1 AKUSTIK Håkan Wennlöf, I = P A m 2 P effekt, A arean effekten är spridd över (ofta en sfär, ljud utbreds sfärsiskt).

Relevanta dokument
Tabell med enheter 3. Tabell med konstanter 3. 1 Akustik Intensitet Ljudintensitetsnivå Lite om vågor... 4

Klassisk fysik, teori

Formler för klassfys

Formler för elvåg. Ulf Lundström med mindre tillägg av Ilian Häggmark. 24 januari 2017

Formler för elvåg. Ulf Lundström 22 maj 2012

Kapitel 33 The nature and propagation of light. Elektromagnetiska vågor Begreppen vågfront och stråle Reflektion och brytning (refraktion)

The nature and propagation of light

Institutionen för Fysik Polarisation

Institutionen för Fysik Polarisation

Tentamen i Vågor och Optik 5hp F, Q, kandfys, gylärfys-programm, den 11. juni 2010

Tillämpad vågrörelselära FAF260. Svängningar genererar vågor - Om en svängande partikel är kopplad till andra partiklar uppkommer vågor

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 10,5 högskolepoäng, FK4009 Tisdagen den 17 juni 2008 kl 9-15

Föreläsning 6: Polarisation

Föreläsning 7: Antireflexbehandling

Föreläsning 7: Antireflexbehandling

Föreläsning 6: Polarisation

Hur funkar 3D bio? Laborationsrapporter Se efter om ni har fått tillbaka dem och om de är godkända!

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Svar och anvisningar. t s(x,t) =s 0 sin 2π T x. v = fλ =3 5 m/s = 15 m/s

Övning 9 Tenta från Del A. Vägg på avståndet r = 2.0 m och med reflektansen R = 0.9. Lambertspridare.

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Lösningsförslag

1. Betrakta en plan harmonisk elektromagnetisk våg i vakuum där det elektriska fältet E uttrycks på följande sätt (i SI-enheter):

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 10,5 hp, FK4009 Torsdagen den 21 augusti 2008 kl 9-15

Övning 9 Tenta

Figur 1: Figur 3.12 och 3.18 i Optics. Teckenkonventionen: ljus in från vänster, sträcka i ljusets riktning = positiv

Figur 1: Figur 3.12 och 3.18 i Optics. Teckenkonventionen: ljus in från vänster, sträcka i ljusets riktning = positiv

Ljudhastighet (vätska & gas) RT v M Intensitet från en punktkälla P I medel 2 4 r Ljudintensitetsnivå I 12 2 LI 10lg med Io 1,0 10 W/m Io Dopplereffek


Hur funkar 3D bio? Laborationsrapporter. Räknestuga. Förra veckan kapitel 16 och 17 Böjning och interferens

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK december 2011

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 7 poäng, FyL2 Tisdagen den 19 juni 2007 kl 9-15

Lösningar till repetitionsuppgifter

Polarisation Stockholms Universitet 2011

Gauss Linsformel (härledning)

3) Sag formeln ger r=y 2 /(2s). y=a/2=15 mm, s=b c=4,5 mm ger r=25 mm. Då blir F=(n 1)/r=(1,5 1)/0,025=20 D

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Svar och anvisningar. t 2π T x. s(x,t) = 2 cos [2π (0,4x/π t/π)+π/3]

Övning 1 Dispersion och prismaeffekt

Vågrörelselära och optik

3. Ljus. 3.1 Det elektromagnetiska spektret

Vågfysik. Geometrisk optik. Knight Kap 23. Ljus. Newton (~1660): ljus är partiklar ( corpuscles ) ljus (skugga) vs. vattenvågor (diffraktion)

Övning 4 Polarisation

Ljusets polarisation

Vågrörelselära och optik

Optik, F2 FFY091 TENTAKIT

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (ETE055)

Mer om EM vågors polarisation. Vad händer om man lägger ihop två vågor med horisontell och vertikal polarisation?

