Vågrörelselära och optik

Relevanta dokument
Vågrörelselära och optik

Vågrörelselära och optik

Kapitel: 32 Elektromagnetiska vågor Maxwells ekvationer Hur accelererande laddningar kan ge EM-vågor

Hur elektromagnetiska vågor uppstår. Elektromagnetiska vågor (Kap. 32) Det elektromagnetiska spektrumet

Vågrörelselära och optik

Vågrörelselära och optik

Vågrörelselära och optik

Vågrörelselära och optik

Vågrörelselära och optik

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

Föreläsning 12. Tidsharmoniska fält, komplexa fält (Kap ) Plana vågor (Kap ) i Griffiths

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

3. Ljus. 3.1 Det elektromagnetiska spektret

Vågor och Optik. Mekaniska vågor (Kap. 15) Mekaniska vågor (Kap. 15)

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

The nature and propagation of light

Fysik TFYA86. Föreläsning 9/11

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

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

Det är elektromagnetiskt kraft som är av intresse här.

Geometrisk optik reflektion och brytning. Optiska system F9 Optiska instrument. Elektromagnetiska vågor. Det elektromagnetiska spektrumet FAF260

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

13. Plana vågors reflektion och brytning

1.3 Uppkomsten av mekanisk vågrörelse

Böjning. Tillämpad vågrörelselära. Föreläsningar. Vad är optik? Huygens princip. Böjning vs. interferens FAF260. Lars Rippe, Atomfysik/LTH 1

Övningsuppgifter/repetition inom elektromagnetism + ljus (OBS: ej fullständig)

Lösningar till Tentamen i fysik B del 1 vid förutbildningar vid Malmö högskola

Vågor. En våg är en störning som utbreder sig En våg överför energi från en plats till en annan. Det sker ingen masstransport

4. Allmänt Elektromagnetiska vågor

Tentamen i El- och vågrörelselära,

ETEF15 Krets- och mätteknik, fk Fältteori och EMC föreläsning 3

FyU02 Fysik med didaktisk inriktning 2 - kvantfysik

1. Elektromagnetisk strålning

Frågor till filmen Vi lär oss om: Ljus

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (2:a omtentan), fredag 30 augusti 2013, kl 9:00-14:00

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum: Examinator/Tfn: Hans Åkerstedt/ Skrivtid:

ett uttryck för en våg som beskrivs av Jonesvektorn: 2

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

Vågfysik. Vilka typer av vågor finns det? Fortskridande vågor. Mekaniska vågor Elektromagnetiska vågor Materievågor

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

Tentamen ellära 92FY21 och 27

ETEF15 Krets- och mätteknik, fk Fältteori och EMC föreläsning 3

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum:

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

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Lösningsförslag

Föreläsning 7: Antireflexbehandling

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (1:a omtentan), tisdag 16 juni 2015, kl 9:00-14:00

Tentamen Modellering och simulering inom fältteori, 21 oktober, 2006

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

Vinkelupplösning, exempel hålkameran. Vinkelupplösning När är två punkter upplösta? FAF260. Lars Rippe, Atomfysik/LTH 1. Böjning i en spalt

Tentamen i Fysik för M, TFYA72

1. a) I en fortskridande våg, vad är det som rör sig från sändare till mottagare? Svara med ett ord. (1p)

Kvantmekanik. Kapitel Natalie Segercrantz

Sensorer, effektorer och fysik. Grundläggande fysikaliska begrepp som är viktiga inom mättekniken

Fysik (TFYA14) Fö 5 1. Fö 5

Strålningsfält och fotoner. Våren 2013

Milstolpar i tidig kvantmekanik

18. Sammanfattning Ursprung och form av fältena Elektrostatik Kraft, fält och potential 2 21, (18.3)

18. Sammanfattning Kraft, fält och potential. Krafter F är fysikaliskt mätbara storheter Elfält beror på kraften som F = Eq (18.

