OPTICS AND STRUCTURE OF MATTER Field of study: Geophysics
Programme code: 04-S1GZ12.2017

Module name: OPTICS AND STRUCTURE OF MATTER
Module code: 04-GZ-S1-GF011
Programme code: 04-S1GZ12.2017
Semester: winter semester 2018/2019
Language of instruction: Polish
Form of verification: exam
ECTS credits: 5
Description:
Podczas wykładu student zapoznaje się z następującymi zagadnieniami: 1. Metody rozwiązywania jednorodnych i niejednorodnych równań różniczkowych liniowych drugiego rzędu o stałych współczynnikach. Mechaniczne oscylatory harmoniczne - wyprowadzanie i rozwiązywanie równań różniczkowych. 2. Drgania anharmoniczne. 3. Drgania układu elektrycznego LC – opis matematyczny. 4. Ciało połączone z jedną lub dwiema sprężynami jako swobodny oscylator harmoniczny. Wyprowadzenie i rozwiązanie równania różniczkowego. Wykres zależności czasowej przemieszczenia, prędkości i przyspieszenia. 5. Poprzeczne swobodne drgania harmoniczne układów mechanicznych o jednym stopniu swobody. Wyprowadzenie i rozwiązanie równania różniczkowego. Przybliżenie małej długości swobodnej sprężyny i przybliżenie małych drgań. 6. Podłużne i poprzeczne swobodne drgania harmoniczne układów mechanicznych o dwóch stopniach swobody. Metoda rozwiązywania układu równań różniczkowych. Postaci i częstości własne drgań. 7. Dudnienia i krzywe Lissajous. 8. Poprzeczne drgania harmoniczne układu o wielu stopniach swobody a fale stojące w strunie ciągłej. 9. Wyprowadzenie klasycznego równania falowego poprzez przejście do granicy ciągłości w dyskretnym układzie mechanicznym. 10. Częstość drgań struny i wektor falowy. Związek dyspersyjny. 11. Przykłady fal stojących. Instrumenty muzyczne. 12. Analiza Fouriera drgań struny ciągłej. Przykłady rachunkowe. 13. Ogólne rozwiązanie równania falowego. Fale biegnące . 14. Fala stojąca jako złożenie fal biegnących. 15. Elektryczne i mechaniczne drgania tłumione i wymuszone. Przykłady rozwiązań równań różniczkowych. str. 16 16. Zjawisko rezonansu. 17. Drgania wymuszone układu dwóch i wielu wahadeł sprzężonych. Rezonanse. 18. Filtry elektryczne i mechaniczne. 19. Drgania układu wielu wahadeł sprzężonych. 20. Równanie Kleina-Gordona. 21. Ośrodki dyspersyjne i reaktywne. Częstość progowa. 22. Oscylacje plazmy. Fale w jonosferze. 23. Związek dyspersyjny dla struny ciągłej a związki dyspersyjne w przypadku swobodnych drgań harmonicznych dyskretnych układów mechanicznych o wielu stopniach swobody. Granica fal długich. 24. Podstawowa charakterystyka fal biegnących. Związki dyspersyjne. Fale poprzeczne i podłużne. Generacja fal. 25. Moc wyjściowa generatora fali i impedancja charakterystyczna. Współczynniki transmisji i odbicia. Warstwa przeciwodbiciowa. 26. Model Newtona fali dźwiękowej. Ciśnienie kierujące, impedancja i natężenie dźwięku. 