Sylabus přednášky Kmity a vlny. Optika Semestr zimní 4/2 PS, (4 společné konzultace + 2 pracovní semináře po 4 hodinách) z, zk - 7 KB Doporučeno pro 2. rok bakalářského studia. A. Kmity a vlny 1. Volné kmity soustav s jedním stupněm volnosti D. Halliday a kol.: Fyzika 2, s. 410-423. A. Hlavička: Fyzika pro pedagogické fakulty, s. 574 597. Elektromagnetický oscilátor (LC obvod) viz zvláštní studijní text. Periodický pohyb, perioda, frekvence, počáteční fáze, amplituda. Volné kmity, harmonický pohyb - pohybová rovnice a její řešení (podélné kmity, závaží na pružině, matematické kyvadlo, LC obvod). Celková energie netlumených kmitů, vzájemné přeměny kinetické a potenciální energie. 2. Kmity tlumené. Kmity nucené, rezonance (amplitudová a rychlostní). D. Halliday a kol.: Fyzika 2, s. 423-426. A. Hlavička: Fyzika pro pedagogické fakulty, s. 599 602, 620 626. Kvasnica: Mechanika, s. 67-78. Tlumený kmitavý pohyb, aperiodický a mezní aperiodický pohyb. Nucené harmonické kmity, rezonance. 3. Superpozice dvou kmitů téhož směru, rázy, superpozice dvou kolmých kmitů. Fourierova analýza kmitů. Spřažené kmity. A. Hlavička.: Fyzika pro pedagogické fakulty, s. 602 619. Skládání kmitů téhož směru pro různé, stejné a blízké frekvence (rázy). Skládání kolmých kmitů. Fourierova analýza kmitů. Spřažené kmity. 4. Vlnění postupné a stojaté, interference vlnění. D. Halliday a kol.: Fyzika 2, s. 439-444, 448-458. A. Hlavička: Fyzika pro pedagogické fakulty, s. 630 637, 639-648. Postupné vlnění (podélné a příčné), rovnice postupné vlny, vlnová délka, fázová rychlost. Vznik stojatého vlnění, kmitna, uzel, chvění struny, tyče, vzduchového sloupce základní a vyšší harmonické frekvence. 5. Vlnová rovnice, energie postupného vlnění. Fázová a grupová rychlost. D. Halliday a kol.: Fyzika 2, s. 445-448. A. Hlavička: Fyzika pro pedagogické fakulty, s. 638-639, 663-669. P. Malý: Optika, s. 67-70. (V. Pilát: Kmitání a vlnění, s. 147-151.) Odvození vlnové rovnice, vlnoplocha, paprsek, rovinná a kulová vlna. Energie postupné vlny. Rychlost šíření vlnění (odvození pro strunu). Vztah mezi fázovou a grupovou rychlostí, normální a anomální disperze.
6. Huygensův-Fresnelův princip, odraz a lom vlnění. Dopplerův jev. A. Hlavička.: Fyzika pro pedagogické fakulty, s. 649-655, 659-663. Zvláštní studijní text. D. Halliday a kol.: Fyzika 2, s. 479-485. Formulace Huygensova-Fresnelova principu a jeho využití při odvození zákona odrazu a lomu. Dopplerův jev pro zvukovou vlnu - odvození vztahů pro změnu frekvence, Dopplerův jev u světla. B. Základní vlastnosti světla 7. Vývoj názorů na podstatu světla. Světlo jako elektromagnetická vlna. Rovinná harmonická vlna, polarizace. Hustota a tok energie, tlak záření. P. Malý: Optika, s. 11-15, 18-32, 33-35, 41-44. E. Klier: Optika, s. 27-33. B. Klimeš, J. Kracík, A. Ženíšek: Základy fyziky II, s. 280-291. D. Halliday a kol.: Fyzika 4, s. 895-901. Přehled vývoje základních představ o podstatě světla. Popis světla jakožto elektromagnetické vlny, rovinná a kulová vlna, měření rychlosti světla. Rovinná harmonická vlna, její charakteristiky, druhy polarizace. Hustota a tok energie, tlak záření. C. Vlnová optika 8. Superpozice a interference světelných vln, Youngův pokus. E. Klier: Optika, s. 92-97. D. Halliday a kol.: Fyzika 4, s. 953-959. Odvození vztahů pro intenzitu pro případ koherentních a nekoherentních vln. Metody získávání koherentních svazků. Uspořádání Youngova pokusu, odvození interferenčních maxim a minim. 