OBECNÁ FYZIKA III (KMITY, VLNY, OPTIKA), FSI-TF-3

Transkript

1 OBECNÁ FYZIKA III (KMITY, VLNY, OPTIKA), FSI-TF-3 GARANT PEDMTU: Prof. RNDr. Jií Petráek, Dr. (ÚFI) VYUUJÍCÍ PEDMTU: Prof. RNDr. Jií Petráek, Dr. (ÚFI), CSc., Mgr. Vlastimil Kápek, Ph.D. (ÚFI) JAZYK VÝUKY: eština TYP A ROZSAH VÝUKY: 3 hodiny pednášek a 2 hodiny cviení týdn ZPSOBY HODNOCENÍ: zápoet a (písemná a ústní) zkouška PREREKVIZITY: a) Obecná fyzika I (Mechanika a molekulová fyzika) b) Obecná fyzika II (Elektina a magnetismus) c) Matematika I, Matematika II VÝSTUPY VÝUKY A KOMPETENCE: Základní znalosti o fyzikálním popisu periodických dj, vlnní a optice a matematickém aparátu zde používaném. Porozumní obecných souvislosti tchto jev v rzných oblastech fyziky. Schopnost samostatn ešit jednodušší problémy. ANOTACE: Pedmt popisuje fyzikální jevy jako je periodický pohyb, kmity a vlny v rzných oblastech, nap. v mechanice, akustice, elektin a pedevším v optice. Vychází se z jednoduchých modelových systém a postupuje se ke složitjším problémm. Draz je také kladen na pochopení vzájemných souvislostí studované problematiky ve zmínných oblastech fyziky. Osnova pokrývá všechny základní kapitoly obvyklého univerzitního kurzu: Harmonický oscilátor, tlumený oscilátor, vynucené kmity a resonance; skládání harmonických kmit, harmonická analýza, Fourierova transformace, lineární systémy; vlny na strun, zvukové vlny, elektromagnetické vlny; geometrická optika, interference, difrakce. Lekce I - Kmity PODROBNÝ OBSAH PEDMTU ást 1. Harmonický oscilátor, píklady harmonických kmit Píklady periodického pohybu v pírod Harmonický oscilátor o kvalitativní popis o pohybová rovnice a její ešení o rzná vyjádení ešení pohybové rovnice, použití poáteních podmínek o energie harmonického oscilátoru Torzní kyvadlo Matematické kyvadlo

2 Fyzické kyvadlo Akustické kmity Elektromagnetické kmity v LC obvodu, elektro-mechanická analogie Plazmové kmity Harmonické kmity a rovnomrný kruhový pohyb, znázornní v komplexní rovin, fázory ást 2. Tlumený oscilátor, vynucené kmity a resonance. Mechanický model tlumeného oscilátoru Tlumené elektromagnetické kmity v RLC obvodu Obecné ešení pohybové rovnice tlumeného oscilátoru, rozbor a klasifikace ešení o aperiodický pohyb o mezní aperiodický pohyb o tlumený harmonický kmit Energie slab tlumeného oscilátoru Ztrátový výkon a initel kvality Mechanický a elektromagnetický model vynucených kmit ešení pohybové rovnice vynucených kmit Rozbor vlastností ešení v ustáleném stavu, amplituda a fáze Rezonance Rezonance v rzných fyzikálních systémech o torzní kmity hídele o krouživé kmity hídele o sériový RLC obvod initel kvality jako faktor zesílení Výkon budící síly a ztrátový výkon, šíka pásma a initel kvality ást 3. Skládání harmonických kmit Skládání dvou stejnosmrných harmonických kmit o stejné frekvence o stejné amplitudy, záznje Skládání dvou vzájemn kolmých kmit Konstruktivní a destruktivní superpozice ást 4. Harmonická analýza, Fourierova transformace, lineární systémy Harmonická analýza, Fourierova ada a její základní vlastnosti Fourierova transformace a její základní vlastnosti Lineární systémy Nucený harmonický oscilátor jako lineární systém Jak najít odezvu lineárního systému na libovolný signál? ást 5. Vázané oscilátory Mechanický model dvou vázaných oscilátor o kvalitativní rozbor pohybu, využití symetrie, normální mody o obecný postup ešení pohybové rovnice N vázaných oscilátor o ešení pohybové rovnice pro nekonený poet oscilátor, postupná vlna, disperzní vztah