27. Poziom natężenia dźwięku. Wysokość i barwa dźwięku. Ucho i słuch. Prawo Webera-Fechnera. Elementy psychoakustyki. 28. Efekt Dopplera. 29. Fale sprężyste w kryształach. 30. Fale wodne i fale sejsmiczne. 31. Charakterystyczne cechy fal elektromagnetycznych. 32. Równania Maxwella a równanie fali elektromagnetycznej. 33. Linie przesyłowe i ich rodzaje. Moc generatora fali elektromagnetycznej i impedancja. Prędkość fazowa. 34. Gęstość i strumień energii, wektor Poyntinga, natężenie promieniowania, pęd fali. Impedancja falowa próżni. 35. Prędkość fazowa a prędkość grupowa. Radiofonia. Falowód. 36. Impuls. Paczka falowa. Całka Fouriera. 37. Odbicie i transmisja fal elektromagnetycznych. 38. Fale elektromagnetyczne w próżni, ośrodku dyspersyjnym i reaktywnym. Fale elektromagnetyczne w jonosferze. 39. Fale elektromagnetyczne w kryształach. Zespolona przenikalność elektryczna. 40. Fale elektromagnetyczne w przestrzeni dwu- i trójwymiarowej. Fale płaskie i kuliste. 41. Widmo fal elektromagnetycznych. 42. Polaryzacja fali elektromagnetycznej. Metody polaryzacji. Ćwierćfalówka. 43. Dyfrakcja i interferencja fal. Spójność wiązki światła. Doświadczenie Younga. 44. Dyfrakcja i interferencja promieniowania X. Prawo Bragga. 45. Zasada i konstrukcja Huygensa. Zasada Fermata. 46. Podstawowe prawa optyki geometrycznej. Prawo odbicia , prawo załamania. 47. Pryzmat. Dyspersja współczynnika załamania ośrodka. 48. Zwierciadła i soczewki. Układy optyczne. Wzrok. 49. Aktywność optyczna materii. Dwójłomność. 50. Fotometria i fotometria wizualna. Światłość, jasność , strumień światła, oświetlenie. 51. Prawo Rayleigha -Jeansa, prawa Wiena, prawo Stefana- Boltzmanna, prawo Kirchhoffa. 52. Prawo promieniowania Plancka. Kwant. 53. Zjawisko fotoelektryczne. 54. Efekt Comptona. 55. Doświadczenie Sterna-Gerlacha. 56. Doświadczenie Davissona i Germera. 57. Fale de Broglie’a. Dualizm korpuskularno- falowy. 58. Równanie Schrödingera. Bariera i studnia potencjału. Równanie Kleina-Gordona dla fal de Broglie’a. 59. Porównanie kształtu fal stojących i związków dyspersyjnych dla fal de Broglie’a i klasycznej struny. 60. Promieniowanie elektromagnetyczne atomu. Częstość dudnień. 61. Kwantowy oscylator harmoniczny. Porównanie z oscylatorem klasycznym. 62. Zasada nieoznaczoności Heisenberga. 63. Dualizm korpuskularno-falowy. 64. Poziomy i pasma energetyczne. Absorpcja światła. Spontaniczna i wymuszona emisja światła. Laser. 65. Emisyjne i absorpcyjne widma optyczne. Analiza widmowa. 66. Widmo ciągłe promieniowania hamowania i widmo charakterystyczne promieni X. 67. Doświadczenie Michelsona-Morleya.
Prerequisites:
Wiedza z podstaw fizyki i matematyki w zakresie szkoły średniej i I roku studiów podstaw fizyki Zaliczenie wykładów i ćwiczeń z podstaw fizyki, Mechanika oraz Elektryczność i magnetyzm.
