Fyzika V - NUFY016

• Anglický název: Physics V
• Zajišťuje: Kabinet výuky obecné fyziky (32-KVOF)
• Fakulta: Matematicko-fyzikální fakulta
• Platnost: od 2007 do 2021
• Semestr: zimní
• E-Kredity: 6
• Rozsah, examinace: zimní s.:3/1, Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: nevyučován
• Jazyk výuky: čeština
• Způsob výuky: prezenční
• Způsob výuky: prezenční
• Garant: doc. RNDr. Miroslav Kučera, CSc.; prof. RNDr. Helena Štěpánková, CSc.
• Kategorizace předmětu: Fyzika > Učitelství fyziky

Anotace

čeština

Poslední úprava: ()

Integrovaná výuka - přednáška a cvičení se vzájemně prolínají. Kurs optiky a speciální teorie relativity v pojetí pro potřeby budoucích učitelů 2. stupně škol. Určeno pro 3.r. U MF/ZŠ.

angličtina

Poslední úprava: G_F (05.06.2001)

Integrated course - lecture and exercises overlap. Course of optics and special theory of relativity on the level appropriate for future teachers. Considered for the 3rd year teacher students of mathematics - physics /basic school.

Literatura

Poslední úprava: MKUCERA/MFF.CUNI.CZ (15.05.2008)

základní

A.Beiser, Úvod do moderní fyziky, Academia 1978

V.Hajko, Fyzika v príkladoch, SNTL 1960

Z.Horák, F.Krupka, Fyzika, SNTL 1966

E.Klier, Optika, skriptum MFF UK, 1978

J.Kolovrat, Příklady z optiky, skriptum MFF UK, 1979

D. Halliday, R.Resnick, J. Walker, Fyzika, část 4 a 5, Vutium, Brno 2001

B.Sedlák, I.Štoll, Elektřina a magnetismus, kap.5, Academia 1993

A.Štrba, Optika, Alfa 1979

doplňující

R.P.Feynman, Feynmanové prednášky z fyziky 1, 2, 4, Alfa 1982-8

S.E.Friš, A.V.Timoreva, Kurs fyziky III

I.G.Main, Kmity a vlny ve fyzice, Academia 1990

B.E.A.Saleh, M.C.Teich, Základy fotoniky, Matfyzpress 1995

Š.Višňovský, Makroskopická elektrodynamika, skriptum MFF UK 1997

V.Votruba, Speciální teorie relativity, Academia 1969

Metody výuky

Poslední úprava: MKUCERA/MFF.CUNI.CZ (15.05.2008)

přednáška a cvičení

Sylabus

čeština

Poslední úprava: T_KFNT (20.05.2003)

1. Úvod

• Obsah a rozdělení optiky. Vývoj názorů na podstatu světla. Měření rychlosti světla optickými metodami. Fermatův princip, optická dráha, paprsek. Huygensův, resp. Huygensův-Fresnelův princip, vlnoplocha.

2. Vlnová a elektromagnetická optika

• Maxwellovy rovnice ve vakuu, vlnová rovnice. Vlastnosti záření, hustota elmag. energie, přenos energie, Poyntingův vektor, tlak záření, okamžité a časové střední hodnoty.

• Vlna: elektromagnetická, rovinná, sférická, válcová; monochromatická, harmonická. Záření oscilujícího elektrického dipólu. Šíření vln. Vlnový vektor, frekvence, vlnová délka, fáze, fázová rychlost. Spektrální obor optického záření. Polarizace (lineární, kruhová, eliptická).

• Superpozice vln, dráhové/fázové zpoždění, časová koherence. Stojaté vlnění.

• Interference - konstruktivní/destruktivní, Youngův interferenční pokus, prostorová koherence, interference na tenké vrstvě, antireflexní vrstva, interferometry (Fabry-Perotův, Michelsonův). Holografie.

• Difrakce (ohyb) světla - Fraunhoferův/Fresnelův ohyb, difrakce na štěrbině, kruhovém otvoru, kruhovém terčíku, hraně. Fresnelovy zony. Optická mřížka, rozlišení, Rayleighovo kritérium.

• Optická prostředí - klasifikace.

• Index lomu. Disperze indexu lomu, fázová/grupová rychlost. Absorpce, Lambert-Beerův zákon.

• Optická anizotropie, dvojlom. Polarizátory, fázové destičky (čtvrtvlnná, půlvlnná). Malusův zákon.

• Dichroismus. polarizační filtry. Optická aktivita.

• Rozptyl světla, pružný a nepružný.

• Odraz a lom na rovinném rozhraní, úhel a rovina dopadu/odrazu/lomu, Snellův zákon, Fresnelovy vzorce, odrazivost, propustnost, totální odraz, mezní úhel, Brewsterův úhel, polarizace lomem a odrazem.

3. Geometrická (paprsková) optika

• Zákony geometrické optiky.

• Základní optické prvky. Hranoly odrazné/lámavé/disperzní (rozkladné), čočky, zrcadla.

• Kolineární zobrazení, kardinální body a roviny zobrazovací soustavy: ohniska/ohniskové roviny, hlavní body/roviny, uzlové body; ohniskové dálky. Zobrazovací rovnice (Newtonovy, vrcholové). Reálný/virtuální obraz, zvětšení (úhlové/lineární). Centrovaná soustava spojná, rozptylná, teleskopická.

