (STW):
Podstawy fizyki kwantowej i fizyki atomu:
Podstaw fizyki cząstek elementarnych
Elementy astrofizyki i kosmologii
Przypomnę niektóre zagadnienia z fizyki klasycznej:
- prawa zachowania (pędu, energii, momentu pędu i ładunku),
- prawo powszechnego ciążenia – grawitacja newtonowska,
- oddziaływania elektrostatyczne i magnetyczne.
- termodynamika – opis mikroskopowy.
-
Natura światłaW XVII wieku ścierały się dwa, poglądy na temat natury światła.
Isaac Newton
W swojej pracy naukowej najpierw zajmował się optyką.
Pierwsze sukcesy odniósł właśnie w optyce, konstruując
teleskop zwierciadlany dzięki temu 1672 został członkiem
Towarzystwa Królewskiego w Londynie.
W 1672 powstała jego pierwsza praca ”New Theory about
Light and Colors” zawierająca wyniki badań dotyczące
dyspersji światła oraz odkrycie, że światło białe jest
mieszaniną różnych barw, z których każda ma ściśle
określony współczynnik załamania. W odpowiedzi na
ostrą krytykę tej pracy ze strony m.in. Ch. Huygensa i R.
Hooke’a, Newton zaproponował teorię korpuskularną
(cząsteczkową) światła, zgodnie z którą światło składa się
z bardzo szybko poruszających się korpuskuł (cząstek).
Załamanie światła tłumaczył tym, że na cząstki światła
działa siła pochodząca od materii.
R. Hooke’a,
przśladowca
I. Newtona
-
Newton zauważył też, że promień światła
białego rozszczepia się po przejściu przez
pryzmat na promienie o różnych kolorach, a
tych różnych kolorów możemy z powrotem
otrzymać światło białe. Wszystkie swoje
doświadczenia i poglądy na temat światła
Newton zebrał w wydanym 1704 dziele Optics.
Rozszczepienie światła w pryzmacie Koło barw
cn
v
-
Natura światła
Christiaan Huygens
Twierdził, że światło jest falą. W 1678 roku sformułował,
nazwaną później jego nazwiskiem, zasadę Huygensa :
„ Każdy punkt ośrodka, do którego dotrze fala,
staje się źródłem nowej fali cząstkowej (kulistej
w przestrzeni i kolistej na płaszczyźnie)”.
Gdy fala dotrze do szczeliny, każdy punkt ośrodka
leżący wewnątrz niej staje się źródłem nowej fali.
Zasada ta dotyczy również fal mechanicznych
-
Trójkąt Maxwella, trójkąt barw – sporządzony w połowie XIX w. przez J. C.Maxwella (1831–
1879) wykres trójkątny, ilustrujący sposób otrzymywania różnych barw przez odpowiednie
połączenie trzech barw podstawowych: czerwonej (R), zielonej (G) i niebieskiej (B),
umieszczonych w wierzchołkach trójkąta. Wykres – po modyfikacjach – stał się podstawą
technologii kolorowego druku fotografii i telewizji barwnej
-
Rysunek pokazuje, jak fala poprzeczna (rozchodząca się w jednym kierunku) wygląda
widziana z góry i z boku. Można sobie wyobrazić falę świetlną rozchodzącą się w ten
sposób, chociaż w rzeczywistości nie widzimy, że drga ona w danym miejscu przestrzeni.
Z góry widzimy fronty fali (lub powierzchnie falowe) jak gdybyśmy patrzyli w dół na fale
oceanu. Widok z boku byłby wykresem pola elektrycznego lub magnetycznego.
Przykład fali podłużnej; falą podłużną
może nią być również fala dźwiękowa
w powietrzu.
Przykład fali poprzecznej; falą poprzeczną może to być fala rozchodząca się wzdłuż
sznura, fala na powierzchni wody czy fala dźwiękowa w ciele stałym.
-
Widmo fal elektro-magnetycznych (EM)
Zakresy widma fal EM mającharakter umowny i wynikająalbo ze sposobu wytwarzaniafal albo ich zastosowania.
c
-
Zmienne pola elektryczne i magnetyczne „uciekają” w przestrzeń
Fala elektromagnetyczna (EM)
to związane ze sobą zmienne
(drgające) pola: elektryczne i
magnetyczne rozchodzące się
w przestrzeni.
układ RLC antena
-
Dyfrakcja i interferencja fal
Jak wyjaśnić obraz fali po przejściu przez zespół szczelin?
-
Interferencja = nakładanie się fal
W punkcie P sumują się:
- dla fal mechanicznych wartości wychyleń cząstek z położeń równowagi.- dla fal EM wektory natężenia pola elektrycznego i indukcji magnetycznej.
-
Doświadczenie Younga
sind n Zadanie
W cienkiej folii aluminiowej ustawionej równolegle do gładkiej ściany zrobiono dwa
nacięcia w odległości 0,1 mm i oświetlono prostopadłą wiązką czerwonego światła
laserowego o długości fali 650 nm. Jeżeli ściana jest w odległości 50 cm od układu
szczelin to ile wynosi odległość w między najbliższymi prążkami na ekranie (ścianie)?
