W-01 - Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej

Report
Przedmiot
FIZYKA II
MEiL
ZNK319
Poziom studiów: niestacjonarne II stopnia w języku polskim
Prowadzący: dr inż. Cezariusz Jastrzębski, Gmach Fizyki p.136 lub p.3b
Kryteria oceny: kolokwium zaliczeniowe
Bibliografia:
D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, „Podstawy fizyki”, tom 4, PWN, Warszawa 2003.
Materiały na stronie
http://efizyka.if.pw.edu.pl/twiki/bin/view/Efizyka/PodstawyFotoniki
M.Karpierz, „Podstawy fotoniki”, Lecture Notes, Centrum Studiów Zaawansowanych
Politechniki Warszawskiej 2009.
PLAN WYKŁADU
Fale elektromagnetyczne. Fale monochromatyczne. Równania Maxwella. Widmo
fal elektromagnetycznych. Widzenie światła. Energia i pęd fali.
Interferencja. Nakładanie się fal. Przykłady interferometrów. Spójność czasowa i
przestrzenna. Koherentna tomografia optyczna. Interferencja w cienkich
warstwach. Kryształy fotonowe.
Dyfrakcja. Ugięcie fal w ujęciu Huygensa-Fresnela i Younga-Rubinowicza.
Dyfrakcja Fresnela i Fraunhofera. Siatki i przesłony dyfrakcyjne. Zdolność
rozdzielcza. Strefy Fresnela. Optyka fourierowska. Optyczne metody poprawiania
obrazu. Holografia.
Rozchodzenia się światła w ośrodkach materialnych. Współczynnik załamania.
Załamanie i odbicie fal na granicy ośrodków. Całkowite wewnętrzne odbicie. Zjawisko
tunelowe. Dyspersja. Model Lorentza. Prędkość rozchodzenia się impulsów.
Prędkości "nadświetlne". Rozpraszanie.
Ujemne załamanie. Supersoczewka. Ukrywanie obiektów. Metamateriały.
Oddziaływanie światła z metalami. Model Drudego. Właściwości dyspersyjne
kryształów fotonowych.
Dwójłomność optyczna. Polaryzacja światła. Polaryzacja światła przez odbicie.
Ośrodki anizotropowe. Promienie zwyczajny i nadzwyczajne. Zjawiska elektro-,
magneto-, i elastooptyczne. Budowa i właściwości ciekłych kryształów. Displeje
ciekłokrystaliczne. Kryptografia kwantowa.
Źródła i detektory światła. Oddziaływanie światła z materią. Absorpcja i emisja.
Zasada działania i budowa laserów. Półprzewodnikowe elementy optoelektroniczne.
Nieliniowość optyczna. Mechanizmy nieliniowości. Zjawiska optyki nieliniowej:
generacje częstotliwości, wzmacnianie parametryczne, samoogniskowanie, solitony
optyczne. Generacja superkontinuum.
Światłowody. Budowa i właściwości światłowodów. Rodzaje światłowodów i metody
ich wytwarzania. Elementy światłowodowe. Telekomunikacja światłowodowa. Czujniki
światłowodowe. Światłowody fotoniczne.
FALE
Równanie falowe
Zaburzenie przemieszcza się z punktu O do O' bez zmiany
kształtu.
dla t=0 f(x,t) = f(x)
dla dowolnej chwili t, f(x,t)=f(x-vt)
gdyby zaburzenie poruszało się w przeciwnym kierunku
mielibyśmy f(x,t)=f(x+vt)
Fale elektromagnetyczne początki
•
•
•
W 1865 James Clerk Maxwell stworzył
teorię matematyczną, która łączyła
elektryczność i magnetyzm,
Wyjaśniała istniejące eksperymenty przy
pomocy elektromagnetyzmu,
… i stworzyła nowe perspektywy.
Fale elektromagnetyczne
• Fale EM to fale, które nie wymagają materii do transportu energii.
• Fale EM w przeciwieństwie do dźwięku i fal wodnych, nie wymagają ośrodka.
• Fale EM mogą przemieszczać się w próżni.
• Wszystkie fale EM podróżują z prędkością
3 10 8
m
s


