KISÉRLETI FIZIKA III. Optika-Termodinamika Bevezetés 1. (IX. 13)

Átírás

1 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): = hu (4-8 oldal) /több is - kevesebb is, mint az elıadás/ -Elıvizsga: írásban ajánlott jegy 1

2 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

3 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, Claussius- Clapeyron 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

4 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

5 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

6 FÉNYSEBESSÉG MÉRÉSEK I. 1. G. Galilei (1632) Jupiterholdak óra, hajózás 2. R. Descartes (1637) v>c S.-D. törv. (c ) (lepedı) 3. R. Hooke (? ) v>c (Descartes) 4. F.Fermat (1662) v<c (idı) 5. I. Newton (1672) v>c (gravitáció) 6. C. Huygens (1690) v<c (hullámfront) 7. O. Römer (1675) c= km/s Jupiter hold 8. Bradley (1728) c= km/s aberráció 9. Fizeau (1849) c= km/s fogaskerék 10. Foucault (1851) v= c/n forgó tükör Michelson (1926) pontosság 11. Fizeau (1851) v= c/n + V(1-1/n 2 ) áramló közeg 12. Weber-Kohlrausch (1856) c=1/ ε 0 µ 0 töltés-áram 13. Michelson (1883) c=áll.+1km/s V föld független 14. Bay Z. (1965) javaslat 15. S.I. (1983) c = km/s (Az (átlátszó) közegbeli fénysebesség: v ) 6

7 O. Römer (1675) Nap Föld (tél) Jupiter Föld és a holdja (nyár) nyár D f = 300 millió km t ö. = 2 *11.6 min = 1400 sec c= km/s (ma: 2 * 8.3 min 1000 sec) Jupiterhold keringési periódusa évszakfüggı T ker. (t) v föld =30 km/s tavasz tél T tél ker.= 42h 28m 16s = T nyár ker ısz T tavasz ker.=42h 28m 16s +15s T ısz ker. =42h 28m 16s - 15s Jupiterhold keringési periódusa T ker. (ϕ) T ker. T o ±15s T o = 42h 28m 16s=152896s tél tav. nyár ısz tél ϕ ( t ö = T(ϕ) dϕ) (D f. = l e dn ; n=ϕ/t) l v föld = 30 km/s v f tav. c fény ısz v f l tav. T +T c=v f. tav. T -T ısz ısz 2* s 2*15s ct o +l = ct tav. ct o -l = ct ısz 2l = c(t tav. -T ısz )=2 v f. T o (ker) v f v f 7

8 J. Bradley (1728) Aberráció (γ(t)) v föld =30 km/s csillag ε c fény kezdetben fent A távcsı döntése (tavasz) c tavasz a végén lent távcsı tél v γ kompenzálás nyár tg γ = ±v/c ısz tg γ=10-4 [rad]= ±20" ( ± 1mm/10m) /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