Föreläsning 2 (kap , 2.6 i Optics)

Vågrörelselära och optik

EXPERIMENTELLT PROBLEM 2 DUBBELBRYTNING HOS GLIMMER

Polarisation. Abbas Jafari Q2-A. Personnummer: april Laborationsrapport

Polarisation Laboration 2 för 2010v

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Lösningar till Tentamen i Fysik för M, del 2 Klassisk Fysik (TFYY50) Lördagen den 24 April 2004, kl

Fysik (TFYA14) Fö 5 1. Fö 5

Laboration i Geometrisk Optik

Så, hur var det nu? Tillämpad vågrörelselära FAF260. Cirkulär polarisation (höger) Cirkulär polarisation FAF260. Lars Rippe, Atomfysik/LTH 1

(ii) Beräkna sidoförskjutningen d mellan in- och utgående strålar, uttryckt i vinklarna θ i och tjocklekar t i. (2p)

för gymnasiet Polarisation

Föreläsning 14 och 15: Diffraktion och interferens i gitter, vanliga linser, diffraktiv optik och holografi

Tentamen i Fotonik , kl

λ = T 2 g/(2π) 250/6 40 m

FK Elektromagnetism och vågor, Fysikum, Stockholms Universitet Tentamensskrivning, måndag 21 mars 2016, kl 9:00-14:00

Optiska ytor Vad händer med ljusstrålarna när de träffar en gränsyta mellan två olika material?

Repetition kapitel 21

Vågrörelselära, akustik och optik. Lösningsförslag till räkneuppgifter

Vågrörelselära och Optik VT14 Lab 3 - Polarisation

Tentamen i Fotonik , kl

OPTIK läran om ljuset

Kapitel 35, interferens

Diffraktion och interferens

92FY27: Vågfysik teori och tillämpningar. Tentamen Vågfysik. 17 oktober :00 13:00

Vågrörelselära och optik

Vågrörelselära och optik

Polarisation en introduktion (för gymnasiet)

λf=v Utbredningshastighet v Amplitud A Våglängd λ Periodtid T Frekvens f=1/t Vinkelfrekvens ω=2πf Vågtal k= 2π/λ y(x,t)=acos(kx-ωt+φ)

Strålningsfält och fotoner. Våren 2016

ett uttryck för en våg som beskrivs av Jonesvektorn: 2

Geometrisk optik. Syfte och mål. Innehåll. Utrustning. Institutionen för Fysik

Vågfysik. Superpositionsprincipen

Polarisation laboration Vågor och optik

Repetitionsuppgifter i vågrörelselära

Hjälpmedel: Typgodkänd räknare, Physics Handbook, Mathematics Handbook.

Final i Wallenbergs Fysikpris

Elektromagnetiska vågor (Ljus)

Förklara dessa begrepp: Ackommodera Avbildning, Brytning Brytningslagen Brytningsindex Brytningsvinkel Brännvidd Diffus och regelbunden reflektion

1 Figuren nedan visar en transversell våg som rör sig åt höger. I figuren är en del i vågens medium markerat med en blå ring prick.

v F - v c kallas dispersion

Teckenkonventionen: ljus in från vänster, ljusets riktning = positiv

Fysik. Laboration 3. Ljusets vågnatur

Att räkna med mellanbilder genom ett system med många linser och gränsytor blir krångligt. Vi vill kunna avbilda genom alla ytor direkt.

1. Ge en tydlig förklaring av Dopplereffekt. Härled formeln för frekvens som funktion av källans hastighet i stillastående luft.

Strålningsfält och fotoner. Våren 2013

Fysik TFYA86. Föreläsning 9/11

Sammanfattning: Fysik A Del 2

för M Skrivtid i hela (1,0 p) 3 cm man bryningsindex i glaset på ett 2. två spalter (3,0 p)

Luft. film n. I 2 Luft

Elektrodynamik. Elektrostatik. 4πε. eller. F q. ekv

Tentamen i El- och vågrörelselära,

5. Elektromagnetiska vågor - interferens

Repetition Ljus - Fy2!!

v = v = c = 2 = E m E2 cµ 0 rms = 1 2 cε 0E 2 rms (33-26) I =

Transkript:

AKUSTIK Håkan Wennlöf, hwennlof@kth.se Övning : Akustik. Intensitet är effekt per area I = P A [ ] W m 2 P effekt, A arean effekten är spridd över (ofta en sfär, ljud utbreds sfärsiskt). För ljudvåg gäller (.) I = 2 a2 ω 2 Z (.2) där a är förskjutningsamplituden för vågen, ω = 2πf vinkelfrekvensen (f vågens frekvens), och Z = ρc är den akustiska impedansen för materialet ljudvågen rör sig i. ρ densiteten, c ljudhastigheten i materialet. Exempelvärden på akustisk impedans är Z luft 420 kg m 2 s, Z vatten.5 0 6 kg m 2 s Har även I = p2 max 2Z där p max är den maximala tryckamplituden vågen orsakar. [p max ] = Pa = N m 2 (.3).2 Ljudintensitetsnivå: Logaritmisk skala för intensitet. β = 0 log 0 ( I I 0 ) [db (enhetslös)] (.4) I 0 är referensintensitet. Oftast satt till treshold of hearing ; I 0 = 0 2 W m 2.3 Lite om vågor: Harmonisk våg, förskjutningen s ges allmänt av s(x, t) = a sin (kx ωt) (.5) a förskjutningsamplitud [m] k vågtal, k = 2π λ = ω c [radianer/m] ω = 2πf, vinkelfrekvens [radianer/s] c våghastighet [m/s], c = λ f = ω k

2 GEOMETRISK OPTIK Håkan Wennlöf, hwennlof@kth.se Övning 2: Geometrisk optik 2. Brytningsindex Materialparameter. n = c v (2.) c ljushastighet i vakuum, v ljushastighet i material. 2.2 Snells lag Brytning i yta mellan två material med olika brytningsindex. n sin i = n sin i i, i vinklarna mot ytans normal. n n' i i' 2.3 Totalreflektion Sker om n sin i n >, dvs om det inte finns lösning av Snells lag för i. För att få gränsfallet kan vi sätta sin i = (alltså att den utgående vinkeln är 90 ). Vi får då ( ) i gräns = sin n n Om i > i gräns : totalreflektion. 2.4 Sfärisk gränsyta s objektsavstånd, s bildavstånd. n s + n s = n n R (2.2) Förstoring: h M = h h = ns n s (2.3) n n' R h' Minustecknet betyder reell bild, och uppochned. s s' 2

2 GEOMETRISK OPTIK Håkan Wennlöf, hwennlof@kth.se 2.5 Linsmakarformeln R, R 2 krökningsradier. d linsens tjocklek. n R 2 R d För fokallängden gäller f ( = (n ) + R R 2 ) (n )d nr R 2 (2.4) 2.6 Tunn lins Approximation! Linsformeln: s + s = f f fokallängd hos linsen. (2.5) h f f h' s lins s' Från linsmakarformeln: Linsens tjocklek d går mot noll, d 0, så ( = (n ) ) f R R 2 (2.6) Förstoring: M = h h = s s (2.7) 2.7 Linsstyrka Det mått optiker använder. Ofta symbol P, enhet dioptrier, D P = [ D = ] f m (2.8) 3

3 OPTISKA SYSTEM Håkan Wennlöf, hwennlof@kth.se För att få styrkan i dioptrier ska f vara angiven i meter. Övning 3: Optiska system 3. Linssystem Flera linser på rad. Behandla som en lins i taget! Mellanbilder blir objekt för efterföljande linser. h 0 f f 2 h 2 h s s ' s 2 s 2 ' Om i betecknar linsens ordningsnummer (index) så har vi + s i s = (3.) i f i så förstoringen blir h i = s i s i h i (3.2) M i = h i h i = s i s i (3.3) 3.2 Afokala system Objekt i oändligheten ger bild i oändligheten. Med andra ord, parallella strålar in ger parallella strålar ut. Om två linser: fokus ska sammanfalla! Avstånd mellan: d = f ob + f ok (objektiv till okular) Vinkelförstoring: M θ = θ θ små vinklar 4 h h = f ob f ok (3.4)