3 Lekce II - Vlny o píné a podélné kmity jednoatomových mížek (kvalitativn) o ešení pohybové rovnice pro konený poet oscilátor o stojatá vlna, normální mody ást 1. Základní vlastnosti vlnní, vlny na strun Mechanický model vln Postupné vlny Píné a podélné vlny Vlny v pírod Sinusové (harmonické) postupné vlny Vlnová rovnice pro vlny na strun Vlnová rovnice a postupné vlny, rovnice postupných vln Princip superpozice Odraz na pevném a volném konci Interference vln na strun Stojaté vlny na strun Stojaté vlny konené struny, vlastní kmity (mody), rezonance Charakteristická impedance (struna jako nucený oscilátor) Postupná vlna a penos energie Vlny na rozhraní dvou strun o hraniní podmínky o odraz a prchod rozhraním ást 2. Disperze a grupová rychlost Disperzní a bezdisperzní vlny Pulz (vlnový balík) a jeho šíení Grupová rychlost ást 3. Zvukové vlny v plynech Akustický tlak a posunutí Odvození vlnové rovnice, rychlost zvuku Trojrozmrné vlny o rovinná vlna o kulová vlna Harmonická zvuková vlna o výchylka a tlak o výkon a intenzita o hladina intenzity zvuku o zmna intenzity se vzdáleností Stojaté vlny v trubici Zdroje hudebního zvuku Interference vln ze 2 bodových zdroj Vlny a ástice, dvojštrbinový experiment Dopplerv jev Nadzvukové rychlosti, rázové vlny

4 Lekce III - Optika ást 1. Elektromagnetické vlny Maxwellovy rovnice ešení Maxwellových rovnic pro elektromagnetické (EM) vlny ve vakuu, vektorové vlnové rovnice, rychlost svtla Rovinná monochromatická vlna ve vakuu Hustota energie Poyntingv vektor a intenzita EM vlny v látkovém prostedí (dielektriku) o pohled dovnit dielektrika o indukované dipóly o klasický model interakce EM vlny s atomem o index lomu o rovinná vlna v prostedí s komplexním indexem lomu o absorpce a disperse o EM vlny v kovu Rovinná vlna, paprsek, svazek Tlak záení Polarizace o polarizované a nepolarizované svtlo o metody polarizace svtla a mení polarizace o polarizaní elipsa Odraz a lom svtla na rozhraní dvou prostedí o zákony odrazu a lomu o chromatická disperze, duha o Fresnelovy vztahy pro amplitudové odrazivosti a propustnosti o úplný odraz, mezní úhel o evanescentní vlna o Brewstrv úhel, polarizace odrazem ást 2. Geometrická optika Obrazy Rovinné zrcadlo Kulové zrcadlo Kulový lámavý povrch Tenká oka Jednoduché optické pístroje o lupa o mikroskop o dalekohled Vady a rozlišovací schopnost Lidské oko ást 3. Interference Dvojštrbinový experiment (Youngv pokus) Zpsoby zmny fázového rozdílu mezi dvma vlnami

5 Interference na tenké vrstv o dvojpaprsková interference, Newtonovy kroužky, antireflexní vrstvy o mnohapaprsková interference Fabryv-Perotv rezonátor o spektrální odezva o spektrální analyzátor o vlny uvnit rezonátoru asová koherence o interference a asová koherence o asová a prostorová koherence Michelsonv interferometr Interference v pírod ást 4. Difrakce Huygensv princip Zákony odrazu a lomu a Huygensv princip Difrakce na štrbin Amplituda difraktované vlny a Fourierova transformace amplitudové propustnosti Difrakce na kruhovém otvoru Rozlišení, Rayleighovo kritérium Difrakce na dvojštrbin Difrakní mížky o pološíka áry o mížkový spektroskop o disperze a rozlišovací schopnost Rentgenová difrakce, Braggv zákon Difrakce elektron Elektrony a de Broglieho vlny Difrakní integrál o Fresnelova a Fraunhoferova difrakce o Rozklad do rovinných vln o Fresnelv-Kirchhoffv difrakní integrál o Fraunhoferova aproximace Cviení 1. téma: Lineární harmonický oscilátor, pohybová rovnice a její ešení 2. téma: Tlumené kmity. Nucené kmity a rezonance. Skládání kmit 3. téma: Fourierovy ady 4. téma: Vázané oscilátory 5. téma: Vlny na strun 6. téma: Zvukové vlny 7. téma: Monochromatická EM vlna, polarizace, odraz a lom 8. téma: Geometrická optika 9. téma: Interference svtla 10. téma: Difrakce svtla

6 ZÁKLADNÍ LITERATURA: D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Fyzika. (2. pepracované vydání.) VUTIUM, Brno I. G. Main: Kmity a vlny ve fyzice. Academia, J. Kvasnica: Matematický aparát fyziky. Academia, DALŠÍ DOPORUENÁ LITERATURA: H. J. Pain: The physics of vibrations and waves. Wiley, R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands: Feynmanovy pednášky z fyziky. FRAGMENT, Praha 2000.