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

𝑘 𝐸 x 𝐵

• • •

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.

+ C Q max – W tym momencie natężenie wynosi zero i nie ma energii w cewce indukcyjnej. S L

• • • • • •

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 Odbiornik Cewka indukcyjna • 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 • Teraz te fale są znane jako fale elektromagnetyczne 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 • 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 Model fotonowy

- teoria elektromagnetyzmu - 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).

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.