3 OPTISKA SYSTEM Håkan Wennlöf, hwennlof@kth.se objektiv okular h θ θ' h' d f ob f ok θ är vinkeln av synfältet som det observerade objektet upptar utan linserna, och θ är vinkeln av synfältet som den skapade bilden upptar. 3.3 Systemfokallängd Två tunna linser, fokallängder f och f 2. Får tillsammans fokallängd f sys, givet av d avståndet mellan linserna = + d (3.5) f sys f f 2 f f 2 3.4 Huvudplan System med flera linser kan beskrivas med hjälp av systemfokallängden och de s.k. huvudplanens positioner. Allt mellan huvudplanen kan behandlas som en tunn lins med fokallängden f sys. Två huvudplan: främre (FH) och bakre (BH). Ordningen på dem kan dock variera, men definition av vilket som är vilket finns nedan. s FH BH s' f sys f sys Främre huvudplan (FH): Det plan där förlängningen av strålar genom främre fokus (som ju kommer bli parallella efter linssystemet, precis som för en vanlig tunn lins) skär förlängningen av den utgående parallella strålen. Bakre huvudplan (BH): Det plan där förlängningen av parallella inkommande strålar skär förlängningen av utgående strålarna som går genom fokus. 5

4 INTERFERENS Håkan Wennlöf, hwennlof@kth.se Avbildning ges av linsformeln; S + S = (3.6) f sys S är avståndet från objektet till främre huvudplan, och S avståndet från bakre huvudplan till bilden. För att hitta huvudplanen använder man strålarna som går in i och ut ur hela linssystemet. För BH tittar man på var förlängningen av en inkommande parallell stråle skär förlängningen av den utgående strålen (man bryr sig alltså inte om hur strålen studsar runt inne i linssystemet). Främre huvudplanet får man på samma sätt genom att titta på en stråle som är parallell när den lämnar systemet (kolla på dess förlängning, och se var den skär förlängningen av den utgående strålen). Övning 4: Interferens 4. Optisk väg (optical path length, OPL) Sträckan ljus färdas genom medium, viktat med mediets brytningsindex. I ΔOPL OPL = nx (4.) OPL skillnad i optisk väg mellan interfererande ljusstrålar från samma ljuskälla. x 4.2 Fasskillnad ϕ. Hur mycket ljusstrålar är förskjutna relativt varandra. ϕ = 2π λ OPL (4.2) 4.3 Interferens Kan ske för strålar från samma källa. För två strålar: Intensitet adderas enligt I tot = I + I 2 + 2 I I 2 cos ( ϕ) (4.3) I intensitet för stråle, I 2 intensitet för stråle 2, ϕ fasskillnaden mellan dem. 6

) 4 INTERFERENS Håkan Wennlöf, hwennlof@kth.se Maximal konstruktiv interferens: ϕ = 2π m OPL = m λ. m heltal; m = 0, ±, ±2,.... Intensiteten förstärks. Toppar och dalar sammanfaller. Maximal destruktiv interferens (cos-termen ska bli -): ϕ = 2π m+π OPL = ( m + 2) λ. m heltal; m = 0, ±, ±2,.... Intensiteten minskar. Toppar på ena sammanfaller med dalar på andra. 4.4 Tunt skikt Stråle reflekteras i olika gränsytor. Bilden: Tre material med olika brytningsindex, n, n s och n 2. n n s ) i i' d n 2 OPL = 2 n s d cos (i ) + Tätare medium större n. { λ 2, om en av refl. mot tätare medium 0 annars OPL vägskillnad mellan ljus reflekterat i första respektive andra gränsytan. (4.4) 4.5 Vinkelrät reflektion i gränsyta Reflektivitet (andel av den inkommande intensiteten som reflekteras) ( ) 2 R = I I = n2 n (4.5) n 2 + n där I är den reflekterade intensiteten, och I den inkommande intensiteten. n, n 2 brytningsindex för de två materialen. (Obs, skiss. Egentligen reflekteras strålen tillbaka samma väg som den kom in, dvs vinkelrätt ut, men det går inte riktigt att rita på ett bra sätt) n I I' n 2 7

