Elektryczność i magnetyzm

obowiązkowe

w sali

Celem przedmiotu (realizowanego w formie wykładu, konwersatorium oraz laboratorium) jest zapoznanie studentów z: (i) podstawowymi pojęciami oraz z formalizmem związanym z opisem źródeł pola elektrycznego, i magnetycznego; (ii) podstawowymi zjawiskami elektromagnetycznymi; (iii) podstawami optyki geometrycznej i falowej. 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 wybranych praw z elektryczności, magnetyzmu i optyki.

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/ 3 semestr

Wymagania wstępne: Elementy podstaw fizyki (mechanika) oraz matematyki (elementy rachunku różniczkowego i całkowego)

Liczba godzin zajęć dydaktycznych 90 godzin : wykład - 30, konwersatorium - 30 laboratorium - 30 godz.

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

Punkty ECTS: 8

Bilans nakładu pracy studenta: udział w zajęciach (wykłady - 30, konwersatorium - 30 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 - 5.4 ECTS.

Zakres tematów:

Ładunki i pola, prawo Coulomba, wektor natężenia pola elektrycznego, prawo Gaussa, praca i energia w elektrostatyce, potencjał elektryczny

Gradient funkcji skalarnej, dywergencja funkcji wektorowej, twierdzenie Gaussa-Ostrogradskiego, laplasjan, rotacja funkcji wektorowej, twierdzenie Stokesa, równanie Poissona i równanie Laplace’a

Pole elektryczne wokół przewodników, pojemność przewodnika, kondensator próżniowy, prąd elektryczny, gęstość prądu, opór elektryczny, prawo Ohma,

Siła elektromotoryczna ogniwa, prawa Kirchhoffa, prawa elektrolizy Faraday’a, pola elektryczne wokół ładunku w ruchu,

Pole magnetyczne, prawo Biota-Savarta, prawo Ampera, siła Lorentz’a, przewodnik z prądem w polu magnetycznym, ruch ładunku w polu elektrycznym i magnetycznym

Indukcja elektromagnetyczna, równania Maxwella

Obwody prądu zmiennego, oscylacje harmoniczne w obwodzie LC, drgania wymuszone w obwodzie RLC, rezonans, prąd i napięcie skuteczne

Optyka geometryczna – pomiary prędkości światła, prawa odbicia i załamania, zasada Fermata, całkowite wewnętrzne odbicie, światłowody, dyspersja światła

Zwierciadła sferyczne, soczewki cienkie, podstawowe przyrządy optyczne

Drgania swobodne i wymuszone, równanie falowe, fale płaskie i kuliste, wektorowa natura fali elektromagnetycznej, prędkość fazowa i grupowa, interferencja światła - doświadczenie Younga, interferometr Michelsona, interferencja światła przy wielokrotnym odbiciu

Długość spójności, dyfrakcja światła na pojedynczej szczelinie, dyfrakcja Fraunhofera

Kryterium Raileigha, siatka dyfrakcyjna

Falowy opis powstawania obrazu w mikroskopie, filtracja przestrzenna, holografia

Polaryzacja światła, prawo Malusa, aktywność optyczna, magnetooptyczne efekty Faraday’a i Kerra

Samuel J. Ling, Jeff Sanny, William Moebs, Fizyka dla szkół wyższych, (2018) Katalyst Education, ISBN-13 wersji PDF, 978-83-948838-4-3, OpenStax Polska.

D. Holliday, R.Resnick, J.Walker, Podstawy fizyki, PWN 2008.

E.M.Purcell, Elektryczność i magnetyzm, PWN Warszawa 1974.

S. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna: elektryczność i magnetyzm, PWN Warszawa 1966.

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

S. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna: cz V, Optyka, PWN Warszawa 1967.

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. zna i rozumie podstawowe pojęcia oraz wybrane zjawiska dotyczące elektryczności i magnetyzmu - rozumie treść równań Maxwella K_W10

5. 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

6. 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

7. umie analizować problemy z zakresu elektryczności i magnetyzmu, znajdować i przedstawiać ich rozwiązania w oparciu o zdobytą wiedzę oraz przy wykorzystaniu poznanych narzędzi matematyki wykonywać analizy ilościowe i wyciągać wnioski jakościowe K_U08

8. umie planować i wykonywać proste doświadczenia z zakresu elektryczności i magnetyzmu, krytycznie analizować ich wyniki oraz je prezentować K_U09

9. 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

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

11. umie ze zrozumieniem i krytycznie korzystać z literatury i zasobów Internetu w odniesieniu do problemów elektryczności i magnetyzmu K_U17;

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

13. 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 elektryczności, magnetyzmu i optyki.