x

Fale elektromagnetyczne odkrycie
•
•
•
Fale EM przepowiedziane przez
Maxwella zostały odkryte w 1887r.
przez Heinricha Hertza.
Zastosował on obwód LC z
alternatywnym źródłem.
Jego odkrycie zostało wykorzystane
przez Marconiego (Radio)
Fale elektromagnetyczne odkrycie
•
•
•
Podstawowy obwód LC Hertz’a
Kiedy przełącznik jest zamknięty,
oscylacje zachodzą w natężeniu prądu
i w ładunku na kondensatorze.
Kiedy kondensator jest naładowany,
całkowita energia obwodu jest
magazynowana w polu elektrycznym
kondensatora.
+
-
L
C
Qmax
– W tym momencie natężenie wynosi zero
i nie ma energii w cewce indukcyjnej.
S
Fale elektromagnetyczne odkrycie
•
•
•
•
•
•
Gdy kondensator rozładowuje się, zmniejsza się energia zmagazynowana w
polu elektrycznym.
W tym samym czasie, rośnie natężenie i zwiększa się energia
zmagazynowana w polu magnetycznym.
Kiedy kondensator rozładuje się całkowicie, w jego polu elektrycznym nie ma
energii.
Natężenie osiąga wartość maksymalną i cała energia jest zmagazynowana w
polu magnetycznym cewki indukcyjnej.
Proces zachodzi ponownie w przeciwnym kierunku.
Zachodzi ciągły transfer energii pomiędzy cewce indukcyjnej a
kondensatorem.
Układ eksperymentalny Hertza
•
•
•
Cewka indukcyjna jest połączona z dwiema dużymi kulami tworząc
kondensator
Oscylacje są inicjowane przez krótkie impulsy napięcia
Induktor i kondensator tworzą nadajnik
Wejście
Nadajnik
Cewka indukcyjna
Odbiornik
• Kiedy częstotliwość rezonansu
nadajnika i odbiornika są zgodne,
zachodzi między nimi transfer energii
Wnioski Hertza
•
Hertz wysnuł hipotezę, że transfer energii był w formie fal
•
•
Hertz potwierdził teorię Maxwella poprzez udowodnienie istnienia fal
posiadających wszystkie właściwości fal świetlnych
•
•
Miały inne częstotliwości i długości fal
Hertz zmierzył prędkość fal wychodzących z nadajnika
•
•
Teraz te fale są znane jako fale elektromagnetyczne
Użył fal by utworzyć prążki interferencyjne i obliczył długość fali, z v = f λ,
obliczono v (bardzo bliskie prędkości światła)
To dostarczyło dowody na poparcie teorii Maxwella
Fale EM emitowane przez antenę
•
Kiedy naładowana cząstka ulega przyspieszeniu musi wydzielać energię
•
•
•
Jeśli prądy w obwodach ac zmieniają się gwałtownie część energii jest tracona w formie
fal EM
Fale EM są generowane przez każdy obwód prowadzący prąd zmienny
Prąd zmienny przyłożony do kabli anteny wymusza ładunek elektryczny w antenie
w celu oscylacji
EM waves emitted by antenna
•
•
Because the oscillating charges in the rod
produce a current, there is also a
magnetic field generated
As the current changes, the magnetic field
spreads out from the antenna
Fale elektromagnetyczne
•
•
•
Linie pola elektrycznego ładunku punktowego oscylują w prostym ruchu
harmonicznym (podczas jednego okresu T).
Strzałka pokazuje jedno zagięcie linii pola elektrycznego w trakcie jego propagacji z
ładunku punktowego.
Ich pole magnetyczne (nie pokazane na rysunkach) składa się z kół, które leżą w
płaszczyznach prostopadłych do tych figur, i ponadto tworzą okręgi koncentryczne z
osią oscylacji.
Fale elektromagnetyczne
•Światło widzialne 400 - 700 nm – jedyna forma fali elektromagnetycznej
widzialna dla ludzkiego oka.
•Ultrafiolet – powoduje ciemnienie naszej skóry(opalenizna), a w skrajnym przypadku
powoduje jej uszkodzenie. Warstwa ozonowa chroni nas przed większością
promieniowania UV pochodzącego ze Słońca.
•Promieniowanie X – te fale EM przechodzą przez większość materii. Nie przechodzą
jednak przez kości, co pozwala stwierdzić czy kość jest złamana.
•Promieniowanie Gamma – te fale EM są bardzo przenikliwe i mogą doprowadzić do
poważnego uszkodzenia komórek.
•Podczerwone – te fale są odpowiedzialne za odczuwane przez nas ciepło. Pociski
wyposażone w sprzęt do wykrywania ciepła są w stanie wykryć źródła podczerwieni tj.
czołgi czy samoloty.
•Mikrofale – te fale są używane domyślnie do podgrzewania jedzenia. Kiedy
przechodzą one przez jedzenie, powodują wibrację cząstek co skutkuje ogrzaniem
pożywienia. Mikrofale są również używane w komunikacji.
•Fale radiowe – te fale zawierają w sobie zarówno fale telewizyjne jak i radiowe.
Transmitowane sygnały są przechwytywane przez urządzenia wyposażone w anteny.
Światło – fala elektromagnetyczna
czy cząstka?
• cząstka (foton)
• fala EM
• dualizm
- Isaac Newton (1642-1727)
- Huygens (1629-1695)
Fresnel (1788-1827)
- dualizm korpuskularno-falowy, De Broglie (1924)
Model falowy
- teoria elektromagnetyzmu
Model fotonowy - elektrodynamika kwantowa
28
Eyes – natural EM detectors
•
The retina contains two major types of
light-sensitive photoreceptor cells used
for vision: the rods and the cones.
Eyes – natural EM detectors
•
Rods
• cannot distinguish colours,
• responsible for low-light, monochrome (black&white)
vision,
• they work well in dim light as they contain a pigment
(but saturates at higher intensities).
•
Cones
– function best in relatively bright light,
– less sensitive to light than the rod cells,
– allow the perception of color.
– Are also able to perceive finer detail and more rapid
changes in images (response times to stimuli are faster
than those of rods),
– We have three kinds of cones with different response
curves and thus respond to variation in color in different
ways (trichromatic vision).
Normalised intensity [a.u.]
Eyes – natural EM detectors
Wavelength [nm]
Ćwiczenie: dobór soczewek do wady oka. Oko widzi wyraźnie (przy rozluźnionych
mięśniach gałki ocznej) z odległości 30cm. Jakie okulary (o jakiej zdolności skupiającej)
należy dobrać aby oko widziało wyraźnie z odległości 25cm.

similar documents