Fyzika V (optika) - NUFZ005

• Anglický název: Physics V (Optics)
• Zajišťuje: Katedra didaktiky fyziky (32-KDF)
• Fakulta: Matematicko-fyzikální fakulta
• Platnost: od 2008 do 2014
• Semestr: zimní
• E-Kredity: 8
• Rozsah, examinace: zimní s.:4/2, Z+Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: čeština
• Způsob výuky: prezenční
• Způsob výuky: prezenční
• Garant: prof. RNDr. Helena Štěpánková, CSc.; doc. RNDr. Miroslav Kučera, CSc.

Anotace

čeština

Poslední úprava: T_KDF (23.05.2003)

Integrovaná výuka - přednáška a cvičení se vzájemně prolínají. Kurs optiky a speciální teorie relativity v pojetí pro potřeby budoucích učitelů 2. stupně základních škol. Určeno posluchačům 3. r. Bc FV / FMz.

angličtina

Poslední úprava: T_KFNT (02.01.2008)

An integrated teaching - a combination of lectures and seminars. Course of the electricity and magnetism for teachers education for secondary schools, lower grade. Applied to teachers education, 2nd year UMF/SŠ

Cíl předmětu

čeština

Poslední úprava: T_KFNT (11.04.2008)

Kurs optiky a speciální teorie relativity v pojetí pro potřeby budoucích učitelů 2. stupně základních škol.

angličtina

Poslední úprava: T_KFNT (11.04.2008)

Course of the electricity and magnetism for teachers

education for secondary schools, lower grade.

Literatura

Poslední úprava: T_KFNT (02.01.2008)

Halliday D., Resnick R., Walker J.: Fyzika. český překlad VUTIM Brno a Prometheus Praha, 2001

Štrba A.: Optika (Všeobecná fyzika 3), Alfa a SNTL, Bratislava a Praha 1979

Klier E.: Optika, Universita Karlova, Praha 1980 (skripta)

Fuka, Havelka, Optika a atomová fyzika - I Optika, SPN, Praha 1961

Beiser, Úvod do moderní fyziky, Academia, Praha 1975

Kolovrat, Příklady z optiky, SPN, Praha 1979

Doplňková literatura:

Klimeš, Kracík a Ženíšek, Základy fyziky II, Academia, Praha 1972

Vrba, Moderní aspekty klasické fyzikální optiky, Academia, Praha 1974

Peřina, Teorie koherence (popularní přednášky o fyzice), SNTL, Praha 1975

Born a Wolf, Principles of Optics, Pergamon Press, Oxford 1965 (3. vyd.)

Saleh a Teich, Fundamentals of Photonics, John Wiley and Sons, New York 1991; Základy fotoniky, Matfyzpress, Praha 1994

Zeman a kol., Sbírka řešených příkladů z fyziky pro pedagogické fakulty, SPN, Praha 1971

Hajko, Fyzika v příkladech, SNTL, Praha 1976

Halpern, 3000 solved problems in Physics, McGraw-Hill, New York 1988 (optika: kap. 34-36, relativita: kap. 37) Academia, Praha 1972

Sylabus

čeština

Poslední úprava: T_KFNT (02.01.2008)

od 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 (02.01.2008)

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.