Podstawy fizyki. Notatki do wykładów.

1
ZESTAW PYTAŃ I ZAGADNIEŃ NA EGZAMIN
Z FIZYKI cz. 2 – 2013/14
Ruch falowy
1. Co to jest fala mechaniczna? Podaj warunki niezb˛edne do zaobserwowania rozchodzenia si˛e fali mechanicznej.
2. Jaka wielkość fizyczna jest przekazywana przez fal˛e? Co drga w przypadku rozchodzenia si˛e fali mechanicznej?
3. Co to jest fala podłużna oraz fala poprzeczna – od czego zależy możliwość
powstania fali poprzecznej w ośrodku, dlaczego fala akustyczna nie jest
fala˛ poprzeczna?
˛
4. Jakie wielkości powinieneś znać, żeby ocenić jak daleko jest burza? Pr˛edkość światła, dźwi˛eku, czy może obie te wielkości? Uzasadnij.
5. Podstawowe definicje wielkości w ruchu falowym, takich jak: promień
fali, czoło fali (fale płaskie, kuliste), faza fali, długość fali.
6. Przedstaw równanie fali płaskiej y(x, t), jego wyprowadzenie przedstaw
korzystajac
˛ z analizy drgań ośrodka w pewnej odległości x od źródła
zaburzenia.
7. Przedstaw analiz˛e równania falowego y(x, t) = 0, 2 sin(πt − 2x), tj. znajdź
amplitud˛e fali, jej długość, pr˛edkość rozchodzenia si˛e fali w ośrodku,
maksymalna˛ pr˛edkość drgań czastek
˛
ośrodka oraz ich maksymalne wychylenie z położenia równowagi. Wartości odpowiednich wielkości w tym
równaniu podane sa˛ w odpowiednich jednostkach układu SI.
8. Pr˛edkość fazowa i grupowa fali. Poj˛ecie paczki falowej. Zjawisko dyspersji fali.
9. Jak powstaje fala stojaca.
˛
Wyprowadź równanie fali stojacej.
˛
Co to jest
strzałka i w˛ezeł fali stojacej?
˛
10. Opisz zjawisko Dopplera i przedstaw różne przypadki rejestrowanej
cz˛estotliwości.
11. Przedstaw równanie różniczkowe fali i jego interpretacja.
12. Wyjaśnij jak można stwierdzić obecność pola magnetycznego, gdy nie
posiadasz igły magnetycznej. Podaj i omów wzór na sił˛e Lorentza (dla
pola elektrycznego oraz magnetycznego).
13. Przedstaw prawo Faradaya. Podaj reguł˛e Lenza – zwiazek
˛
pomi˛edzy polem magnetycznym indukowanym a polem pierwotnym. W jaki sposób
zmienny prad
˛ w uzwojeniu pierwotnym transformatora (powietrznego)
wytwarza prad
˛ w uzwojeniu wtórnym?
14. Podaj treść prawa Ampere’a.
dr inż. Ireneusz Owczarek
CMF – 2013
2
15. Przedstaw równania Maxwell’a w postaci różniczkowej i podaj ich interpretacj˛e.
16. Podaj najważniejsze cechy pól elektrycznego i magnetycznego fali elektromagnetycznej.
17. Ile wynosi pr˛edkość fali fali elektromagnetycznej, według równań Maxwell’a, jeśli rozchodzi si˛e ona w próżni? Czy pr˛edkość światła w próżni
jest stała?
Optyka
1. Sformułuj zasady Fermata i Huygensa rozchodzenia si˛e fali.
2. Jak definiuje si˛e współczynnik załamania dla danego materiału lub ośrodka?
3. W jakich warunkach może dojść do całkowitego wewn˛etrznego odbicia
fali na granicy dwóch ośrodków?
4. Na czym polega konstrukcja czoła fali metoda˛ Huygensa.
5. Podaj treść zasady superpozycji dla zaburzenia pochodzacego
˛
od kilku
fal.
6. Na czym polega interferencja fal. Jakie sa˛ warunki, aby dwie fale mogły
ulec maksymalnemu wzmocnieniu/osłabieniu? Jaka musi być różnica
dróg optycznych dla maks. wzmocnienia/osłabienia fal?
7. Jakie fale nazywa si˛e spójnymi? Podaj warunek wzmocnienia i wygaszenia fal.
8. Na czym polega dyfrakcja fal na obiektach o rozmiarach porównywalnych z długościa˛ fali padajacej?
˛
9. Podaj warunek obserwacji wzmocnienia fal promieniowania rentgenowskiego ugi˛etych na strukturze kryształu. Dlaczego fale rentgenowskie moga˛ uginać si˛e na krystalicznej strukturze materiału?