-
sind n
Rozwiązanie
Dane: Szukane:
d = 0,1 mm = 10-4m, w = ?
= 650 nm = 6,5·10-7m,
l = 50 cm = 0,5 m,
n =1.
Rozwiązanie: ; ; ; . .
Stąd: , .
sind
tg
w
l
2
sin sintg
cos 1 sin
2
1
w d
l
d
3
3
24
0,5m 6,5 103,25 10 m = 3,25mm
1 6,5 10
w
-
Interferometr Michelsona
Światło monochromatyczne ze źródła, pada na posrebrzone półprzepuszczalne lustro P.Połowa wiązki świetlnej (A) jest przepuszczana przez P a połowa (B) odbita. Obie wiązkipo odbiciu od zwierciadeł Z1 i Z2 i przejściu lub odbiciu od P poruszają się w stronędetektora (na rysunku jest nim oko ludzkie). Jeżeli drogi promieni A i B są takie same lubróżnią się o całkowitą długość fali promienie fal interferują konstruktywnie.
-
Siatka dyfrakcyjna
d - stała siatki
sind n
Siatka dyfrakcyjna posiada 500 rys na 1 mm długości.
a) Oblicz stałą siatki.
b) Na siatkę dyfrakcyjną pada prostopadle czerwone światło laserowe o długości fali 650 nm.
Pod jakim kątem, na ekranie umieszczonym w pobliżu siatki, widać prążek drugiego
rzędu?
c) Oblicz najwyższy rząd widma, jaki można zaobserwować po skierowaniu wiązki światła
laserowego o długości fali 650 nm prostopadle na siatkę dyfrakcyjną.
d) Siatka dyfrakcyjna jest oświetlona prostopadłą do siatki wiązką promieni światła białego
(zakres długości fal od 1 = 0,38 mm do 2 = 0,78 mm ). Siatka jest w odległości 1 m od
ekranu. Znajdź szerokość widma I rzędu na ekranie.
Zadanie
-
sind n Dane: Szukane:
N = 500 / mm, a) d = ?
= 650 nm = 6,5·10-7m, b) 2 =?
1 = 0,38 mm = 3,8·10-7m, c) nmax = ?
2 = 0,78 mm = 7,8·10-7m d) Dw =?.
l =1m
Rozwiązanie: .
a)
b)
c)
d)
3 61 1 1 mm 2 10 mm 2 10 m 2μm.500 / mm 500
dN
2sin 2d
7
2 6
2 2 6,5 10 msin 0,65
2 10 md
2 40.5
d n6
max7
2 10 m3,077 3
6,5 10 m
dn n
2
1
w d
l
d
1 20,184m, 0,400m 0,216m= 21,6cm.w w w D
-
Jeden z uczniów wykonał tzw. czarną skrzynkę. Uczeń powiedział, że w środku puszki
zamocował pewien przyrząd optyczny, którym mógł być szklany pryzmat, zwierciadło,
cienkościenna soczewka lub siatka dyfrakcyjna. Po oświetleniu jednej ze szczelin
światłem białym i wyjściu światła przez drugą szczelinę światło wychodzące uległo
odchyleniu od pierwotnego kierunku i rozszczepieniu jak na rysunku.
Ustal i uzasadnij, jaki przyrząd optyczny znajdował się wewnątrz „tajemniczej puszki”.
-
Dyfrakcja światła na szczelinie
-
Dyfrakcja promieni rentgenowskich
Warunek Bragga:
2 sind n
Zadanie
Na powierzchnię NaCl pada wiązka promieniowania rentgenowskiego o długości fali
0,27 nm. Odległość między płaszczyznami atomowymi NaCl wynoszą 0,541 nm. Znajdź
najmniejszy kąt, pod którym możemy zaobserwować wzmocnienie wiązki po odbiciu.
-
Zadanie
Na powierzchnię NaCl pada wiązka promieniowania rentgenowskiego o długości fali
0,27 nm. Odległości między płaszczyznami atomowymi NaCl wynoszą 0,541 nm.
Znajdź najmniejszy kąt, pod którym możemy zaobserwować wzmocnienie wiązki po
odbiciu.
Dane: Szukane:
= 0,27 nm = 2,7·10-10 m, Qmin = ?
d = 0,541nm = 5,41·10-10 m.
Rozwiązanie:
2 sind n min 1 min0,27nm
sin sin 0,250 14,5 .2 2 0,541nmd
-
Fale stojące
Przykład: drgania struny –
struna zamocowana z dwóch końców
n
2lλ = , n=
n1,2,3,...
