ELTE II.Fizikus 2005/2006 I.félév
KISÉRLETI FIZIKA III. Optika-Termodinamika Bevezetés 1. (IX. 13) I. Cél a)Induktív (nem deduktív) elıadás Kisérletek alapján az ⇒ elmélet összefüggések -Kiséletek bemutatása, demonstrálása, elmzése: =tényleges kisérleti demonstráció, =számítógépes animáció, =grafikai bemutatás-elemzés. -Értelmezések, alkalmazások, levezetések b)Történeti fejlıdés – a fogalmak kialakulása, letisztulása -A XIX sz. fizikája a modern fizika bölcsıje =Optika /Young, Fresnel, Kirchoff, Fizeau, Maxwell, Michelson,…/ =Hıtan /Carnot, Fourier, Joule, Kelvin, Maxwell, Boltzmann,.../ -Relativitás elmélet és a kvantummechanika elızménye =fénysebesség (mezı elmélet, a fázis- és csoportsebesség, Lorentz transzformáció,…) =energia (/nem erı/, megmaradása, minimalizációs elvek,…) =entrópia (redukált hı, diszkrét sokaságok, a konfiguráció, a véletlen,…) =interferencia (a fázis, a négyzetes világ, a hullámegyenlet, a Fourier transzformáció,…)
II. Környezet Elızmények: -Kisérleti fizika II. Elektrodinamika (Tichy G.) - Fogarassy jegyzet Paralell: -Kisérleti fizika III. Hıtan (Kojnok J.) - Tichy-Kojnok jegyzet -Kisérleti fizika III. Optika-termo- gyakorlat (Tasnádi T.) Folytatás: -Klasszikus fizika laboratórium - Havancsák jegyzet -Elméleti fizika II. Elektrodinamika (Patkós A.) - Patkós jegyzet -Kisérleti fizika szigorlat
III. Forma -Az elıadások vázlata (tartalma):
= http://szft.elte. hu (4-8 oldal) /több is - kevesebb is, mint az elıadás/
-Elıvizsga: írásban → ajánlott jegy
1
O.1 Bevezetı, Tartalomjegyzék, Fénysebesség mérések I. Römer, Bradley mérései,…
O.2 Fénysebesség mérések II. Fizeau, Foucault, Weber-Kohlrausch, Michelson-M. kisérletek.
O.3 Fényelméletek I., Snellius-Descartes törvény, Fermat elv, Fázisillesztés, Eikonál egyenlet Fénysugár, fénysebesség, visszaverıdés, törés, leképezések, szivárvány, délibáb, fázisillesztés (Huygenns), Fermat elv (Maxwell)
O.4 Fényelméletek II., Snellius-Descartes törvény, Fermat elv átértékelése (Feynman), a leképezés, a fény impulzusának megmaradása (Poynting), a foton impulzusa (Einstein).
O.5 Leképezés, leképezı rendszerek és hibáik, Optikai eszközök Newton formula, nagyítás, dioptria, mikroszkóp, távcsı, szferikus aberráció, Weierstrass szerkesztés, asztigmatizmus, színhiba, felbontás.
O.6 A fénnyomás, sugárzáselmélet, a törésmutató eredete. A fénnyomás Poynting elmélete, Lebegyev kisérlet, Feynman féle sugárzó dipólusok, a törésmutató mint fáziskésés, a diszperzió sugárzási elmélete.
O.7 Fény hullámelmélete I., Interferencia, Elhajlás Fresnel formulák, skalár hullám, síkhullám, gömbhullám, evanescens hullámok, telegráf egyenlet, elhajlás résen, kettıs rés, Kirchoff integrál, Fraunhoffer és Fresnel elhajlás.
O.8 Fény hullámelmélete II. Alkalmazások Elhajlás rácson, diffrakció, Bragg reflexió, Newton győrők, Wiener féle állóhullámok, Michelson- és Fabry –Perrot interferométerek, antireflexiós rétegek, Abbé elmélete, Fourier optika, felbontás,…
O.9 Polarizáció, Kettıs törés, Kristályoptika Fresnel törvények, Brewster szög, kettıs törés, a Poynting vektor az extraordinárius sugárban, a Malus törvény, dichroizmus.