18. Sammanfattning. Elektrodynamik, vt 2013, Kai Nordlund 18.1

TFYA58, Fysik, 8 hp, 3 delar

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (1:a omtentan), tisdag 17 juni 2014, kl 9:00-14:00

FAFF Johan Mauritsson 1. Föreläsningar. Våglära och optik. Världens minsta film. Projekten

Fysik TFYA68. Föreläsning 2/14

Tentamen för FYSIK (TFYA68)

Vågfysik. Superpositionsprincipen

Föreläsning 7: Antireflexbehandling

Kaströrelse. 3,3 m. 1,1 m

Maxwell insåg att dessa ekvationer inte var kompletta!! Kontinutetsekvationen. J = ρ

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (EITF85)

ETEF15 Krets- och mätteknik, fk Fältteori och EMC föreläsning 3

Problem Vågrörelselära & Kvantfysik, FK november Givet:

Tentamen för FYSIK (TFYA86 och 68)

Gauss Linsformel (härledning)

OPTIK läran om ljuset

Tenta Elektrisk mätteknik och vågfysik (FFY616)

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

Kapitel 4. Materievågor

= T. Bok. Fysik 3. Harmonisk kraft. Svängningsrörelse. Svängningsrörelse. k = = = Vågrörelse. F= -kx. Fjäder. F= -kx. massa 100 g töjer fjärder 4,0 cm

Strålningsfält och fotoner. Våren 2016

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

Luft. film n. I 2 Luft

Elektriska och magnetiska fält Elektromagnetiska vågor

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

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

Denna våg är. A. Longitudinell. B. Transversell. C. Något annat

Repetition kapitel 21

Vågrörelselära och optik

Lösningar till repetitionsuppgifter

Tentamen i El- och vågrörelselära,

λ = T 2 g/(2π) 250/6 40 m

Föreläsning 5, clickers

Motivering av högerledet i Maxwells 4:e ekvation

Presentationsmaterial Ljus som vågrörelse - Fysik B. Interferens i dubbelspalt gitter tunna skikt

Tentamen för FYSIK (TFYA68), samt ELEKTROMAGNETISM (9FY321)

EXPERIMENTELLT PROBLEM 2 DUBBELBRYTNING HOS GLIMMER

OBS! Svaren på förståelsedelen skall ges på tesen som skall lämnas in.

Transkript:

Vågrörelselära och optik Kapitel 32 1 Vågrörelselära och optik Kurslitteratur: University Physics by Young & Friedman (14th edition) Harmonisk oscillator: Kapitel 14.1 14.4 Mekaniska vågor: Kapitel 15.1 15.8 Ljud och hörande: Kapitel 16.1 16.9 : Kapitel 32.1 & 32.3 & 32.4 Ljusets natur: Kapitel 33.1 33.4 & 33.7 Stråloptik: Kapitel 34.1 34.8 Interferens: Kapitel 35.1 35.5 Diffraktion: Kapitel 36.1-36.5 & 36.7 2

Vågrörelselära och optik 3 Maxwells ekvationer Del 1. Maxwells ekvationer 4

Maxwells ekvationer Maxwells ekvationer 5 Maxwells ekvationer Konsekvenserna av Maxwells ekvationer för magnetiska och elektriska fält: 1. Ett statiskt elektriskt fält kan existera utan ett magnetiskt fält. Exempel: En kondensator med en konstant laddning utan magnetiskt fält. 2. Ett konstant magnetiskt fält kan existerar utan ett elektriskt fält. Exempel: Ledning med konstant ström har magnet fält men inte elektriskt fält 3. Finns ett elektriskt fält som varierar med tiden finns också magnet fält. 4. Finns ett magnetiskt fält som varierar med tiden finns också elektriskt fält. 5. Magnet fält kan genereras av permanent magneter, en elektrisk ström eller ett elektriskt fält som varierar med tiden. 6. Magnetiska monopoler existerar inte. Alla flödeslinjer som bekriver magnetfält är slutna. 6

Maxwells ekvationer 6. Magnetiska monopoler existerar inte enligt de experiment som hittills gjorts. Enligt vissa teorier kan magnetiska monopoler existera och flera experiment runt om i världen letar efter dem. Bland annat mitt ATLAS experiment: Men inget experiment har hittat monopoler! 7 Maxwells ekvationer Den elektromagnetiska vågen består av ett elektriskt och ett magnetiskt fält. B 8