Key reading:
(no information given)
Learning outcome of the module Codes of the learning outcomes of the programme to which the learning outcome of the module is related [level of competence: scale 1-5]
Rozumie procesy fizyczne towarzyszące drganiom swobodnym, tłumionym i wymuszonym. Rozumie zjawiska właściwe ruchowi falowemu. [GF_011_1]
 GF1_W01 [4/5]
Zna metody rozwiązywania równań różniczkowych drugiego rzędu o stałych współczynnikach [GF_011_2]
 GF1_W03 [5/5]
Zna proste przykłady rozwiązania klasycznego równania falowego, równania Kleina-Gordona i równania Schrödingera , Rozumie związek pomiędzy równaniami Maxwella a równaniem fali elektromagnetycznej. [GF_011_3]
 GF1_W11 [4/5]
Zna prawa optyki i akustyki. Rozumie znaczenie prawa promieniowania Plancka. Zna elementarne podstawy fizyki kwantowej i związane z tym najważniejsze doświadczenia fizyczne. [GF_011_4]
 GF1_W12 [4/5]
Potrafi podać przykłady drgań harmonicznych swobodnych, tłumionych i wymuszonych, a także różnego rodzaju fal. Potrafi podać przykłady odpowiednich równań różniczkowych. Zna różne postaci związków dyspersyjnych. [GF_011_5]
 GF1_W14 [4/5]
Potrafi dostrzec i opisać analogie w ruchu drgającym i falowym w różnych układach fizycznych [GF_011_6]
 GF1_W15 [4/5]
Potrafi ułożyć równania różniczkowe opisujące dane drgania układu fizycznego o jednym lub wielu stopniach swobody. [GF_011_7]
 GF1_U03 [3/5]
Potrafi rozwiązać równania różniczkowe opisujące drgania swobodne układu o jednym lub dwóch stopniach swobody [GF_011_8]
 GF1_U14 [5/5]
Type Description Codes of the learning outcomes of the module to which assessment is related
Kolokwium [GF_011_w_1]
Terminy kolokwiów podane wcześniej do wiadomości studentów. Zadania podobne do zadań rozwiązywanych na zajęciach konwersatorium. Skala ocen 2 – 5 .
 GF_011_7 GF_011_8
Rozwiązywanie zadań na tablicy [GF_011_w_2]
Analiza przykładów z wykładu i rozwiązywanie zadań, interpretacja fizyczna wyników;. skala ocen 2 – 5.
 GF_011_1 GF_011_2 GF_011_3 GF_011_4 GF_011_5 GF_011_6 GF_011_7 GF_011_8
Egzamin ustny [GF_011_w_3]
Warunkiem przystąpienia do egzaminu jest zaliczenie konwersatorium. Zakres materiału – wszystkie zagadnienia przedstawione w formie pisemnej na wykładach; skala ocen 2 – 5 .
 GF_011_1 GF_011_2 GF_011_3 GF_011_4 GF_011_5 GF_011_6 GF_011_7 GF_011_8
Form of teaching Student's own work Assessment of the learning outcomes
Type Description (including teaching methods) Number of hours Description Number of hours
lecture [GF_011_fs_1]
Celem wykładu – obok wytłumaczenia istoty podstawowych zjawisk dotyczących ruchu drgającego i falowego w różnych ośrodkach - jest w szczególności przekazanie studentom umiejętności kojarzenia danego ruchu drgającego lub falowego z odpowiednimi równaniami różniczkowymi, a także umiejętności swobodnego rozwiązywania tych równań. Celem wykładowcy jest także pokazanie analogii w ruch drgającym i falowym dla różnych układów fizycznych. W ten sposób student śledząc „widzialne” modele mechaniczne lepiej zrozumie zjawiska dotyczące „niewidzialnych” fal elektromagnetycznych. Wykład jest prowadzony z użyciem tablicy i wykorzystaniem prezentacji multimedialnych. Uzupełnieniem wykładu są liczne doświadczenia i pokazy ilustrujące omawiane zjawiska fizyczne.
 30
Praca z notatkami z wykładu i literaturą uzupełniającą
 15 Egzamin ustny [GF_011_w_3]
discussion classes [GF_011_fs_2]
Analiza ilościowa zjawisk zasugerowanych zarówno przez wykładowcę, osobę prowadzącą konwersatorium jak i przez studentów. Rozwiązywanie zadań rachunkowych na tablicy.
 30
Praca z notatkami z wykładu i zbiorami zadań
 15 Kolokwium [GF_011_w_1] Rozwiązywanie zadań na tablicy [GF_011_w_2]
Attachments
Module description (PDF)
Information concerning module syllabuses might be changed during studies.
Syllabuses (USOSweb)
Semester Module Language of instruction
(no information given)