O.10 Fénysebesség, Diszperzió, Koherencia Lineáris és cirkuláris kettıs törés (kiralitás), Kerr effektus, Faraday forgatás, Pockels effektus, nemlineáris optika, dielektrikum polarizációja, a diszperzió Lorentz modellje, fázis- és csoport sebesség, sebesség illesztés, spektrális eloszlás, koherenciahossz, Einstein-Rupp kisérlet.
O.11 Abszorbció, Emisszió, Fényszórás, Fotometria, Foton Elnyelés, visszaverıdés, szórás, feketetest sugárzás, Kirchoff törvény, Stefan-Boltzman törvény, Wien törvény, fotoeffektus, Doppler effekus, elektromágneses tér relativisztikusan,… 2
H.1 Történeti áttekintés, Állapothatározók, a 0. fıtétel Sokaság, egyensúly, kölcsönhatás, extenzív-intenzív állapothatározók, hımérséklet, fázis, Gibbs féle fázisszabály,…
H.2 Hımennyiség, Hıtani folyamatok, az I. fıtétel Hıtágulás, kalorimetria, fajhı, belsı energia, munka, ideális gázok, izobár, izochor, izoterm és adiabatikus folyamat,…
H.3 Állapotegyenletek, nemkvázisztatikus- és körfolyamatok Entalpia, termodinamikai potenciál, Van der Waals gázok, szilárdtestek, Gay-Lussac kisérlet, Joule –Thompson folyamat,…
H.4 Carnot körfolyamat I., Entrópia, a II. fıtétel S extenzív állapothatározó, rejtett paraméter, T integrál osztó, irreverzibilitás,…
H.5 Carnot körfolyamat II., a II. fıtétel analitikusan A II. fıtétel és a fundamentális egyenlet, hıerıgépek hatásfoka, Carnot körfolyamat hatásfoka, irreverzibilis folyamatok…
H.6 Termodinamikai potenciálok, egyensúly feltételei Szabadenergia (F), szabadentalpia (G), kémiai potenciál (µ), Euler egyenlet, Gibbs-Duham összefüggés, Maxwell relációk,…
H.7 Stabilitási feltételek, fázisátalakulások elmélete, fázisdiagrammok Az entrópia függvény tulajdonságai, összetett rendszerek, reális gázok, elsırendő fázisátalakulások, Maxwell szerkesztés, ClaussiusClapeyron egyenlet,…
H.8 Folytonos fázisátalakulások, kritikus jelenségek Másodrendő fázisátalakulások, szimmetriasértés, kritikusság, ferromágnesség, Landau elmélet, univerzalitás, skálatörvények,…
H.9 Alacsony hımérsékletek, a III. fıtétel Gázelegyek, Gibbs féle paradoxon, kémiai reakciók, Nerst tétel, adiabatikus hőtés,…
H.10 A feketetest sugárzás, a sugárzási tér entrópiája A fénysugárzás termodinamikája, Kirchoff törvény, Wien gondolat, Planck gondolat: a fény is kvantumos,…
3
H.11 Kinetikus gázelmélet (az atomi kvantum) Ideális gáz állapotegyenleteinek kinetikus értelmezése, a nyomás és a hımérséklet mikroszkópikus értelmezése, az Avogadro szám, az ekvipartició tétele,…
H.12 Barometrikus magasságformula, Boltzmann eloszlás Maxwell –Boltzmann sebesség eloszlás, Stern kisérlet,…
H.13 Kanonikus sokaság, Boltzmann statisztika Makroállapot, mikroállapot, termodinamikai valószínőség, entrópia statisztikus értelmezése,…
H.14 A II. fıtétel statisztikus értelmezése Ekvipartíció tétel statisztikusan, Brown mozgás, ingadozási jelenségek, szilárdtestek fajhıje alacsony hımérsékleten,…
H.15 Szabad úthossz, Transzport gázokban, Irreverzibilis termodinamika Hıvezetés, diffúzió, belsı súrlódás. Lokális egyensúly fogalma, mérlegegyenletek, entrópia-produkció, a Fick törvények, Einstein összefüggés, direkt és kereszt effektusok, Termofeszültség, Peltier effektus, Kelvin reláció, Onsager relációk,…
4
Irodalom Tichy G., Kojnok J.: HİTAN Fogarassy B. : ELEKTRODINAMIKA
TYPOTEX Egyetemi jegyzet
Ajánlott Irodalom R.Feynman,… : Mai Fizika III. (Optika) R.Feynman,… : Mai Fizika IV. (Statisztikus mechanika,…) Budó Á. : Kisérleti Fizika I.(Mechanika-Hıtan) Budó Á. : Kisérleti Fizika III. (Optika -Atomfizika) Simonyi K. : A Fizika Kultúrtörténete Kapcsolódó Irodalom A.Nussbaum,… : Modern Optika Zsoldos L. : Fizikai Optika Horváth J. : Optika Nagy K. : Elektrodinamika Károlyházi F. : Statisztikus Mechanika
5
FÉNYSEBESSÉG MÉRÉSEK I.
