Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Electromagnetism and Optics
Course of study:
2016/2017
Code:
JFT-1-203-s
Faculty of:
Physics and Applied Computer Science
Study level:
First-cycle studies
Specialty:
-
Field of study:
Technical Physics
Semester:
2
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Full-time studies
Course homepage:
 
Responsible teacher:
prof. dr hab. inż. Łużny Wojciech (luzny@agh.edu.pl)
Academic teachers:
prof. dr hab. inż. Łużny Wojciech (luzny@agh.edu.pl)
dr Pytlik Łucjan (pytlik@fis.agh.edu.pl)
dr inż. Armatys Paweł (armatys@agh.edu.pl)
Module summary

Description of learning outcomes for module
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion)
Social competence
M_K001 Umie w sposób przejrzysty zaprezentować rozwiązanie prostego problemu inżynierskiego z obszaru elektromagnetyzmu i optyki. FT1A_K08, FT1A_K01 Oral answer
Skills
M_U001 Ma umiejętność sformułowania fizycznych podstaw zjawisk elektromagnetycznych i optycznych w przyrodzie i technice, poprzez wskazanie praw i zasad nimi rządzących i decydujących o ich przebiegu. FT1A_U02, FT1A_U01, FT1A_U05 Test
M_U002 Potrafi samodzielnie rozwiązać proste problemy i zadania z zakresu elektromagnetyzmu i optyki, w szczególności sformułować poprawne równania opisujące obwody prądu stałego, pola elektryczne i magnetyczne, zjawiska optyki geometrycznej i falowej. FT1A_U02, FT1A_U04, FT1A_U05 Test
Knowledge
M_W001 Ma ogólną wiedzę o zjawiskach elektrostatyki, elektrodynamiki, magnetyzmu i optyki. FT1A_W03, FT1A_W01, FT1A_W09 Examination
M_W002 Posiada ugruntowaną wiedzę z zakresu elektryczności i magnetyzmu, w tym praw elektromagnetyzmu (Gaussa, Ampere'a, Faradaya, równania Maxwella) oraz zna teoretyczny opis fal elektromagnetycznych i ich właściwości. FT1A_W02, FT1A_W05 Examination
M_W003 Rozumie podstawowe mechanizmy fizyczne procesów zachodzących wokół nas, a zwłaszcza dotyczących ładunków i prądów elektrycznych, magnetyków i zjawisk optycznych. FT1A_W02, FT1A_W01 Activity during classes,
Examination
FLO matrix in relation to forms of classes
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of classes
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Others
E-learning
Social competence
M_K001 Umie w sposób przejrzysty zaprezentować rozwiązanie prostego problemu inżynierskiego z obszaru elektromagnetyzmu i optyki. + + - - - - - - - - -
Skills
M_U001 Ma umiejętność sformułowania fizycznych podstaw zjawisk elektromagnetycznych i optycznych w przyrodzie i technice, poprzez wskazanie praw i zasad nimi rządzących i decydujących o ich przebiegu. + + - - - - - - - - -
M_U002 Potrafi samodzielnie rozwiązać proste problemy i zadania z zakresu elektromagnetyzmu i optyki, w szczególności sformułować poprawne równania opisujące obwody prądu stałego, pola elektryczne i magnetyczne, zjawiska optyki geometrycznej i falowej. + + - - - - - - - - -
Knowledge
M_W001 Ma ogólną wiedzę o zjawiskach elektrostatyki, elektrodynamiki, magnetyzmu i optyki. + - - - - - - - - - -
M_W002 Posiada ugruntowaną wiedzę z zakresu elektryczności i magnetyzmu, w tym praw elektromagnetyzmu (Gaussa, Ampere'a, Faradaya, równania Maxwella) oraz zna teoretyczny opis fal elektromagnetycznych i ich właściwości. + + - - - - - - - - -
M_W003 Rozumie podstawowe mechanizmy fizyczne procesów zachodzących wokół nas, a zwłaszcza dotyczących ładunków i prądów elektrycznych, magnetyków i zjawisk optycznych. + + - - - - - - - - -
Module content
Lectures:

1. Ruch falowy
2. Szczególna teoria względności
3. Podstawowe operatory różniczkowe
4. Elektrostatyka ładunków punktowych
5. Pole elektrostatyczne ładunków przestrzennych
6. Elektrostatyka dielektryków, pojemność elektryczna
7. Obwody prądu stałego, energia i moc prądu stałego
8. Pole magnetyczne wytworzone przez prąd elektryczny
9. Indukcja elektromagnetyczna
10. Magnetyczne własności materii
11. Prąd przemienny, drgania elektromagnetyczne
12. Ruch ładunku w polu elektrycznym i magnetycznym
13. Równania Maxwella, fale elektromagnetyczne
14. Odbicie i załamanie światła: powierzchnie płaskie i kuliste
15. Interferencja i dyfrakcja, siatka dyfrakcyjna
16. Polaryzacja

Auditorium classes:

1. Ruch falowy – 3 godz.
Efekty kształcenia:
- student potrafi zapisać zależność opisywanej wielkości fizycznej od zmiennych przestrzennych i czasowych (równanie fali); rozumie znaczenie parametrów fali użytych w zapisie jej równania i związki miedzy nimi (okres, długość fali, prędkość propagacji); potrafi poprawnie opisać zjawisko interferencji fal i warunki powstawania fal stojących; potrafi określić wpływ ruchu źródła i odbiornika na parametry propagującej się fali.
- student potrafi wykorzystywać w zadaniach relacje pomiędzy różnymi parametrami fali; potrafi wyliczyć fazę fali w dowolnym punkcie i różnicę faz między dwoma fali; przy nakładaniu się fal potrafi określić warunki na powstanie węzłów i strzałek fali stojącej; potrafi używać wzorów opisujących zjawisko Dopplera;
- Forma zajęć: prezentacja i dyskusja problemów z dostarczonej wcześniej listy zadań; dla bardziej zaawansowanych studentów dyskusja obrazu interferencji fal w dwóch wymiarach.

2. Szczególna teoria względności – 4 godz.
Efekty kształcenia:
- Student rozumie problemy związane z opisem ruchu światła w różnych układach odniesienia; potrafi wypisać równania transformacji Lorentza i rozumie relacje czasoprzestrzenne między zdarzeniami; potrafi zilustrować te relacje na diagramie Minkowskiego; potrafi przeprowadzić dyskusję problemów jednoczesności zdarzeń i dylatacji czasu; potrafi zilustrować rachunkowo i graficznie problem skrócenia Fitzgeralda-Lorentza;
- Student potrafi przeliczać współrzędne czasoprzestrzenne zdarzeń między różnymi układami odniesienia; potrafi wyliczać interwały czasoprzestrzenne i odległości między zdarzeniami w danym układzie; potrafi poprawnie wykorzystać wzór na składanie prędkości; potrafi opisać wzorami efekt Dopplera wynikający z ruchu względnego między dwoma układami odniesienia.
- Forma zajęć: prezentacja i dyskusja problemów z dostarczonej wcześniej listy zadań; dla zaawansowanych studentów dyskusja bardziej wymagających tematów z kinematyki relatywistycznej.

3. Wprowadzenie do analizy pól skalarnych i wektorowych – 2 godz.
Efekty kształcenia:
- Student rozumie podstawowe pojęcia używane w analizie wektorowej (linie, powierzchnie stałej wartości, linie sił) i relacje miedzy nimi; umie się posługiwać podstawowymi narzędziami analizy wektorowej takimi jak gradient, dywergencja i rotacja;
- Student potrafi analizować zachowanie linii i powierzchni stałej wartości dla pól skalarnych; umie stosować poprawnie operator gradientu do generowania lokalnego kierunki linii sił; potrafi zastosować operator dywergencji dla typowych pól wektorowych;
- Forma zajęć: prezentacja i dyskusja problemów z dostarczonej wcześniej listy zadań; dla zaawansowanych studentów dyskusja numerycznie rozwiązywalnych problemów w 2D i 3D.

