F3060 Kmity, vlny, optika

Přírodovědecká fakulta
podzim 2016
Rozsah
4/2/0. 6 kr. (plus 2 za zk). Ukončení: zk.
Vyučující
prof. RNDr. Josef Humlíček, CSc. (přednášející)
Mgr. Jan Dvořák (cvičící)
Mgr. Juraj Rusnačko (cvičící)
Garance
prof. RNDr. Josef Humlíček, CSc.
Ústav fyziky kondenzovaných látek - Fyzikální sekce - Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: prof. RNDr. Josef Humlíček, CSc.
Dodavatelské pracoviště: Ústav fyziky kondenzovaných látek - Fyzikální sekce - Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Po 19. 9. až Ne 18. 12. Po 15:00–16:50 F2,02012, St 7:00–8:50 F2,02012
  • Rozvrh seminárních/paralelních skupin:
F3060/01: Po 19. 9. až Ne 18. 12. Pá 10:00–11:50 F3,03015
Předpoklady
F1030 Mechanika a molekulová fyzika && F2050 Elektřina a magnetismus
Znalosti z mechaniky, elektřiny a magnetismu v rozsahu výuky obecné fyziky; znalost matematické analýzy funkcí jedné proměnné.
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
Jedná se o v pořadí třetí přednášku kurzu obecné fyziky pro studenty odborné i učitelské fyziky. Popis kmitů a vlnění fyzikálních soustav jde napříč standardnímu dělení fyzikálních disciplín a obsahuje partie z mechaniky, elektřiny a magnetismu a malým dílem také z fyziky mikrosvěta. Optika je pak samostatnější disciplinou navazující na obecné zákonitosti vlnění.

Hlavními cíly této přednášky základního kurzu fyziky jsou v rámci přednesených témata získat schopnost
- formulovat fyzikální podstatu problému a ovládat její matematické výjádření
- navrhnout aproximativní řešení blízké experimentální skutečnosti
- reprodukovat významné aplikace a vysvětlit příslušné demonstrační pokusy.
Osnova
  • I. KMITY Harmonický oscilátor: periodický pohyb, výchylka, frekvence, amplituda, fáze, vratná síla, energie. Kyvadlo: malé kmity matematického kyvadla, rozměrová analýza, fyzické kyvadlo. Tlumené kmity: disipace energie, pokles amplitudy, pohybová rovnice. Vynucené kmity: periodicky působící vnější síla, pohybová rovnice, posun fáze, použití komplexních čísel a funkcí, rezonance, parametrická rezonance, rezonance v obvodu RLC. Vázané harmonické oscilátory: řešení pohybových rovnic, slabá vazba, frekvence symetrického a antisymetrického módu, přenos energie. Lineární systémy: lineární operátory, lineární kombinace řešení homogenních rovnic, řešení nehomogenních rovnic, superpozice. Akustika. II. VLNY Vlnění: postupná harmonická vlna, zvuková vlna v plynu, vlnová rovnice. Podélné a příčné vlnění struny: frekvence, vlnová délka, vlnočet, stojatá vlna, přenos energie. Superpozice, interference, grupová rychlost, vlny na hladině kapaliny. Dopplerův jev. Tlumená harmonická vlna, rovinná a kulová vlna. III. Optika Světlo - elektromagnetické vlnění: základní charakteristiky, optické obory frekvencí, generace a detekce světla, hustota a tok energie. Polarizace světla: směrové působení, superpozice, Jonesovy vektory a matice. Index lomu: lineární odezva, permitivita a vodivost, index lomu, fenomenologické modely, práce elektrické síly. Odraz a lom na rozhraní: Snellův zákon, Fresnelovy amplitudy, intenzita, vlnovody. Geometrická optika: použitelnost, zrcadla, čočky, zobrazení, maticový popis paraxiálních paprsků. Optické přístroje: kamera obskura, lupa, mikroskop, dalekohled, vady čoček, objektivy, optická litografie. Barevné vidění: objektivní a subjektivní určení barvy, barevný prostor, fotometrie a radiometrie. Interference: Fabry-Perotův interferometr, tenké vrstvy a antireflexní pokrytí, dvojštěrbina. Koherence světla: koherenční doba a délka, korelační funkce, intenzitní interferometrie. Difrakce: eikonál, přibližná řešení, Huyghensův princip, neurčitost. Vlnově-částicový dualismus.
Literatura
  • J.Peatross, M.Ware: Physics of Light and Optics http://optics.byu.edu/BYUOpticsBook.pdf
  • HECHT, Eugene. Optics. 4th ed. San Francisco: Addison Wesley, 2002. vi, 698. ISBN 0321188780. info
  • MAIN, Iain G. Kmity a vlny ve fyzice. Translated by Josef Preinhaelter. [Vyd. 1.]. Praha: Academia, 1990. 346 s. ISBN 8020002723. info
  • HALLIDAY, David, Robert RESNICK a Jearl WALKER. Fyzika. 1. vyd. Brno, Praha: Vutium, Prometheus, 2001. ISBN 80-214-1868-0. info
  • FEYNMAN, Richard P., Robert B. LEIGHTON a Matthew SANDS. Feynmanove prednášky z fyziky 2. 2. vyd. Bratislava: Alfa, 1985. 488 s. info
Výukové metody
Součástí předmětu je přednáška, obsahující demonstrační předvedení klíčových experimentů (v IS jsou vystaveny elektronické materiály pro podporu výuky) a povinné cvičení, na kterém jsou řešeny konkrétní úlohy podle témat přednášek. Součástí cvičení je zadání balíku zápočtových příkladů a dva písemné testy.
Metody hodnocení
Pro přihlášení ke zkoušce je třeba úspěšně absolvovat oba testy ve cvičení a odevzdat vypracované zápočtové příklady. Po dohodě s vyučujícím může být omluvená neúčast na cvičení nahrazena balíkem příkladů. Zkouška probíhá písemnou formou (2 hodiny) a následným ústním pohovorem.
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je dovoleno ukončit i mimo zkouškové období.
Předmět je vyučován každoročně.
Nachází se v prerekvizitách jiných předmětů
Předmět je zařazen také v obdobích podzim 2007 - akreditace, podzim 1999, podzim 2010 - akreditace, podzim 2000, podzim 2001, podzim 2002, podzim 2003, podzim 2004, podzim 2005, podzim 2006, podzim 2007, podzim 2008, podzim 2009, podzim 2010, podzim 2011, podzim 2011 - akreditace, jaro 2012 - akreditace, podzim 2012, podzim 2013, podzim 2014, podzim 2015, podzim 2017, podzim 2018, podzim 2019, podzim 2020.