Fizyka i laboratorium eksperymentu

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

FILE

1

Celem przedmiotu jest zapoznanie słuchaczy z podstawowymi zagadnieniami z dziedziny fizyki ogólnej i kwantowej, niezbędnymi dla dalszego procesu kształcenia na kierunku Elektronika. Przedmiot jest prowadzony w formie wykładu oraz zajęć laboratoryjnych. Wykład jest ukierunkowany przede wszystkim na poznawanie i rozumienie ważnych zjawisk fizycznych, lecz z możliwie minimalnym wykorzystaniem zaawansowanego aparatu matematycznego. Dzięki takiemu podejściu stanowi optymalne podłoże dla zdobywania dalszych, bardziej sformalizowanych umiejętności. Towarzyszące wykładowi zajęcia laboratoryjne mają na celu przede wszystkim nabycie umiejętności świadomego planowania eksperymentu i logicznej interpretacji uzyskanych danych pomiarowych.

Treść wykładu

1. Obszar zainteresowań fizyki, metody badań. Działy fizyki, fundamentalne teorie i zakres ich zastosowania. Krótkie przypomnienie praw Newtona - wprowadzenie podstawowych pojęć i ich związek z różnymi działami fizyki.
2. Elektrodynamika I. Wstęp - zakres opisywanych zjawisk i ich związek z innymi teoriami. Elektrostatyka - ładunek jako źródło pola elektrycznego. Prawo Coulomba, pole elektryczne (wektory i pola wektorowe).
3. Elektrodynamika II. Prawo Gaussa i jego konsekwencje. Dielektryki. Stała dielektryczna. Magnetostatyka - pole magnetyczne, własności magnetyczne materii. Podatność magnetyczna.
4. Elektrodynamika III. Ruch ładunku w polu elektrycznym. Potencjał. Prąd jako źródło pola magnetycznego. Zjawisko nadprzewodnictwa.
5. Elektrodynamika IV. Pole elektromagnetyczne. Prawo Faradaya – prąd indukowany polem magnetycznym. Ruch ładunku w polu magnetycznym. Siła Lorentza.
6. Elektrodynamika V. Prawo Ampere’a i prąd przesunięcia jako domkniecie równań Maxwella. Konsekwencje wynikające z prawa Ampere’a. Powstanie fali elektromagnetycznej.
7. Fale I. Pojęcie i opis fali. Fale mechaniczne i elektromagnetyczne. Różnica pomiędzy zjawiskami falowymi i cząstkowymi. Zakres stosowalności optyki geometrycznej.
8. Fale II. Dyfrakcja i interferencja fal, obserwowalne efekty związane z tymi zjawiskami. Różnice pomiędzy światłem i dźwiękiem. Absorbcja fal elektromagnetycznych przez materię. Atomowa budowa materii.
9. Fale III. Emisja spontaniczna i wymuszona. Akcja laserowa. Różnice pomiędzy światłem słonecznym i laserowym.
10. Kwanty I. Kwanty światła. Dualizm korpuskularno-falowy. Energia i pęd fotonów. Zjawiska potwierdzające korpuskularną naturę światła.
11. Kwanty II. Cząstka jako fala w ujęciu kwantowym. Kwantowanie energii. Efekty potwierdzające falową naturę cząstek. Związek pomiędzy materią i kwantami światła. Stany splątane - kot Schodingera.
12. Zasada zachowania energii w mechanice, elektrodynamice i w teorii kwantowej. Pole jako nośnik energii. Pole grawitacyjne i elektromagnetyczne. Powierzchnie ekwipotencjalne.
13. Termodynamika I. Związek ciepła z energią. Pierwsza i druga zasada termodynamiki. Silniki cieplne jako podstawowe źródło energii użytkowej. Entropia i śmierć cieplna wszechświata.
14. Termodynamika II. Ogrzewanie i chłodzenie materii. Pojemność cieplna i rozszerzalność. Pojęcie zera bezwzględnego. Różnice pomiędzy stanami skupienia.
15. Fizyka bardzo dużych i bardzo małych obiektów. Teoria grawitacji i czarne dziury. Model standardowy i bozon Higgsa.