Maxwells ekvationer skapas av laddade partiklar som är i rörelse. En elektromagnetisk våg kan transportera energi i vakuum (men inte en mekanisk våg). En elektromagnetisk våg kan skapas av en urladdningskondensator: När laddningarna åker upp och ner i gnistgapet skapas ett magnetisk fält i horisontal planet. Det varierande magnet fältet generar ett vertikalt elektriskt fält. Fältet är starkast 90 grader mot laddningarnas rörelse och noll i samma riktning som laddningarnas rörelse. Det magnetiska och elektriska fälten utbreder sig i rymden som en elektromagnetisk våg. 9 Maxwells ekvationer Experiment som visar hur laddningar i rörelse skapar ett elektromagnetiskt fält. https://www.youtube.com/watch?v=9gdfll6ge7g 10

Del 2. Elektromagnetiska vågor 11 Det elektromagnetiska spektrumet λ = c / f 12

Vågfronter: ytor med konstant fas 13 Vågfronter beror på avståndet till källan 14

är transversella eftersom E- och B-fälten är vinkelräta mot utbredningsriktningen. En plan våg är en våg med konstant frekvens vars vågfronter är oändliga parallella plan med konstant topp-till-topp-amplitud. B Vid en viss punkt och tid har alla E och B- vektorerna i planet samma storlek. Fullständiga plana vågor existerar inte eftersom endast en våg med oändlig utsträckning kan vara plan. Men många vågor är approximativt plana vågor i ett lokaliserat område i rymden. 15 För plana elektromagnetiska vågor kan man hitta relationer mellan storleken på det magnetiska och elektriska fältet från två av Maxwells ekvationer: ε = Permittiviteten = Ett mediums förmåga att ha ett elektriskt fält i sig. μ = Permeabilitet = Ett mediums förmåga att ha ett magnetiskt fält i sig. 16

Ljushastigheten från Maxwells ekvationer: = 8.85 x 10-12 F/m = 1.26 x 10-6 N/A 2 17 Vågfunktionen Del 3. Vågfunktionen B 18

Vågfunktionen Den elektromagnetiska vågfunktionen för sinusformade vågor inte samma k (det ena är en riktningsvektor och den andra vågtalet) Vågfunktionen Amplituden: E max = c B max Vågtalet: c= λ / T f = 1 / T Vinkelfrekvensen: c= λ / T = (2π/k) / (2π/ω) = ω / k 20

Faradays lag Vågfunktionen: Plan våg 21 Jämför vågfunktioner Mekaniska vågor Amplitud: A Amplitud: E max = c B max Vågtal: Vågtal: Vinkelfrekvens: ν = λ / T = ω / k Vinkelfrekvens: c= λ / T = ω / k 22

Vågfunktionen I ett dielektrisk material är ljushastigheten mindre än c! i materia: Dielektrisk konstant K = ε / ε 0 Relative permeabilitet K m = μ / μ 0 23 Vågfunktionen i vakuum i materia Permabilitet Permittivitet Brytnings index Dielektrisk konstant Relativ permeabilitet K = ε/ε 0 K m = μ/μ 0 24

problem Del 4. Problem lösning 25 problem En laser skickar ut en sinus formad elektromagnetisk våg i den negativ x-riktningen med våglängden 10.6 μm. E-fältet är i z-riktningen och E max = 1.5 MV/m. Vad blir vågfunktionen för laser strålen? E max = c B max k = 2π/λ c= ω/k 26

problem Gult ljus med f = 5.09x10 14 Hz går från vakuum in i en diamant. Vad är våglängden i vakuum? Vad är våglängden och våghastigheten i diamanten om K = 5.84 & K m =1.00 ν=c=λ/t=λf Vakuum: Diamant: 27 problem Radiovågor med 90.0 MHz går från vakuum in i isolerande ferrit. Vad är våglängden i vakuum? Vad är våglängden och våghastigheten i ferrit om K = 10.0 & K m =1000 ν=c=λ/t=λf 28

