Optyka i fale

obowiązkowe

w sali

Celem przedmiotu (realizowanego w formie wykładu, konwersatorium oraz laboratorium) jest zapoznanie studentów z podstawami optyki geometrycznej oraz fizyki fal oraz z formalizmami związanymi z opisem światła spolaryzowanego oraz z propagacją fali elektromagnetycznej w materii. Studenci mają możliwość zapoznania się z tymi zjawiskami poprzez ich prezentacje na wykładzie oraz w trakcie własnoręcznie wykonanych doświadczeń w laboratorium. Wykład jest ilustrowany materiałami multimedialnymi. Na konwersatorium wykonywane są ćwiczenia rachunkowe umożliwiające jakościową i ilościową analizę praw i zjawisk z optyki i fal.

Profil studiów: ogólnoakademicki

Forma studiów: stacjonarne

Rodzaj przedmiotu: obowiązkowy (Moduł 1: Podstawy fizyki)

Dziedzina i dyscyplina nauki: Dziedzina nauk ścisłych i przyrodniczych, Dyscyplina nauki fizyczne

Rok studiów/semestr: 2 rok/ 4 semestr

Wymagania wstępne: Elementy podstaw fizyki (elektryczność i magnetyzm - równania Maxwella) oraz matematyki (elementy rachunku różniczkowego i całkowego)

Liczba godzin zajęć dydaktycznych 60 godzin : wykład - 15, konwersatorium -15 laboratorium - 30 godz.

Metody dydaktyczne: wykład, pokaz, ćwiczenia rachunkowe, laboratorium, dyskusja, konsultacje,

Punkty ECTS: 6

Bilans nakładu pracy studenta: udział w zajęciach (wykłady - 15, konwersatorium - 15 laboratorium - 30 godz.) udział w konsultacjach (15 godz.), praca własna w domu i przygotowanie do zaliczeń oraz egzaminu.

Wskaźniki ilościowe: nakład pracy studenta związany z zajęciami wymagającym bezpośredniego udziału nauczyciela – 4.2 ECTS.

Zakres tematów:

1. Optyka geometryczna – pomiary prędkości światła, prawa odbicia i załamania, zasada Fermata.

2. Całkowite wewnętrzne odbicie, światłowody, dyspersja światła.

3. Zwierciadła sferyczne, soczewki cienkie.

4. Optyka geometryczna - podstawowe przyrządy optyczne, soczewki grube, camera obscura.

5. Drgania swobodne i wymuszone, równanie falowe, fale płaskie i kuliste, wektorowa natura fali elektromagnetycznej, prędkość fazowa i

grupowa, efekt Dopplera, wzory Fresnela.

6. Interferencja światła - doświadczenie Younga, interferometr Michelsona, interferencja światła przy wielokrotnym odbiciu.

7. Długość spójności, spójność podłużna i poprzeczna, spójność czasowa i przestrzenna.

8. Dyfrakcja światła na pojedynczej szczelinie, dyfrakcja Fresnela i Fraunhofera.

9. Kryterium Raileigha, siatka dyfrakcyjna.

10. Płytka strefowa Fresnela, opis matematyczny Fresnela-Kirchoffa.

11. Falowy opis powstawania obrazu w mikroskopie, transformacje optyczne, filtracja przestrzenna, spektroskopia fourierowska.

12. Holografia

13. Polaryzacja światła, prawo Malusa, formalizm wektorów Jonesa, ćwierćfalówka.

14. Optyka ciała stałego, anizotropia optyczna, aktywność optyczna, magnetooptyczne efekty Faraday’a i Kerra.

Literatura zalecana:

Samuel J. Ling, Jeff Sanny, William Moebs, Fizyka dla szkół wyższych Tom II i III, (2018) Katalyst Education, ISBN-13 wersji PDF

978-83-948838-4-3, OpenStax Polska.

J.Ginter, Fizyka fal, PWN Warszawa1993,

J.R.Meyer-Arendt, Wstęp do optyki; PWN Warszawa1977.

Sz.Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, cz V, Optyka, PWN , Warszawa 1967.

A.Piekara, Nowe oblicze optyki, PWN Warszawa1976,

Encyklopedia Fizyki Współczesnej, PWN, Warszawa 1983.

F.C Crawford, Fale, PWN, Warszawa 1972.

J.Petykiewicz, Optyka falowa. PWN Warszawa 1986.

Literatura dodatkowa:

R.P.Feynman, R.B.Leighton, M.Sands, Feymana wykłady z fizyki –1.2. Optyka. Termodynamika. Fale, wyd. VI, PWN Warszawa 2007.

G.Fowles, Introduction to modern optics, Dover Publications, 1989.

Andrzej Kajetan Wróblewski, Historia Fizyki, Wydawnictwo Naukowe PWN 2007

W.Bolton, Zarys fizyki, PWN Warszawa 1982.

David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Podstawy fizyki. Tom 4, PWN 2008

Student

1. rozumie fundamentalne znaczenie fizyki dla rozwoju technologicznego, gospodarczego i cywilizacyjnego K_W01

2. rozumie rolę modelu ilościowego i abstrakcyjnego opisu obiektu fizycznego oraz zjawiska fizycznego w zakresie podstawowych działów fizyki K_W02

3. uzyskuje świadomość wagi eksperymentu jako sposobu weryfikacji koncepcji teoretycznych oraz świadomość niepewności eksperymentalnych K_W03

4. ma wiedzę w zakresie podstawowych pojęć i formalizmu optyki oraz fizyki elektromagnetycznych zjawisk falowych a także teoretycznych modeli wybranych układów optycznych i falowych, zna i rozumie granice ich stosowalności - K_W14

5. zna sposoby eksperymentalnej weryfikacji praw i koncepcji fizycznych, zna budowę oraz zasady działania aparatury pomiarowej do wybranych doświadczeń z zakresu optyki i fizyki elektromagnetycznych zjawisk falowych - K_W15

6. umie analizować problemy z zakresu optyki i fizyki zjawisk falowych, znajdować i przedstawiać ich rozwiązania w oparciu o zdobytą wiedzę oraz przy wykorzystaniu poznanych narzędzi matematyki wykonywać analizy ilościowe i wyciągać wnioski jakościowe - K_U12

7. umie planować i wykonywać proste doświadczenia z zakresu optyki i fizyki zjawisk falowych , krytycznie analizować ich wyniki oraz je prezentować - K_U13

8. zna ograniczenia swojej wiedzy i rozumie potrzebę dalszego kształcenia, podnoszenia kompetencji zawodowych, osobistych i społecznych K_K01;

9. potrafi pracować w zespole przyjmując w nim różne role, w tym w szczególności rolę kierowniczą, potrafi przyjąć odpowiedzialność za realizowane zadanie zespołowe K_K02.

Zaliczenie konwersatorium uwzględnia: (i) wyniki kolokwiów z ćwiczeń rachunkowych; (ii) oceny aktywności w trakcie zajęć (iii) oceny z

rozwiązywania zadań domowych.

Zaliczenie laboratorium uwzględnia: (i) merytoryczne przygotowanie do eksperymentu, w tym rozumienie działania zestawu doświadczalnego, (ii) rzetelność przeprowadzonych pomiarów; (iii) sposób opracowania wyników i dyskusji błędów pomiarowych; (iv) zdolność do współpracy w zespole laboratoryjnym.

Egzamin z wykładu składa się z części pisemnej i ustnej uwzględnia się znajomość efektów omawianych na wykładzie (zrozumienia pokazywanych eksperymentów) oraz wprowadzonych formalizmów do opisu do opisu wybranych zjawisk.