PLAN WYKŁADU

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.

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/PodstawyFotonikiM.Karpierz, „Podstawy fotoniki”, Lecture Notes, Centrum Studiów Zaawansowanych Politechniki Warszawskiej 2009.

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 kierunkumielibyśmy f(x,t)=f(x+vt)

• 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 - początki

Fale elektromagnetyczne

x

�⃗�

�⃗�

�⃗�

• 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 s

m8103

• 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.

– W tym momencie natężenie wynosi zero i nie ma energii w cewce indukcyjnej.


S

C L

Qmax

+

-

• 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.


• Cewka indukcyjna jest połączona z dwiema dużymi kulami tworząc kondensator

• Oscylacje są inicjowane przez krótkie impulsy napięcia• Induktor i kondensator tworzą nadajnik

Układ eksperymentalny Hertza

Wejście

Cewka indukcyjna

Nadajnik

Odbiornik

• Kiedy częstotliwość rezonansu nadajnika i odbiornika są zgodne, zachodzi między nimi transfer energii

• 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

Wnioski Hertza

• 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

Fale EM emitowane przez antenę

• 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

EM waves emitted by antenna

• 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.


•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.


28

• cząstka (foton) - Isaac Newton (1642-1727)• fala EM - Huygens (1629-1695)

Fresnel (1788-1827) • dualizm - dualizm korpuskularno-falowy, De Broglie (1924)

Model falowy - teoria elektromagnetyzmu Model fotonowy - elektrodynamika kwantowa

Światło – fala elektromagnetyczna czy cząstka?

• 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).


Wavelength [nm]

Nor

mal

ised

inte

nsity

[a.

u.]


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.

Documents

PLAN WYKŁADU