Zakres laboratorium

Podstawowym celem zajęć laboratoryjnych jest przekazanie ich uczestnikom informacji, w jaki sposób należy zaplanować, przeprowadzić i podsumować eksperyment – na przykładzie prostych doświadczeń z dziedziny fizyki, zrozumiałych dla absolwenta szkoły średniej. Tematy zajęć w laboratorium nie są bezpośrednio związane z tematyką wykładów, a ich podstawowym celem nie jest sprawdzanie wiedzy nabytej podczas wykładów. Tematy ćwiczeń mogą być różne w poszczególnych grupach laboratoryjnych, a w szczególnych przypadkach mogą być też zaproponowane przez słuchaczy. Zadaniem słuchaczy jest przygotowanie się do zajęć w warstwie teoretycznej na podstawie zaleconej literatury, a następnie aktywne uczestniczenie w zajęciach w laboratorium. Zajęcia są prowadzone w kilkuosobowych zespołach laboratoryjnych.

Przewidziane są cztery spotkania, których charakter jest opisany poniżej:

1. Zajęcia o charakterze demonstracyjnym. W czasie zajęć prowadzący pokazuje, w jaki sposób należy przejść od postawionego problemu do zaplanowania i wykonania eksperymentu, a następnie zanotowania zebranych wyników. Ocenie podlega opracowanie tych wyników, dokonywane przez zespoły laboratoryjne po zakończeniu zajęć w laboratorium.
2. Ćwiczenie wykonywane przez słuchaczy według ustalonego planu, z bieżącą pomocą prowadzącego zajęcia. Głównym, podlegającym ocenie zadaniem słuchaczy jest prawidłowe zebranie, zanotowanie i opracowanie wyników uzyskanych w trakcie przeprowadzonych pomiarów i obserwacji.
3. Celem zajęć jest zaplanowanie i przeprowadzenie eksperymentu dotyczącego zadanego tematu, wykonane pod nadzorem i przy pomocy prowadzącego.
4. Samodzielne przeprowadzenie eksperymentu, wybranego z puli tematów zaproponowanych przez prowadzących zajęcia. Zadaniem zespołu laboratoryjnego jest prawidłowe opracowanie kompletnej dokumentacji przeprowadzonych działań.

Przykładowe tematy ćwiczeń laboratoryjnych:

1. Wyznaczenie ciężaru właściwego piasku bez wagi, posiadając szklankę, słój z wodą i linijkę - prawo Archimedesa.
2. Badanie zależności częstotliwości drgań wahadła od jego długości, kształtu, masy oraz amplitudy drgań. Obserwacja zjawiska rezonansu mechanicznego. Przekaz energii mechanicznej.
3. Określenie współczynnika załamania oleju jadalnego, gdy ma się do dyspozycji naczynie szklane, wskaźnik laserowy, papier milimetrowy i linijkę.
4. Znalezienie ogniskowej soczewki skupiającej. Określenie współczynnika załamania materiału, z którego wykonano soczewkę.
5. Fale elektromagnetyczne. Zbadanie długości fali promieniowania mikrofalowego używanego w kuchenkach. Określenie długości fale świetnej przy użyciu interferencji na płycie CD.
6. Wyznaczenie sprawności baterii słonecznej.
7. Obserwacja zjawiska interferencji ultradźwięków. Pomiar prędkości fali ultradźwiękowej.
8. Wykrywanie biegunów magnetycznych:
   • za pomocą obserwacji linii sił pola magnetycznego używając opiłków żelaza - określenie liczby biegunów np. w magnesie na lodówkę,
   • określając kierunek indukowanego prądu.
9. Prosty transformator: porównanie prądu indukowanego w transformatorze bez rdzenia i z rdzeniem. Badanie zależności indukowanego napięcia lub prądu od liczby zwojów.
10. Pomiar siły magnetycznej za pomocą lewitujących magnesów umieszczonych na wspólnej osi.
11. Badanie ruchu magnesu w miedzianej i plastikowej rurze - oszacowanie siły, która powstaje w wyniku oddziaływania prądów wirowych na magnes poprzez pomiar czasu spadania.
12. Analiza toru ruchu magnesu po płycie miedzianej - wyjaśnienie przy użyciu indukowanych prądów wirowych i reguły Lentza.
13. Badanie efektu Dopplera poprzez pomiar częstotliwości dudnienia po dodaniu sygnału nadajnika i odbiornika.

1. Hewitt P.: „Fizyka wokół nas”, PWN 2015.
2. Halliday D., Resnick R., Walker J.: „Podstawy Fizyki”, PWN 2015, wyd. 2.
3. Feynmann R., Leighton R., Matthew S.: „Feynmanna wykłady z fizyki”, PWN 2019.

103300 - Instytut Systemów Elektronicznych

103300 - Instytut Systemów Elektronicznych

103300 - Instytut Systemów Elektronicznych

103300 - Instytut Systemów Elektronicznych

103300 - Instytut Systemów Elektronicznych