4. Elektrostatyka ładunków punktowych – 3 godz.
Efekty kształcenia:
- Student umie poprawnie zapisać w postaci wektorowej wzór na oddziaływanie ładunków punktowych; potrafi zdefiniować natężenie pola elektrycznego w danym punkcie przestrzeni; rozumie poprawnie zasadę superpozycji dla pola elektrycznego jako wielkości wektorowej; potrafi zdefiniować pojęcie potencjału elektrostatycznego i rozumie relacje między polem potencjału a odpowiednim natężeniem pola elektrycznego.
- Student potrafi wyliczać natężenie pola elektrycznego w danym punkcie przestrzeni przez wektorowe sumowanie pól od poszczególnych ładunków punktowych; potrafi wyliczać sumaryczne pole potencjału od kilku ładunków punktowych i odpowiadające mu natężenie pola elektrycznego.
- Forma zajęć: prezentacja i dyskusja problemów z dostarczonej wcześniej listy zadań; dla zaawansowanych studentów dyskusja wyliczania postaci pola z wykorzystaniem symetrii układu ładunków.

5. Elektrostatyka ładunków rozciągłych – 3 godz.
Efekty kształcenia:
- Student umie poprawnie zapisać wzór na natężenie pola lub potencjał od danego fragmentu ładunku rozciągłego z właściwym wyborem zmiennych odpowiednio parametryzujących geometrię rozkładu ładunku w dwóch i trzech wymiarach; umie przeprowadzić operację całkowania; potrafi poprawnie sformułować prawo Gaussa dla pola elektrycznego i wykorzystać go do wyliczania pola elektrycznego w przypadkach wysokiej symetrii.
- Student potrafi wyliczać natężenie pola elektrycznego w danym punkcie przestrzeni od szczególnych konfiguracji ładunków rozciągłych takich jak jednorodnie naładowany pręt, okrąg, sfera i kula z wykorzystaniem operacji całkowania i zastosowania prawa Gaussa.
- Forma zajęć: prezentacja i dyskusja problemów z dostarczonej wcześniej listy zadań; dla zaawansowanych studentów dyskusja konfiguracji ładunku ważnych technologicznie (cylinder, tarcza naładowana).

6. Indukcja dielektryczna, kondensatory, dielektryki –3 godz.
Efekty kształcenia:
- Student umie poprawnie opisać pole ładunku punktowego w pobliżu powierzchni metalowej (metoda obrazów), potrafi wyliczać gęstość ładunku indukowanego w metalu; potrafi wyliczać pole w okolicy dwóch przeciwnie naładowanych elektrod metalowych i poprawnie zdefiniować pojęcie pojemności dielektrycznej kondensatora; zna wzory na połączenia szeregowe i równoległe kondensatorów; potrafi przeanalizować i wyliczyć wpływ obecności dielektryka na pojemność kondensatora; student rozumie poprawnie pojęcie energii naładowanego kondensatora.
- Student potrafi wyliczać natężenie pola elektrycznego wewnątrz kondensatorów o różnej geometrii (kondensator płaski, walcowy, sferyczny); potrafi wyliczać pojemność zastępczą układu kilku kondensatorów, który daje się zredukować do połączeń szeregowych i równoległych; student potrafi analizować energię układu kondensatorów przy stałym napięciu i stałym ładunku (dołączone i odłączone zasilanie).
- Forma zajęć: prezentacja i dyskusja problemów z dostarczonej wcześniej listy zadań; dla zaawansowanych studentów obliczenia gęstości ładunków na dwóch metalowych sferach polaryzujących się wzajemnie.

7. Obwody stałego prądu elektrycznego – 4 godz.
Efekty kształcenia:
- Student umie poprawnie sformułować podstawowe prawa przepływu prądu stałego w obwodach (prawa Kirchhoffa, prawo Ohma) i zdefiniować pojęcie oporu właściwego materiału; potrafi podać wzory na połączenia szeregowe i równoległe oporników; potrafi zapisać wzory na moc prądu wydzieloną na danym elemencie obwodu.
- Student potrafi wyliczać prądy i spadki napięć w obwodzie, który da się zredukować o połączeń szeregowych i równoległych; potrafi określić wpływ oporu wewnętrznego w obwodach zasilanych z baterii; potrafi rozwiązać prostsze przypadki obwodów mostkowych bezpośrednio z praw Kirchhoffa; potrafi wyliczać moc wydzieloną na poszczególnych elementach obwodu;.
- Forma zajęć: prezentacja i dyskusja problemów z dostarczonej wcześniej listy zadań; dla zaawansowanych studentów obliczenia pól rozpływu prądów w cieczach przy zadanej geometrii elektrod.

