31- 46 sciaga fiz(1).doc

(1334 KB) Pobierz

31. Przenoszenie energii przez falę elektromagnetyczną, wektor Poyntinga

Jedną z ważnych własności fali elektromagnetycznej jest zdolność do przenoszenia energii. Szybkość i kierunek przepływu energii przez jednostkową powierzchnię płaskiej fali elektromagnetycznej można opisać wektorem Poyntinga określonym następująco:

(wzór z wektorami!!! – dopisać nad S, E i B)

Średnia wartość wektora Poyntinga równa się natężeniu fali.

32. Przenoszenie informacji przez falę elektromagnetyczną, rodzaje modulacji.

Fale elektromagnetyczne to rozprzestrzenianie się zaburzenia elektromagnetycznego w postaci zmiennego pola elektrycznego i magnetycznego w środowisku otaczającym źródło tych zaburzeń lub w próżni, którym towarzyszy przenoszenie się energii elektromagnetycznej. Fala elektromagnetyczna w ośrodku jednorodnym jest falą poprzeczną. Najprostszą falą elektromagnetyczną jest fala monochromatyczna. W zależności od kształtu powierzchni falowej rozróżnia się np. fale kuliste, cylindryczne, płaskie i inne. Długości fal

elektromagnetycznych mieszczą się w szerokich granicach. Wszystkie rodzaje tych fal, niezależnie od ich długości ulegają tłumieniu, odbiciu, załamaniu, dyfrakcji, interferencji itd..

Modulacja amplitudy (AM z ang. Amplitude Modulation), to jedna z trzech podstawowych rodzajów modulacji. Polega na zakodowaniu sygnału informacyjnego (szerokopasmowego o małej częstotliwości) w chwilowych zmianach amplitudy sygnału nośnego (inaczej nazywanej falą nośną). Uzyskany w wyniku sygnał zmodulowany jest sygnałem wąskopasmowym, który nadaje się np. do transmisji drogą radiową. Rysunek po prawej stronie pokazuje wygląd sygnału zmodulowanego AM tonem sinusoidalnym.

FM (ang. Frequency Modulation) – modulacja częstotliwości, czyli kodowanie informacji w fali nośnej przez zmiany jej chwilowej częstotliwości, w zależności od sygnału wejściowego. Częstotliwość sygnału nośnego o częstotliwości fn zmienia się w zakresie od fn − Δf do fn + Δf.

Modulacja fazy, (z ang. Phase Modulation - PM ) czyli kodowanie informacji w fali nośnej przez zmianę jej chwilowej fazy, w zależności od sygnału wejściowego. Modulacja fazy jest rzadko używana w systemach analogowych, gdyż modulacja częstotliwości (FM) pozwala na zastosowanie prostszych modulatorów i demodulatorów sygnału. Sygnał modulowany fazowo można przekształcić na sygnał modulowany częstotliwościowo i w ten sposób dokonuje się zazwyczaj demodulacji PM. Modulacja fazy jest natomiast szeroko stosowana w transmisji cyfrowej.

33. Promieniowanie słoneczne i jego wpływ na powstawanie wiatru

Energia słoneczna przechodzi najpierw przez przestrzeń kosmiczną, a następnie przez atmosferę ziemską i na końcu jest pochłaniana przez powierzchnię Ziemi, ogrzewając ją. Prądy konwekcyjne związane z nierównym ogrzewaniem. Powietrze ogrzane unosi ku górze, przy czym następuje jego rozszerzenie z jednoczesnym ochłodzeniem. Na jego miejsce spływa z góry powietrze chłodniejsze. W ciągu dnia ląd jest cieplejszy, od wody (gdyż ma mniejsze ciepło właściwe). Natomiast w nocy ląd jest chłodniejszy i wtedy kierunki prądów konwekcyjnych się odwracają.

34. Ciało doskonale czarne i jego promieniowanie

Widmo emitowane przez ciała stałe ma charakter ciągły. Szczegóły tego widma są prawie niezależne od rodzaju substancji. Widmo silnie zależy od temperatury.

Rayleigh i Jeans wykonali obliczenia energii promieniowania we wnęce (promieniowania ciała doskonale czarnego). Najpierw zastosowali oni klasyczną teorię pola elektromagnetycznego do pokazania, że promieniowanie wewnątrz wnęki ma charakter fal stojących (węzły na ściankach wnęki). Zgodnie z fizyką klasyczną energia każdej fali może przyjmować dowolną wartość od zera do nieskończoności, przy czym energia jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy i częstotliwości. Następnie Rayleigh i Jeans obliczyli wartość średniej energii i znaleźli widomą zdolność emisyjną.

W 1900 r. Max Planck podał nową teorię promieniowania. Założył on, że atomy i cząsteczki wysyłają promieniowanie nie w sposób ciągły, ale w postaci porcji energii (kwantów) zależnych jedynie od częstotliwości fali. Zależność kwantów energii od częstotliwości fali dana jest wzorem:

E = h · ν

h – stała Plancka 6,62 · 10-34 J·s

35. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne, równanie, jaką naturę światła potwierdza – uzasadnienie

Zjawisko fotoelektryczne zewn. To Zjawisko fizyczne polegające na wybijaniu elektronów z powierzchni metalu pod wpływem światła.