• Optické zobrazení paraxiálními paprsky. Kulové rozhraní. Spojka, rozptylka, tenká/tlustá čočka; zrcadlo rovinné, duté, vypuklé.

• Vady zobrazení a jejich odstraňování - otvorová a barevná vada, koma, astigmatismus, zkreslení a zklenutí obrazu.

• Optické přístroje: dalekohled, lupa, mikroskop. Objektiv, okulár, zvětšení, rozlišovací schopnost. Fotografický přístroj. Spektrometr. Optický vlnovod.

4. Základy kvantové optiky

• Záření absolutně černého tělesa, Planckův vyzařovací zákon, Wienův posunovací zákon, Stefan-Boltzmannův zákon. Fotoelektrický jev, výstupní práce. Kvantové vlastnosti záření, foton.

• Spontánní/stimulovaná emise, optický rezonátor,inverze populace, princip laseru.

5. Člověk a světlo

• Stavba a optická soustava lidského oka. Vnímání světla, barev. Aditivní/subtraktivní skládání barev.

• Akomodace, blízký a vzdálený bod, konvenční zraková vzdálenost, vady oka, brýle. Adaptace, Purkyňův jev. Prostorové vnímání.

6. Fotometrie

• Základní fotometrické a radiometrické veličiny. Zdroje a detektory.

7. Speciální teorie relativity

• Základní postuláty. Inerciální soustavy. Michelsonův - Morleyův pokus. Galileova transformace, Lorentzova transformace. Časoprostor. Dilatace času. Kontrakce délky. Transformace rychlosti. Dopplerův jev. Relativita současnosti.

• Relativistická hmota a hybnost, klidová hmotnost. Energie celková, kinetická. Pohybová rovnice. Ekvivalence hmoty a energie.

angličtina

Poslední úprava: T_KFNT (20.05.2003)

1. Introduction

• Subject and parts of optics. History of approaches to the nature of light. Light velocity measurements. Fermat's principle, optical path, ray. Huygens and Huygens-Fresnel principle, wavefront.

2. Wave and electromagnetic optics

• Maxwell equations in free space, wave equation. Characteristics of radiation, spatial density of electromagnetic energy, energy flow density, Poynting vector, radiation pressure, instantaneous and time-averaged values.

• Wave: electromagnetic; plane, spherical, cylindrical; monochromatic, harmonics. Radiation of oscillating electric dipole. Propagation of waves. Wavevector, frequency, wavelength, phase, phase velocity. Spectral range of optical radiation. Polarisation (linear, circular, elliptical).

• Superposition of waves, path/phase delay, temporal coherence. Standing wave.

• Interference - constructive/destructive, Young experiment, spatial coherence, interference on a thin layer, antireflection layer, interferometers (Fabry-Perot, Michelson). Holography.

• Diffraction - Fraunhofer/Fresnel diffraction, diffraction patterns for a slit, circular aperture, circular target, edge. Fresnel zones. Diffraction grating, resolution, Rayleigh criterion.

• Optical media - classification.

• Refractive index. Dispersion of refractive index, phase/group velocity. Absorption, Lambert-Beer law.

• Optical anisotropy, birefringence. Polarisers, wave retarders (quarter-wave, half-wave plate). Malus' law.

• Dichroism. Polaroid. Optical activity.

• Light scattering, elastic and non-elastic.

• Reflection and refraction at a planar interface, angle and plane of incidence/reflection/refraction. Snell's law. Fresnel formulae, reflectance, transmittance, total reflection, critical angle, Brewster angle. Polarised light using reflection and refraction

3. Geometrical (ray) optics

• Axioms.

• Basic optical elements. Prisms: reflective, refractive, dispersive. Lenses. Mirrors.

• Colinear transformation. Cardinal points and planes of an imaging system: focal points and planes, principal points and planes, nodal points, focal lengths. Imaging formulae. Real/virtual image. Image magnification. Centred optical systems converging, diverging, telescopic.

• Optical imaging using paraxial rays. Spherical interface. Lenses: converging, diverging, thin/thick; mirror: plane, concave, convex.

• Aberrations and their compensations: spherical aberration, coma, field curvature, distorsion, astigmatism, chromatic aberration.

• Optical instruments: telescope, magnifying glass, microscope. Objective, eyepiece, magnification, resolution power. Camera. Spectrometer. Optical waveguide. * 4. Basics of quantum optics

• Blackbody radiation, Planck's law, Wien's law, Stephan-Boltzmann law. Fotoeffect, work function. Quantum characteristics of radiation, photon.

• Spontaneous and stimulated emission. Optical resonator. Population inversion. Lasers.

5. Human and light

• Human eye: anatomy, eye as an optical system. Perception of light, colours. Additive/ subtractive mixing of colours. - Accommodation, near point. Glasses. Adaptation, Purkyne's effect.

6. Photometry

• Basic quantities in photometry and radiometry. Sources and detectors.

7. Special theory of relativity

• Postulates. Inertial systems. Michelson-Morley experiment. Galileo transformation, Lorentz transformation. Space-time. Time dilatation. Length contraction. Relativity of simultaneity. Transformation of velocity. Doppler effect.

• Relativistic mass and momentum, rest mass. Total energy, kinetic energy. Equation of motion. Equivalence of mass and energy.