516-0861/01 – Akustika a optika (AaO)
| Garantující katedra | Institut fyziky | Kredity | 4 |
| Garant předmětu | prof. RNDr. Petr Hlubina, CSc. | Garant verze předmětu | doc. RNDr. Jan Kopečný, CSc. |
| Úroveň studia | pregraduální nebo graduální | Povinnost | povinný |
| Ročník | 2 | Semestr | letní |
| | Jazyk výuky | čeština |
| Rok zavedení | 2003/2004 | Rok zrušení | 2006/2007 |
| Určeno pro fakulty | HGF | Určeno pro typy studia | bakalářské |
Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi
Shrnout základní fyzikální principy a zákony akustiky a optiky
Popsat, objasnit a interpretovat jednotlivé přírodní jevy v těchto oblastech fyziky
Aplikovat jednoduché matematické metody na popis odpovídajících fyzikálních jevů
Ilustrovat získané poznatky na jednoduchých aplikacích
Vyučovací metody
Přednášky
Cvičení (v učebně)
Anotace
Předmět navazuje na předmět Teorie elektromagnetického pole a rozvíjí jej v oblasti
šíření elektromagnetických vln celého vlnového rozsahu v homogenním dielektriku.
Po zákonech šíření elektromagnetických vln probírá geometrickou optiku a fotometrii.
Dále vysvětluje vznik záření a spekter na základě kvantové teorie. Z téhož pohledu
probírá záření černého tělesa a fotoefekt. V dalších kapitolách se zabývá vlnovými
vlastnostmi světla, interferencí a ohybem světla na různých objektech. Kapitola je
uzavřena výkladem principu holografie. Samostatné kapitoly jsou věnovány polarizaci
světla, Fourierově optice a základům teorie koherence. V druhém oddílu předmětu jsou
položeny základy akustiky jako mechanického vlnění. Nejdříve jsou definovány základní
akustické veličiny. Postupně pak jsou probírány jevy uplatňující se v diagnostice jako
rychlost šíření vln látkou, jejich odraz a lom, Dopplerův jev. Následuje výklad
vlastností zvuku a základy jeho šíření v exteriéru a interiéru.
Povinná literatura:
Kopečný, J.: Fyzika IIb, Skripta VŠB-TUO, Ostrava 2000;
Krupka, F., Kalivoda,L.: Fyzika, SNTL, Praha 1989;
Štrba, A.: Optika, Alfa, Bratislava 1979.
Doporučená literatura:
Hecht, E., Zajac, A.: Optics, Addiso-Wesley Pub. Com., London 1984;
Vrbová, M.a kol.: Lasery a moderní optika, Prometheus, Praha 1994;
Obraz, J.: Zkoušení materiálu ultrazvukem, SNTL, Praha 1989.
Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta
E-learning
Další požadavky na studenta
Prerekvizity
Předmět nemá žádné prerekvizity.
Korekvizity
Předmět nemá žádné korekvizity.
Osnova předmětu
A. ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ
1. Klasifikace záření
Záření mechanická a elektromagnetická, vlnový a kvantový charakter záření,
příčné a podélné vlny, postupné a stojaté vlny.
2. Vznik a základní vlastnosti elektromagnetických vln
2.1. Vznik elektromagnetické vlny
Maxwellovy rovnice obecné, Maxwellovy rovnice pro isotropní dielektrikum,
vlnová rovnice a její řešení pro rovinnou vlnoplochu, rychlost záření.
Otevřený
kmitavý obvod, anténa. Typy vln, komplexní representace.
2.2. Spektrum elektromagnetických vln
Rozdělení spektra podle vlnových délek (frekvence) a odpovídající zdroje.
2.3. Energie přenášená elmag vlnami
Zářivá energie, hustota zářivé energie, intenzita záření, průměrná hustota
zářivé energie, průměrná intenzita záření, Poyntingův vektor.
2.4. Polarizace
Částečná a úplná polarizace, lineárně, kruhově a elipticky polarizované záření.
3. Geometrická optika
3.1. Základní konvence
Geometrická aproximace, paprsek, vlnoplocha, znaménková konvence.
3.2. Index lomuDefinice, závislost na vlnové délce a teplotě, normované indexy
lomu, klasifikace optických skel, normální a anomální disperse. Komplexní
index
lomu.
3.3. Zákony odrazu a lomu
Huygensův princip, Fermatův princip, úhly dopadu, odrazu a lomu, zákon odrazu,
Snellův zákon lomu, úplný odraz. Planparalelní deska, hranol, klín. Odraz při
lomu, odraz na kovech.
3.4. Základy optického zobrazování
3.4.1. Základní pojmyOptická soustava, skutečný a zdánlivý obraz, kolineární
zobrazení, optická osa, předmětové a obrazové veličiny, ohniska a ohniskové
roviny, hlavní body a hlavní roviny, zvětšení příčné, podélné a úhlové.
3.4.2. Zobrazení lomem na kulové plošeStřed křivosti, vrchol, poloměr
křivosti.
Paraxiální prostor, zobrazovací rovnice, ohniskové vzdálenosti, spojná
a rozptylná plocha, příčné zvětšení.
3.4.3. Zobrazení odrazem na kulové ploše
Vypuklé a duté zrcadlo, zobrazovací rovnice zrcadla, ohniskové vzdálenosti,
příčné zvětšení. Geometrická konstrukce obrazu.
3.4.4. Zobrazení tlustou a tenkou čočkou
Postupné zobrazení tlustou čočkou (paraxiální prostor). Zobrazení tenkou
čočkou, zobrazovací rovnice tenké čočky, ohniskové vzdálenosti, spojná
a rozptylná čočka, lámavost, příčné zvětšení. Geometrická konstrukce obrazu.
