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.