9. Interference na tenké vrstvě (Newtonovy kroužky). Interferometry. Princip holografie. E. Klier: Optika, s. 97-107. D. Halliday a kol.: Fyzika 4, s. 959-967. P. Malý: Optika, s. 80-82, 109-114. Odvození interferenčních maxim a minim pro tenkou vrstvu, vznik Newtonových kroužků (poloměry světlých a tmavých kroužků). Princip holografie (kvalitativně). Interferometry základní typy a užití. 10. Difrakce světla: Fraunhoferova difrakce na štěrbině, dvojštěrbině a mřížce. Fresnelova difrakce na stínítku s kruhovým otvorem. Charakteristiky spektrálních přístrojů. Difrakce na krystalech. P. Malý: Optika, s. 115-120. D. Halliday a kol.: Fyzika 4, s. 978-924. Rozlišení Fraunhoferova a Fresnelova ohybu. Ohyb na štěrbině odvození podmínky pro minimum. Ohyb na dvojštěrbině a na mřížce. Difrakce na kruhovém otvoru. Spektrální přístroje rozlišení. Rentgenová difrakce na krystalech.
D. Geometrická optika 11. Základní zákony geometrické optiky, Fermatův princip. Zobrazení rovinným zrcadlem. Minimální deviace hranolu. E. Klier: Optika, s. 162-168. D. Halliday a kol.: Fyzika 4, s. 921-924. Základní zákony geometrické optiky, Fermatův princip jeho důsledky, odvození zákona odrazu a lomu. Zobrazení rovinným zrcadlem a odraznými hranoly. Hranol lámavý úhel, odvození vztahu pro minimální deviaci hranolu. 12. Ideální zobrazení, kolineace jako model optického zobrazení. Newtonovy a čočkové zobrazovací rovnice. E. Klier: Optika, s. 168-174. B. Klimeš, J. Kracík, A. Ženíšek, s. 422-434. Studijní text na webu. Základní pojmy - hlavní bod a rovina, uzlový bod, ohnisko, ohnisková rovina a ohnisková vzdálenost, příčné a úhlové zvětšení. Kolineace, zobrazovací rovnice (Newtonovy a čočkové). 13. Odraz a lom na kulové ploše, tenká a tlustá čočka. Centrované soustavy. Optické přístroje (lidské oko, lupa, mikroskop, dalekohled). Optické vady. E. Klier: Optika, s. 174-211. D. Halliday a kol.: Fyzika 4, s. 924-940. B. Klimeš, J. Kracík, A. Ženíšek, s. 434-474. Zobrazení sférickým zrcadlem (duté a vypuklé), konstrukce obrazů. Zobrazení tenkými čočkami konstrukce obrazů, optická mohutnost. Otvorová a barevná vada a jejich korekce. Optické přístroje oko a jeho vady, lupa zvětšení lupy, mikroskop jeho části, zvětšení, dalekohledy druhy (Keplerův a Galileův dalekohled, triedr, zrcadlový dalekohled), jejich zvětšení. E. Fotometrie 14. Základní fotometrické pojmy, veličiny a jejich jednotky. Fotometry. E. Svoboda, E.: Přehled středoškolské fyziky, s. 392-395. Z. Horák, F. Krupka: Fyzika, s. 780-790. Fotometrické veličiny zářivý tok, svítivost. osvětlení, jednotky. Princip Bunsenova fotometru. F. Světlo v izotropním prostředí a na rovinném rozhraní dvou prostředí 15. Odraz a lom na rovinném rozhraní, Fresnelovy vzorce a jejich důsledky. Základy vláknové optiky. E. Klier: Optika, s. 34-43. D. Halliday a kol.: Fyzika 4, s. 903-910. P. Malý: Optika, s. 319-324 (vláknová optika). Odraz a lom elektromagnetické vlny na rovinném rozhraní dvou dielektrik - odvození zákona odrazu a lomu. TE a TM vlna, odrazivost, propustnost, důsledky Fresnelových vzorců Brewsterův úhel, úplný odraz. Základy vláknové optiky (kvalitativně).