Gdy napięcie jest dostatecznie duże, wtedy prąd fotoelektryczny osiąga maksymalną wartość (prąd nasycenia). Wszystkie elektrony wybijane z płytki K docierają do elektrody A. Jeżeli zmienimy znak napięcia U, to prąd nie spada do zera natychmiast. Oznacza to, że fotoelektrony emitowane z płytki K mają pewną energię kinetyczną. Jej maksymalna wartość wynosi:

Ek max = e · U0

Cechy zjawiska fotoelektrycznego:

1. Z teorii klasycznej wynika, że większe natężenie światła oznacza większą energię fali, a więc gdy rośnie natężenie światła to powinna rosnąć energia kinetyczna elektronów. Tymczasem Ek max nie zależy od natężenia światła

2. Zgodnie z teorią falową zjawisko fotoelektryczne powinno występować dla każdej częstotliwości światła pod warunkiem dostatecznego natężenia. Jednak dla każdego materiału istnieje progowa częstotliwość ν0 poniżej której nie obserwujemy zjawiska fotoelektrycznego bez względu na jak silne jest oświetlenie.

3. Ponieważ energia w fali jest „rozłożona” w całej przestrzeni to elektron absorbuje tylko niewielką część energii z wiązki (bo jest bardzo mały). Można więc spodziewać się opóźnienia pomiędzy początkiem oświetlenia, a chwilą uwolnienia elektronu (elektron musi mieć czas na zgromadzenie dostatecznej energii). Jednak nigdy nie stwierdzono żadnego mierzalnego opóźnienia czasowego.

Einsteinowi udało się wyjaśnić efekt fotoelektryczny dzięki założeniu, że energia wiązki świetlnej rozchodzi się w przestrzeni w postaci porcji (kwantów) energii zwanych fotonami. Energia pojedynczego fotonu dana jest wzorem:

E = h ∙ ν

h ∙ ν = Ф + Ek max

Ф – praca wyjścia

36. Dualizm światła (promieniowania elektromagnetycznego), masa fotonu

Światło ma jednocześnie własności falowe i kwantowe. Masa fotonu (w ruchu):

E = h · ν, E = mc2

Pęd fotonu:

37. Postulaty modelu Bohra

Podstawową cechą modelu atomu jest to, że umożliwia przewidywanie widm promieniowania wysyłanego przez atomy. Założenie modelu: elektron porusza się po orbitach kołowych o promieniu r ze środkiem w miejscu jądra, jądro (pojedynczy proton) jest tak ciężkie, że środek masy pokrywa się ze środkiem protonu

Postulaty:

1. Zamiast nieskończonej liczby orbit dozwolonych z punktu widzenia mechaniki klasycznej, elektron może poruszać się po takich orbitach, dla których moment pędu L jest równy całkowitej wielokrotności stałej Plancka podzielonej przez 2π

2. W atomie istnieją takie orbity, na których poruszające się elektrony nie promieniują energii

3.

Promieniowanie elektromagnetyczne zostaje tylko wysłane gdy elektron poruszający się po orbicie o całkowitej energii Ej zmienia swój ruch skokowo, tak że porusza się następnie po orbicie o energii Ek

Częstotliwość emitowanego promieniowania jest równe:

38. Louis de Broglie, fale materii

W 1924 roku Louis de Broglie doszedł do wniosku, że jeżeli światło ma dwoistą (falowo-cząsteczkową) naturę to także materia która składa się z cząstek powinna wykazywać własności falowe. Długość przewidywanych fal materii jest określona tym samym związkiem, który stosuje się do fotonów:

Każdej poruszającej się cząstce materialnej można przypisać falę materii, której długość jest określona wzorem de Broglie’a

39. Zasada nieoznaczoności Heisenberga

Werner Heisenberg stwierdził, że nigdy nie będziemy w stanie określić jednocześnie dokładnie pędu i położenia cząsteczki. Iloczyn błędów z jakim zmierzymy obie te wielkości nie może być mniejszy od stałej Plancka: ∆p ∙ ∆x ≥ h

40. Funkcja falowa i jej związek z prawdopodobieństwem znalezienia cząstki

Do opisu cząstki potrzebna jest znajomość funkcji falowej Ψ. Funkcja falowa może przyjmować wartości zespolone, które nie mają bezpośredniego znaczenia fizycznego. Kwadrat modułu funkcji falowej Ψ (x, y, z, t) jest równy gęstości prawdopodobieństwa p(x, y, z, t) znalezienia cząstki w chwili t w punkcie przestrzeni o współrzędnych (x, y, z) Ψ* · Ψ = | Ψ|2 = p

gdzie Ψ* - funkcja falowa zespolona sprzężona z Ψ

41. Równanie Schrödingera

Aby przeprowadzić ruch cząstek w zjawiskach fizycznych należy znaleźć postać funkcji falowej. Funkcja ta jest rozwiązaniem równania różniczkowego zwanego równaniem Schrödingera:

∂Ψ ħ2 ∂2 Ψ ∂2 Ψ ∂2 Ψ

iħ ∂t = 2m ∂x2 + ∂y2 + ∂z2 + UΨ

m – masa cząsteczki

U – energia potencjalna cząsteczki

Jeżeli rozpatrzymy cząsteczkę poruszająca się w kierunku x w obszarze w którym energia potencjalna nie zależy od czasu U(x,t) = U(x) wówczas równanie Schrödingera redukuje się do postaci:

ħ2 ∂2Ψ(x)

- 2m ∂x2 + UΨ(x) = EΨ(x)

E – całkowita energia mechaniczna cząstki

Podstawiając liczbę falową

otrzymujemy prostszą postać równania Schrödingera:

∂2Ψ

∂x2 + k2Ψ = 0

42. Cząstka swobodna i w studni potencjału (opis założeń i wyniku)

Cząstka swobodna

W przypadku gdy na cząstkę (np. elektron swobodny) nie działają żadne siły zewnętrzne, enegria potencjalna U(x,y,z) = 0. Niech cząstka porusza się w kierunku osi x a jej energia kinetyczna wynosi E. Wówczas funkcja falowa Ψ opisuje falę płaską