1. 2. 3. 4. 5. 6.
G. Galilei (1632) Jupiterholdak ⇒ óra, hajózás R. Descartes (1637) v>c ⇐ S.-D. törv. (c→∞) (lepedı) R. Hooke (?) v>c (Descartes) F.Fermat (1662) v
c (gravitáció) I. Newton (1672) C. Huygens (1690) v
7. 8. 9.
O. Römer (1675) c=210 000 km/s Jupiter hold Bradley (1728) c=295 000 km/s aberráció Fizeau (1849) c=315 000 km/s fogaskerék
10. Foucault (1851) v= c/n forgó tükör pontosság Michelson (1926) 2 11. Fizeau (1851) v= c/n + V(1-1/n ) áramló közeg 12. Weber-Kohlrausch ___ (1856) c=1/√ε0µ0 töltés-áram 13. Michelson (1883) c=áll.+1km/s Vföld független 14. Bay Z.
(1965)
javaslat
⇓ 15. S.I.
(1983)
c = 299 792.458 km/s
(Az (átlátszó) közegbeli fénysebesség: v )
6
O. Römer (1675) Nap
Föld (tél)
Jupiter
Föld
és a holdja
(nyár)
Df = 300 millió km ∆tö.= 2 *11.6 min = 1400 sec ⇒ c=214 300km/s (ma: ≅ 2 * 8.3 min ≅ 1000 sec) Jupiterhold keringési periódusa évszakfüggı Tker.(t) |vföld|=30 km/s tavasz tél nyár
Ttélker.= 42h 28m 16s = Tnyárker Ttavaszker.=42h 28m 16s +15s Tıszker. =42h 28m 16s - 15s
ısz
Jupiterhold keringési periódusa Tker.(ϕ) To
Tker. ±15s
(∆tö=∫∆T(ϕ) dϕ) (Df.=∫l e dn ; n=ϕ/T)
ϕ tél tav. nyár ısz
tél
|vföld|= 30 km/s cfény
l vf tav.
cTo+l = cTtav. cTo -l = cTısz 2l = c(Ttav.-Tısz)=2 vf.To (ker)
ısz vf l
c=vf.
To = 42h 28m 16s=152896s
tav.
T + T ısz 2 *150000 s ≅ vf ≅ 10 000 vf 2 * 15 s T tav. - T ısz
7
J. Bradley (1728) Aberráció (γ(t)) |vföld|=30 km/s
csillag
A távcsı döntése (tavasz) cfény
kezdetben
fent
ε
c a végén lent γ tavasz
távcsı
v
tél
kompenzálás
tg γ = ±v/c
nyár
tg γ=10-4 [rad]= ±20"
(≅ ± 1mm/10m)
ısz
/az idımérés pontosabb/
Az aberráció (döntési korrekció) függ a keringési idıtıl γ(t). A távcsıben egy ellipszis fénypontsor látható a csillag képeként a föld keringése során. Netán a föld pályája látszik? Nem mert: a) Transzverzális ⇒ v és nem r függés van (v ⊥ r) b) tg ε ≅10-5 [rad] (8 fényperc /4 fényév csillagtávolságnál) << tg γ
8