10. Co to znaczy, że fala jest niespolaryzowana? Co to znaczy, że fala jest
spolaryzowana liniowo?
11. Jak zmienia si˛e nat˛eżenie światła jeśli przechodzi ono przez dwa polaryzatory skr˛econe wzgl˛edem siebie o kat
˛ ϕ. Jakie znasz sposoby polaryzacji
światła?
Optyka kwantowa
1. Co to jest zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego? Przedstaw prawo
Stefana-Boltzmana i prawo Wiena.
2. Jakie ciała nazywa si˛e doskonale czarnymi ? Czy w przyrodzie spotyka
si˛e takie ciała ? Podaj ewentualne przykłady takich ciał.
dr inż. Ireneusz Owczarek
CMF – 2013
3
3. W jaki sposób Max Planck zmodyfikował model „klasyczny” promieniowania cieplnego? Jaka jest średnia energia takiego kwantowego oscylatora
w tym modelu?
4. Które obserwacje dotyczace
˛ zjawiska fotoelektrycznego zewn˛etrznego nie
dały si˛e wyjaśnić na gruncie teorii falowej.
5. Dlaczego nie można wyjaśnić zjawiska fotoelektrycznego „klasycznymi”
metodami elektrodynamiki. Które fakty doświadczalne z tego zjawiska
nie daja˛ si˛e wyjaśnić „klasycznie”?
6. Jakie założenia dotyczace
˛ fal elektromagnetycznych przyjał
˛ Einstein
w zjawisku fotoelektrycznym? Napisz równanie bilansu energii przy
zderzeniu fotonu z elektronem w zjawisku fotoelektrycznym. Od jakich
wielkości fizycznych zależy energia fotonu.
7. Wyjaśnij poj˛ecie "dualizm korpuskularno-falowy", podać treść hipotezy
de Broglie’a i jego wzór.
8. De Broglie zaproponował, że każdy obiekt fizyczny, który posiada p˛ed
posiada także natur˛e falowa.˛ Jak definiuje si˛e długość fali materii? Napisz
wzór i objaśnij symbole.
9. Czy elektrony moga˛ ulegać zjawiskom falowym dyfrakcji i interferencji?
Dlaczego?
10. Dlaczego nie obserwuje si˛e efektów falowych dla poruszajacych
˛
si˛e dużych obiektów jak np. piłka tenisowa, samochód?
11. W modelu atomu wodoru Bohra przyj˛ete sa˛ pewne założenia dotyczace
˛
ruchu elektronów wokół jadra
˛
atomowego. Podaj znane postulaty.
12. Emisja i absorpcja światła według modelu Bohra budowy atomu wodoru.
13. Ile wynosi energia elektronu w modelu atomu wodoru Bohr’a? Podaj
zależność od liczby kwantowej n.
14. Czy elektron w atomie wodoru może przyjmować dowolne stany o dowolnej wartości energii? Na czym polega „kwantowanie” energii elektronu?
15. Dlaczego model atomu według Bohra nie jest do końca prawdziwy?
16. Jakie warunki musza˛ spełniać funkcje falowe, aby były fizycznie uzasadnione?
17. Przedstaw znane postulaty mechaniki kwantowej.
18. Przedstaw równania Schrödingera stacjonarne i zależne od czasu.
19. Wyznacz wartości własne energii czastki
˛
En w jednowymiarowej jamie
potencjału.
dr inż. Ireneusz Owczarek
CMF – 2013
4
Lasery i półprzewodniki
1. Opisz zjawisko emisji wymuszonej i porównaj je z emisja˛ spontaniczna.˛
W jaki sposób zachodzi wzbudzanie czastek
˛
aktywnych w laserze rubinowym (albo w laserze He-Ne)?
2. Zwiazek
˛
pomi˛edzy poziomami energetycznymi w izolowanych atomach
a pasmami energetycznymi dla elektronów w sieci krystalicznej utworzonej z takich samych atomów. Wymień różnice mi˛edzy pasmem walencyjnym i pasmem przewodzenia.
3. Podaj podobieństwa i różnice mi˛edzy metalem, półprzewodnikiem i izolatorem w modelu pasmowym.
4. Narysuj i wyjaśnij wpływ domieszki donorowej i akceptorowej na układ
i obsad˛e pasm energetycznych.
dr inż. Ireneusz Owczarek
CMF – 2013