Effekt och intensitet Del 5. Effekt och intensitet Blå Laser Effekt = 1 W 29 Repetition: Mekaniska vågor: Effekt Vågens effekt (P): Den momentana hastigheten med vilken energi transporteras av vågen. (P = energi per tidsenhet) Unit: W or J/s Våg intensitet (I): Medeleffekten som passerar en yta vinkelrät mot vågens riktning. (I = effekt per ytenhet). Unit: W/m 2 Allmänt för effekt: Vågens effekt (P): om y är den enda riktningen där hastigheten inte är noll 30

Effekt och intensitet Energitäthet (u): Energi per volymenhet p.g.a. ett elektriskt och magnetiskt fält Enhet: J/m 3 Effekt (P): Den momentana hastighet med vilken energi överförs längs en våg. Enhet: W or J/s Poynting vektorn (S): Energi som överförs per tidsenhet per ytenhet = Effekt per ytenhet. Enhet: W/m 2 Intensitet (I): Genomsnittlig effekt per ytenhet genom en yta som är vinkelrät mot vågriktning = medelvärdet av S Enhet: W/m 2 31 Effekt och intensitet Energitäthet (energi per volymsenhet) från elektromagnetiskt fält: B + B 2 = ε 0 μ 0 E 2 där Energi E-fält Energi B-fält Sammanfattning: De elektriska och magnetiska fälten bär på samma mängd energi. Energitätheten varierar med position och tid. 32

Effekt och intensitet Energi överföring = energi som överförs per tidsenhet per ytenhet. S = Effekt per ytenhet = Energi överföring = Energyflöde Sinusformade vågor: Amplituden = maximal energi överföring 33 Effekt och intensitet Intensitet = medelvärdet av S medelvärdet av cos 2 (x) = 1/2 i materia: 34

Effekt och intensitet The Hercules Petawatt Laser Effekt = 300 TW = 3x10 14 W Intensitet = 2x10 22 W/cm 2 För att få samma intensitet från sol ljus behöver man fokusera alla solstrålar som träffar jorden på ett sandkorn... 35 problem Del 5. Problem lösning 36

problem En sinusformad elektromagnetisk våg har E max = 100 V/m. Vad är B max? Givet: Vad är den maximala energitätheten? 37 En sinusformad elektromagnetisk våg har E max = 100 V/m. Vad blir vågens intensitet? problem Givet: I = S av = = 13.2 W/m 2

problem En radiostation skickar ut en sinusvåg med medeleffekten 50 kw. Vad blir amplituden på vågen om den detekteras av en satellit på 100 km avstånd? Arean: I från metod 1: I från metod 2: Amplituden för E: Amplituden för B: 39 rörelsemängd och krafter Del 6. Rörelsemängd och krafter IKAROS Satellit med 20 m stort solsegel (tjocklek 0.0075 mm) 40

rörelsemängd och krafter Kinematik Impuls: Impuls-rörelsemängds teoremet: Impulsen = Ändringen av rörelsemängden 41 rörelsemängd och krafter har en rörelsemängd ( p = E/c ). Om en våg absorberad eller reflekterad så överförs rörelsemängden till materialets yta. Överföringen av rörelsemängden skapar en kraft på ytan. Strålningstryck (p rad ) = Kraft per ytenhet ( p rad = F/A ). 42

rörelsemängd och krafter Crooke s radiometer Strålningstryck eller en termisk effekt? https://www.youtube.com/watch?v=r7nei_c9yh0 43 problem Del 7. Problem lösning 44

problem En satellit har 4.0 m 2 stora solpaneler som träffas av sol ljus med intensiteten 1.4x 10 3 W/m 2. Om allt ljus absorberas hur stor blir genomsnittseffekten? Intensitet = effekt per ytenhet: 45 problem En satellit har 4.0 m 2 stora solpaneler som träffas av sol ljus med intensiteten 1.4x 10 3 W/m 2. Om allt ljus absorberas hur stor blir kraften på sol panelerna? p rad = 1.4 x 10 3 / 3.0 x 10 8 = 4.7 x 10-6 N/m 2 Tryck = Kraft per ytenhet: 46