5 DIFFRAKTION Håkan Wennlöf, hwennlof@kth.se Övning 5: Diffraktion 5. Cirkulär öppning λ x D ) α Diffraktionsmönster R >> D, λ I (intensitet) α diffraktionsvinkeln (från centralmaximum till första minimum). λ inkommande ljusets våglängd, D öppningens diameter. sin α =.22λ D (5.) (Diffraktionsmönstret egentligen 3D, men svårt att rita tydligt. Hela diagrammet är alltså roterat runt centrala axeln också) 5.2 Enkelspalt Diffraktionsmönster likt det för cirkulär öppning, men i bara en riktning. sin α = λ a (5.2) a spaltbredd (öppnignens storlek). 5.3 Upplösning Vinkeln av synfältet som går att upplösa (dvs när man kan skilja en punkt från en annan) ges av Rayleighkriteriet; sin α R =.22λ D (5.3) (ögat cirkulär öppning, D pupilldiametern här). α R är alltså den minsta vinkel (relaterat till minsta avstånd) mellan punkter där man kan skilja på punkterna. 8

5 DIFFRAKTION Håkan Wennlöf, hwennlof@kth.se 5.4 Gitter (Ger upphov till fenomen som är en kombination av interferens och diffraktion) Får diffraktionsmönster endast i vissa bestämda riktningar (ordningar), där interferensen är maximalt konstruktiv. Vinkeln α m till ordning m ges av m λ = d sin (α m ) (5.4) m heltal, d gitterkonstanten (spaltseparationen i gittret, avståndet mellan spalters centrum). 3 2 m=0 2 3 m=0 Diffraction envelope 2 0 Utan diffraktion θ 0 Med diffraktion 3 4 6 7 θ Intensitet på y-axeln, vinkel från centralmaximum på x-axeln. Första bilden visar hur det vore med ren interferens, men även diffraktion kommer i allmänhet in! Diffraktionen beror på spaltbredden i gittret. Den ger ett diffraction envelope som trycker ned instensiteterna för de olika ordningarna (se andra bilden). (Man kan alltså hitta intensiteten i en ordning i gittret genom att titta på diffraktionens intensitet vid den vinkel där ordningen ligger) 9

6 POLARISATION Håkan Wennlöf, hwennlof@kth.se Övning 6: Polarisation 6. Polarisationsriktning Ljus är elektromagnetiska vågor, så det har en elektrisk fältkomponent och en magnetisk fältkomponent. E-fältet oscillerar i en riktning, och B-fältet i en annan, roterad 90 jämfört med E-fältets riktning. De är alltså alltid ortogonala. Polarisationsriktningen är definierad som det elektriska fältets oscillationsriktning. Ljuset kan vara Opolariserat - Polarisationen varierar snabbt och slumpmässigt, kan också sägas vara polariserat i alla riktningar (och på så sätt ingen riktning mer än nån annan). Linjärpolariserat - Elektriska fältet oscillerar runt samma axel hela tiden. Cirkulärpolariserat - Elektriska fältets oscillationsriktning roterar, så den momentana polarisationsriktningen beror på var i vågen man befinner sig. Ljusvågen i bilden propagerar i x-riktningen. E-fältsdelen av ljuset oscillerar i z-led, och B- fältsdelen oscillerar i y-led. Ljuset är alltså linjärpolariserat i z- led! z E-fält y B-fält x Ljus kan polariseras till exempel vid reflektion, där ljus med vissa polarisationsriktningar reflekteras starkare än andra. 6.2 Brewstervinkeln Infallsplan Polarisationsriktningar (opolariserat) n n' i B Mängden ljus som reflekteras och transmitteras i en gränsyta mellan material med brytningsindex n och n beror på infallsvinkel och polarisation. Då infallsvinkeln är Brewstervinkeln så reflekteras bara det ljus som har polarisationsriktning vinkelrätt mot infallsplanet. Vinkelrätt mot infallsplan 0

