Zagadnienia na egzamin ustny z Fizyki semestr II Politechnika Śląska w Gliwicach, Fizyka Opracowanie
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->Zagadnienia na egzamin ustny z Fizyki1. Energia fal elektromagnetycznych. Wektor Poyntinga.Podstawową właściwością fal jest transport energii. Gęstość strumienia energiij niesionej przez falę można obliczyć mnożąc objętościową gęstość energii w faliω przez prędkość fazową faliv.W wypadku fal elektromagnetycznych objętościową gęstość energii związanej z faląjest równa sumie gęstości energii pola elektrycznego i magnetycznego.Wektory E i H są do siebie prostopadłe i prostopadłe do kierunku rozchodzenia sięfali.W przypadku fal elektromagnetycznych przyjęto oznaczyć wektor gęstości strumieniaenergii przez S i nazwaćwektorem Poyntinga.Charakteryzując transport energii przez falę posługiwaliśmy się jeszcze jednąwielkością – natężeniem fali. Natężenie fali jest średnią w czasie wartością gęstościstrumienia energii.2. Oddziaływanie fal elektromagnetycznych z materią. Dyspersja.Fala elektromagnetyczna rozchodząca się w ośrodku jest związana z wytworzeniemzmiennego pola elektrycznego i magnetycznego. Pola te będą powodowałypolaryzację elektryczną i magnesowanie ośrodka.Okazuje się, że siła działająca ze strony pola magnetycznego FMma się tak do siłydziałającej ze strony pola elektrycznego FE, jak prędkość elektronuudo prędkości falielektromagnetycznejv.Dla elektronu w atomach stosunek, więc przyrozpatrywaniu oddziaływania fal elektromagnetycznych z materią siłę działającąze strony pola magnetycznego można zaniedbać i założyć, że przy przejściu przezośrodek fali elektromagnetycznej o częstości ω na każdy elektron działa siłaSiła ta będzie powodowała przesuwanie elektronów z położeń równowagi czylipolaryzację elektronową.Prędkość fazowa fali elektromagnetycznej w ośrodku jest określona wzoremDla większości materiałów.Z przedstawionego rozumowania wynika, że przenikalność elektryczna ośrodka,a również prędkość fazowa fali elektromagnetycznej w ośrodku zależy od częstościfali. Zjawisko polegające na zależności prędkości fazowej od częstości fali nosi nazwędyspersjiDyspersja normalna: prędkość falivmaleje z wzrostem ω (Dyspersja anormalna: prędkość fali rośnie wraz ze wzrostem ω ())Obszary dyspersji anormalnej charakteryzuje dodatkowo silne tłumienie fali, związanez efektywnym przekazywaniem energii fali elektronom przy częstościachrezonansowych.3. Prędkość grupowa. Modulacja fal.Zgodnie z twierdzeniem Fouriera może być przedstawiony w postaci nieskończonejsumy fal monochromatycznych o różnych częstościach, amplitudach i fazachpoczątkowych. Fale te tworzą tak zwanąpaczkę falową.Jeżeli w ośrodku, w którympropaguje się paczka falowa zachodzi dyspersja, to fale tworzące paczkę będą sięrozchodziły z różnymi prędkościami. Fale te będą również tłumione.Prędkość grupowa jest to prędkość z jaką przesuwa się punkt paczki o najwyższejamplitudzie. Prędkość grupowa jest zarazem prędkością rozchodzenia się informacjii energii.Ogólnie możemy stwierdzić, że aby przekazać za pomocą fali informację należyzmieniać któryś z parametrów fali zgodnie z zadaną zależnością czasową. Zmianadowolnego parametru fali zgodnie z określoną zależnością czasową nosi nazwęmodulacji fali.Parametrami charakteryzującymi falę są: amplituda, częstotliwość i faza.Każdy z nich może być funkcją czasu – może podlegać modulacji. Jeżeli zmianieulega amplituda mamy do czynienia z modulacją amplitudy AM, jeżeli fazy -z modulacją fazy PM, jeżeli częstotliwość – z modulacją częstotliwości FM.4. Fale świetlne. Fala świetlna na granicy dwóch ośrodków.Fale elektromagnetyczne o częstotliwościach z przedziału (0,39 0,75)Hz sąrejestrowane przez oko ludzkie – są to fale świetlne. Prędkość rozchodzenia się faliświetlnej, tak jak i każdej innej fali elektromagnetycznej, jest określonawłaściwościami elektrycznymi i magnetycznymi ośrodka, ze wzoremNiech płaska fala elektromagnetyczna pada na granicę dwóch jednorodnych,izolowanych dielektryków, których przenikalności elektryczne wynoszą odpowiednioε1i ε2. Z doświadczenia wiadomo, że w ogólnym przypadku część fali padającejodbije się na granicy ośrodków, a część przejdzie przez tę granicę. Powstanie falaodbita i załamana.Aby znaleźć warunek, jaki muszą spełnić natężenia pól elektrycznych na granicydielektryków skorzystajmy z równania MaxwellaCzęstość fali padającej, odbitej i załamanej jest taka sama. Odbicie i załamanie fali niepowoduje zmiany częstości.Uwzględniając, że ω=ω’’ otrzymujemy związek pomiędzy kątem padania i kątemzałamaniaOstatni związek może być również wyrażony poprzez współczynniki załamaniaświatła w rozpatrywanych ośrodkachOtrzymaliśmy prawa opisujące zachowania się fali padającej na granicę dwóchośrodków. Wynika z nich, że kąt odbicia jest równy kątowi padania oraz, że stosuneksinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest dla danych ośrodków stałyi określony stosunkiem prędkości fali w tych ośrodkach.5. Optyka geometryczna. Prawa optyki geometrycznej. Zasada Fermata.Długości fal świetlnych zawierają się w przedziale (0,4 0,7) μm. W wieluprzypadkach można przyjąć, że w porównaniu z rozmiarami obiektów, które światłospotyka na swojej drodze, długość fal świetlnych λ0.Przy takim założeniu prawaopisujące rozchodzenie się światła formułowane są na gruncie geometrii. Dział optykioparty na geometrycznym opisie rozchodzenia się światła nosi nazwęoptykigeometrycznej.Podstawę optyki geometrycznej stanowią cztery prawa:-prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła:w ośrodku jednorodnym światło rozchodzi się po liniach prostychliniete topromień świetlny-prawo niezależności promieni świetlnych:promienie świetlne przy przecięciu nie wpływają wzajemnie na siebie-prawo odbicia światła:Promień padający, promień odbity i normalna wystawiona w punkcie padaniależą w tej samej płaszczyźnie, a kąt odbicia jest równy kątowi padania,-prawo załamania światła:Promień padający, promień załamany i normalna wystawiona w punkcie padaniależą w tej samej płaszczyźnie, a kąt padania α i kąt załamania α’’ są powiązanezależnościągdziev1iv2– odpowiednio prędkość światła w ośrodku, z którego światło padai do którego się załamujeZasada Fermata–promień świetlny biegnie po takiej drodze, której czas przejściajest ekstremalny (najkrótszy lub najdłuższy lub taki sam dla wszystkichpromieni.lopt=nlgeomZasada fermata sformułowana z wykorzystaniem pojęcia drogi optycznej–promieńświetlny biegnie tak, aby jego droga optyczna była ekstremalna lub taka samadla wszystkich promieni. [ Pobierz całość w formacie PDF ]