G. Světlo v anizotropním prostředí 16. Šíření světla anizotropním prostředím, jednoosé a dvojosé krystaly, dvojlom, polarizační zařízení - polarizační hranoly, polaroidy, čtvrtvlnová destička, umělý dvojlom, přirozená a umělá optická aktivita (tekuté krystaly). D. Halliday a kol.: Fyzika 4, s. 901-902. B. Klimeš, J. Kracík, A. Ženíšek, s. 409-421. J. Bajer: Optika 2, s. 227-228. Co je dvojlom, řádný a mimořádný paprsek, optická osa, jednoosý a dvojosý krystal, popis polarizačního přístroje, čtvrtvlnová destička, optická aktivita látek tekuté krystaly. H. Kvantová optika 17. Vlnově-korpuskulární dualismus, fotony, fotoelektrický jev vnější a vnitřní. D. Halliday a kol.: Fyzika 5, s. 1034-1037. B. Klimeš, J. Kracík, A. Ženíšek, s. 483-489. Zvláštní studijní text. Energie kvanta elmg. záření, Planckova konstanta, fotoelektrická emise, fotoelektrický proud u vnějšího fotoefektu, mezní frekvence, Einsteinův vztah pro fotoefekt, výstupní práce, fotonka, koncept fotonu, rozdíl mezi fotonem a elektronem. Vnitřní fotoelektrický jev, využití. 18. Comptonův jev. Teplotní záření a jeho zákony. Záření absolutně černého tělesa. Stimulovaná emise světla, lasery. D. Halliday a kol.: Fyzika 5, s. 1037-1039, 1096-1099. B. Klimeš, J. Kracík, A. Ženíšek, s. 490-493, 475-482. Zvláštní studijní text. Comptonův jev. Absolutně černé těleso, zákony teplotního záření (Stefanův-Boltzmannův zákon, Wienův posunovací zákon, Planckův vyzařovací zákon), pyrometr. Lasery vlastnosti, princip, základní typy laserů a jejich konstrukce. Literatura: 1. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Fyzika 2, 4, 5. VUTIUM PROMETHEUS, Brno 2000. 2. J. Kvasnica a kol.: Mechanika. Academia, Praha 1988. 3. I. G. Main: Kmity a vlny ve fyzice. Academia, Praha 1990. 4. B. Klimeš, J. Kracík, A. Ženíšek: Základy fyziky II. Academia, Praha 1972. 5. A. Štrba: Všeobecná fyzika 3 - Optika. Alfa - SNTL, Bratislava - Praha 1979. 6. E. Klier: Optika. SPN, Praha 1978 (skriptum MFF UK v Praze). 7. A. Hlavička.: Fyzika pro pedagogické fakulty. SPN, Praha, 1971 (1978). 8. P. Malý: Optika. Karolinum, Praha 2008. 9. J. Bajer: Optika 1, 2. Vladimír Chlup - chlup.net, Olomouc, 2018. 10. E. Hejnová: Sbírka úloh k obecné fyzice Kmity a vlny. Optika (elektronický studijní text). PřF UJEP, Ústí nad Labem 2017. Doplňující literatura: 1. V. Pilát: Kmitání a vlnění. SPN, Praha 1973. 2. Z. Horák, F. Krupka: Fyzika. SNTL, Praha 1976, 1981
3. B. E. A. Saleh, M. C. Teich: Fundamentals of Photonics. John Wiley & Sons, New York - Chichester - Brisbane - Toronto - Singapur (český překlad: Základy fotoniky sv. 1-4. MATFYZPRESS, Praha 1994-1996). 4. M. Švec: Aplikovaná optika. CERM, Brno 1995 (skriptum FS VUT v Brně). 5. J. Kučírek: Sbírka úloh z optiky. SPN, Praha, 1977. 6. E. Svoboda, E.: Přehled středoškolské fyziky. Prometheus, Praha, 2001.