6 POLARISATION Håkan Wennlöf, hwennlof@kth.se Infallsplanet är det plan i vilket inkommande och reflekterad ljusstråle ligger. Brewstervinkeln i B ges av tan i B = n (6.) n 6.3 Malus lag Malus lag ger den intensitet av inkommande linjärpolariserat ljus som transmitteras genom ett linjärt polarisationsfilter. Med det inkommande ljusets intensitet som I 0 och den transmitterade intensiteten som I T så kan Malus lag skrivas I T = I 0 cos 2 ϕ (6.2) där ϕ är vinkeln mellan det inkommande ljusets polarisationsriktning och polarisationsfiltrets genomsläppningsriktning (linjära polarisationsfilter släpper bara igenom en viss polarisationsriktning). 6.4 Dubbelbrytning Olika polarisationsriktningar bryts i olika vinklar i vissa material. Olika polarisationsriktningar ser olika brytningsindex i materialet, och tar därför olika vägar genom det. Förekommer ofta i kristaller, och kan användas för att dela upp ljus i olika polarisationer. Polarisationsriktningar Kristall

7 ELEKTROSTATIK Håkan Wennlöf, hwennlof@kth.se Övning 7: Elektrostatik 7. Coulombs lag Kraften mellan två laddningar med laddning q respektive q 2 ges av F = q q 2 4πε 0 r 2 (7.) där r är avståndet mellan laddningarna, och ε 0 den elektriska konstanten (vakuumpermittiviteten). ε 0 8.85 0 2 F m 7.2 Elektriskt fält E [N/C = V/m] (Vektorfält, så det har storlek och riktning överallt i rummet). Vi betraktar det på avstånd r från laddningen. Finns olika typer av laddningar, och de ger upphov till olika former på E-fältet: Punktladdning q [C]: E = Linjeladdning med laddningstäthet λ [C/m]: q 4πε 0 r 2 (7.2) E = λ 2πε 0 r (7.3) Ytladdning med laddningstäthet σ [C/m 2 ]: (avståndsoberoende) E = För linje- och ytladdning: gäller då r längd på linje/yta. σ 2ε 0 (7.4) E-fält superpositioneras. Lägg ihop E-fälten från alla närvarande laddningar för att få totala! 7.3 Elektrisk dipol d Två motsatta laddningar (+q och -q) på ett litet avstånd d: -q +q 2

7 ELEKTROSTATIK Håkan Wennlöf, hwennlof@kth.se En dipol har ett dipolmoment p, som ges av p = q d [C m] (7.5) d riktad från negativ laddning till positiv (men oftast är vi bara intresserade av dipolmomentetes storlek snarare än riktning ändå). Elektriskt fält vinkelrätt mot d på avstånd r d från dipolen ges av E = p är absolutbeloppet (storleken) av dipolmomentet. p 4πε 0 r 3 (7.6) 7.4 Elektrisk kraft Elektriska kraften på en laddning q ges av F = q E (7.7) där E är det yttre elektriska fältet. 7.5 Gauss sats S E d S = Q ε 0 (7.8) Integralen av elektriska fältet ( E) över sluten Gaussyta (S) ger totala laddningen (Q) som innesluts av ytan. Som Gaussyta kan vilken sluten yta som helst väljas. 7.6 Spänning Skillnad i elektrisk potential mellan två punkter, a och b. U ab = U a U b = Oberoende av väg mellan a och b. ˆ b a E d r [V] (7.9) 7.7 Potentiell energi Potentiell energi hos laddning q på potential U är energin som krävs för att flytta laddningen från potential 0 till potential U. W = q U [J] (7.0) Mer allmänt ges energin för att flytta från startpotentialen U till slutpotentialen U 2 av W = q(u 2 U ) (7.) 3

0 INDUKTION Håkan Wennlöf, hwennlof@kth.se Övning 8: Kondensatorer Övning 9: Magnetism Övning 0: Induktion 4