Zobrazení soustavou čoček. Omezení paprskových svazků. Vady zobrazení.
3.5. Základní optické přístroje
3.5.1. Lidské oko
Skladba oka, blízký a vzdálený bod, konvenční zraková vzdálenost, dalekozraké
a krátkozraké oko, vady oka a jejich korekce, rozlišovací schopnost.
3.5.2. Lupa
Princip zobrazení, zvětšení lupy.
3.5.3. Mikroskop
Princip zobrazení, objektiv a okulár, optický interval, zvětšení, prázdné
zvětšení.
3.5.4. Dalekohled
Princip zobrazení, objektiv a okulár, Galileiův a Keplerův typ, zrcadlový
dalekohled, zvětšení.
3.5.5. Fotografický objektiv
Clonové číslo, hloubka pole, světelnost
4. Fotometrie
Zářivé a fotometrické veličiny, zářivá a světelná energie, zářivý a světelný
tok, světelná a spektrální světelná účinnost záření, zářivost a svítivost, zář
a jas, ozáření a osvětlení, Lambertův zákon, osvit.
5. Kvantové vlastnosti elmag záření
5.1. Planckova kvantová hypotéza, foton
Kirchhoffovy zákony záření černého tělesa, Planckův zákon záření černého
tělesa, kvantování energie, Foton a jeho energie. Einsteinova rovnice
fotoefektu, výstupní práce, mezný kmitočet, brzdné napětí. Comptonův jev.
5.2. Bohrův model atomu
Emisní a absorbční spektrum. Bohrovy postuláty, hlavní kvantové číslo, poloměr
orbity, rychlost elektronu na orbitě a jeho energie, kmitočet vyzářeného
fotonu, základní a exitovaný stav, spektrální série.
5.3. Schrôdingerova rovnice atomu vodíku
Schrôdingerovy rovnice, vlnová funkce, vlastní hodnoty a vlastní funkce,
Schrôdingerova rovnice atomu vodíku. Hlavní, vedlejší, magnetické, spinové
a spinové magnetické kvantové číslo.
5.4. Elektronová konfigurace v atomech
Pauliho vylučovací princip, kvantový stav, slupky, kvantová stavy a spektra
molekul.
5.5. Paprsky X
Princip vzniku Rentgenova záření, spojité a charakteristické spektrum, hranice
spektra, Moseleyho zákon.
5.6. Lasery
Absorpce, spontánní a stimulovaná emise. Inverze hladin, čerpání, optický
rezonátor. Princip plynového, pevnofázového, kapalinového a polovodičového
laseru. Pulzní a spojitý režim, vlastnosti laserového záření.
6. Vlnové vlastnosti elmag záření
6.1. InterferencePrincip skládání vlnění, koherence prostorová a časová,
koherenční délka. Princip rotujícího vektoru, podmínky maxim a minim, odraz
vlnění, koherentní délka. Youngův pokus, interference na tenké vrstvě, klínu,
Newtonova skla, Vícesvazková interference. Interferometry.
6.2. Difrakce
Fresnelova a Fraunhoferova difrakce. Fraunhoferova difrakce na štěrbině,
kruhovém a čtvercovém otvoru, difrakce na optické mřížce. Difrakce
a rozlišovací schopnost optických přístrojů.
6.3. Holografie
Předmětová a informační vlna, záznam hologramu, rekonstrukce hologramu,
skutečný a zdánlivý obraz.
6.4. Difrakce paprsků X
Difrakce na krystalové mřížce, Braggova rovnice.
6.5. Difrakce částic
De Broglieho doprovodná vlna a její délka, Davisonův a Germerův pokus.
7. Polarizace elmag záření
Lineárně, kruhově a elipticky polarizované záření, matematický popis,
Fresnelovy vzorce. Metody tvorby polarizovaného záření a posuvu fáze. Částečně
polarizované záření. Optická aktivita. Interference polarizovaného záření.
8. Fourierova optika
Základní pojmy. Jednorozměrná a dvojrozměrná Fourierova transformace, Diracova
delta funkce. Optické aplikace.
9. Nelineární optika
Předpoklady vzniku, nelineární polarizace dielektrika, index lomu, aplikace.
B. AKUSTIKA
1. Mechanické vlnění
Vznik mechanického vlnění, vlnová rovnice a její řešení, vlnění příčná a
podélná, postupná a stojatá.
2. Zvukové vlnění
2.1. Základní pojmy
Dělení vlnění, rovnice pro výchylku, rychlost šíření, akustická
rychlost, tvary vlnoploch, akustický tlak, akustický vlnový odpor, efektivní
hodnoty, intenzita zvukové vlny, druhy zvukových vln.
2.2. Rychlost šíření vln látkou
Podélné, příčné a povrchové vlny v pevné látce, kapalině a plynu. Útlum
vln.
2.3. Odraz a lom vln
Součinitel odrazu a součinitel průchodu.
2.4. Dopplerův jev
Pohyb zdroje, pohyb pozorovatele, pohyb obou.
2.5. Vlastnosti zvuku
Zvuky hudební a hluky. Základní a vyšší harmonický tón. Rezonátory, Barva
zvuku.
2.6. Subjektivní síla zvuku
Prahová hodnota. Weberův - Fechnerův zákon. Hladina intenzity, hladina
hlasitosti.
2.7. Šíření zvuku v exteriéru a interiéru
Index směrovosti, útlum zvuku. Zvuková pohltivost a průzvučnost. Dozvuk.
Podmínky absolvování předmětu
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky
Předmět neobsahuje žádné hodnocení.