-
Polaryzacja fal
Światło jest falą poprzeczną
Naturalne (spontanicznie promieniowane przez atomy) światło jest
mieszaniną fal spolaryzowanych w różnych kierunkach
Z wiązki światła naturalnego możemy uzyskać wiązkę spolaryzowaną
przepuszczając ją przez polaryzator
-
Polaryzacja przy odbiciu
-
Okulary służące do oglądania filmów trójwymiarowych (a właściwie stereoskopowych)
w kinach mogą być m.in. następujących rodzajów:
a) polaryzacyjne, w których jeden okular polaryzuje światło liniowo w pewnej
płaszczyźnie, a drugi w płaszczyźnie prostopadłej;
b) w których każdy okular przepuszcza światło o trzech długościach fali, z których
oko (i mózg) może złożyć dowolny kolor, ale dla każdego z okularów są to inne
długości.
Masz do dyspozycji dwie pary okularów jednego z wymienionych typów oraz źródło
niespolaryzowanego, białego światła. W jaki sposób możesz rozstrzygnąć, z którym
typem okularów masz do czynienia?
Zadanie
-
Dyfrakcja, interferencja stanowią dowody na to, że światło jest falą(jak uważał Huygens).
Zjawisko fotoelektryczne (fotoefekt)
A teraz pokażemy, że światło to strumień cząstek (jak uważał Newton).
Aby elektron mógł opuścić metal należy mudostarczyć pewną minimalną wartość energiiktórą nazywamy pracą wyjścia. Energia tamoże być uzyskana np. poprzez absorpcjęenergii fali elektromagnetycznej. Dla metaliwartość pracy wyjścia wynosi 25,5 eV.
-
Właściwości fotoefektu
h grh
U f fe
Elektrony emitowane są jedynie podwpływem „oświetlenia” falą o często-tliwości większej od pewnej minimalnejzwanej częstotliwością granicznąfotoefektu a odpowiadająca długość falidługofalową (czerwoną) granicąfotoefektu
Dla f > fgr natężenie fotoprądu jestproporcjonalne do wartości natężeniaoświetlenia katody.
-
Równanie Einsteina
Oświetlanie metalu światłem
o energiach fotonów
E=hf > W
umożliwia elektronowi
opuszczenie metalu
k,max
hchf = =W +E
λ
gr
gr
hcW hf
2
max,max
2k h
mvE eU
-
Katoda fotokomórki oświetlana jest wiązką światła laserowego o długości fali 330 nm.
Na wykresie przedstawiono charakterystykę prądowo-napięciową tej fotokomórki.
Korzystając z wykresu oblicz:
a) maksymalną prędkość elektronów emitowanych z katody,
b) pracę wyjścia elektronów z katody fotokomórki,
c) graniczną długość fali,
d) ilość fotonów padających na fotokomórkę w jednostce czasu
(skorzystaj z definicji natężenia I prądu).
Zadanie
-
Dane:
= 330 nm = 3,3·10-7m; dane odczytane z wykresu;
Stałe fizyczne:
Szukane:
a) vmax = ? b) W = ?, c) gr= ? d) n = ?
Rozwiązanie
a)
b)
2 19
maxmax 31
12 2 6
2 2(1,6 10 C) 1V
2 9,1 10 kg
32 J V10 m 1,88 10 m/s.
9,1 V kg
hh
mv eUeU v
m
2
max
34 819 19 19 19
7
2
(6,6 10 Js)(3 10 m/s)1,6 10 C 1V=6 10 J 1,6 10 J=4,4 10 J
3,3 10 m
h h
mvhc hcW W eU W eU
8 19 31 343 10 m/s; 1,6 10 C; 9,1 10 kg; 6,6 10 Js.
.
ec e m h
-
34 87
19
(6,6 10 Js)(3 10 m/s)3 10 m=300nm.
4,4 10 Jgr
gr
hc hcW
W
Definicja elektronowolta:
Stąd:
c)
d)
Stąd:
19 191eV 1,6 10 1V =1,6 10 JC
1919
19
6 10 J1,6 10 1eV =3,75 eV 1eV = 2,75eV.
1,6 10 Ch
hcW eU
max max;Q Ne
I ne I n et t
613 1max
max 19
2,5 10 A1,56 10 s 15,6 bln fotonów/s.
1,6 10 C
In
e
-
Promieniowanie rentgenowskie
min
hc
eU
Istnienie krótkofalowej granicy promieniowania rentgenowskiego, dladanego napięcia przyspieszającego jest jednym z dowodów na to, żepromieniowanie elektromagnetyczne (nie tylko światło widzialne) możnatraktować jako strumień cząstek (kwantów) - fotonów
-
Jeżeli światło czy dowolną falę elektromagnetyczną można
traktować jako strumień cząstek – fotonów, to powinny one
mieć własności cząstek czyli:
oprócz prędkości – c i energii Ef = hf,
również masę - mf i pęd fotonu - pf !?.
Aby rozwiązać ten problem przejdziemy do działu fizyki,
który nazywa się Szczególna Teoria Względności (STW)
- potem wrócimy.
top related