8. Stałe pola magnetyczne – 3 godz.
Efekty kształcenia:
- Student umie poprawnie wyrazić wzorami indukcję pola magnetycznego od najprostszych konfiguracji źródeł (długi liniowy przewodnik z prądem, pętla z prądem, solenoid); potrafi sformułować prawo Ampera i prawo Biota-Savarta; rozumie związek między natężeniem pola magnetycznego a indukcją magnetyczną dla próżni i w materiałach magnetycznych;
- Student potrafi poprawnie wyliczać wektor indukcji magnetycznej od źródeł rozciągłych poprzez zastosowanie prawa Biota-Savarta lub prawa Ampere’a (dla układów z odpowiednią symetrią);.
- Forma zajęć: prezentacja i dyskusja problemów z dostarczonej wcześniej listy zadań; dla zaawansowanych studentów obliczenia pola dla technologiczne ważnych geometrii (cewka o skończonej długości, kabel koncentryczny).

9. Ruch ładunków w stałych polach elektrycznych i magnetycznych – 3 godz.
Efekty kształcenia:
- Student umie poprawnie zapisać wzory na siłę działającą na ładunek w polu elektrycznym i polu magnetycznym (siłę Lorentza); umie poprawnie opisać ruch ładunku punktowego w stałym polu magnetycznym; umie sformułować wzór na oddziaływanie pola magnetycznego na przewodnik z prądem; umie określić oddziaływanie pola magnetycznego na ładunki w przewodniku (zjawisko Halla).
- Student potrafi poprawnie zapisać równania ruchu ładunku w jednorodnym polu elektrycznym; umie zapisać równania ruchu ładunku w stałym polu magnetycznym i określić parametry orbity (promień, okres obiegu, skok śruby); umie wykorzystać wzór na oddziaływanie przewodnika z polem magnetycznym do obliczeń siły działającej przy najprostszych konfiguracjach przewodnika; potrafi wyliczyć napięcie generowane w przewodnikach poruszających się w polu magnetycznym.
- Forma zajęć: prezentacja i dyskusja problemów z dostarczonej wcześniej listy zadań; dla zaawansowanych studentów obliczenia przebiegu prądów w obwodach z poruszającymi się przewodnikami.

10. Indukcja elektromagnetyczna – 4 godz.
Efekty kształcenia:
- Student umie poprawnie zdefiniować pojęcie strumienia indukcji magnetycznej; umie poprawnie zapisać prawo indukcji Faraday’a i zinterpretować poprawnie tzw. regułę przekory (Lenza); potrafi zdefiniować pojęcia indukcyjności własnej i indukcyjności wzajemnej; potrafi poprawnie opisać działanie transformatora; potrafi podać wzór na energię pola magnetycznego zgromadzonego w obwodzie z prądem; potrafi poprawnie opisać przepływ prądu przemiennego w obwodzie RLC i zdefiniować odpowiednie parametry zastępcze elementów obwodu; potrafi podać podstawowe zależności dla drgających obwodów elektrycznych typu LC i opisać zjawisko rezonansu w takich obwodach;
- Student potrafi poprawnie wyliczać sygnał elektryczny generowany w obwodach umieszczonych w zmiennym polu magnetycznym; umie obliczyć współczynniki indukcyjności własnej im wzajemnej przy najprostszych geometriach przewodnika; potrafi wykorzystać zespoloną reprezentację sygnału przemiennego do wyliczania prądów w obwodach RLC.
- Forma zajęć: prezentacja i dyskusja problemów z dostarczonej wcześniej listy zadań; dla zaawansowanych studentów obliczenia najprostszego modelu transformatora z obciążeniem.

11. Fale elektromagnetyczne – 4 godz.
Efekty kształcenia:
- Student umie poprawnie zapisać równania Maxwella i objaśnić wszystkie pojęcia występujące w tych równaniach; potrafi zapisać równanie falowe dla pól EM w próżni i podać jego rozwiązania oraz objaśnić związki między występującymi w nim parametrami; student kojarzy poszczególne pasma widma fal EM z ich podstawowymi cechami i zastosowaniami technicznymi; umie objaśnić pojęcie relacji dyspersji i zdefiniować pojęcia prędkości fazowej i grupowej fali;
- Student potrafi poprawnie napisać rozwiązania elektromagnetycznych fal płaskich w próżni i wyliczyć relacje między wektorami pola elektrycznego i indukcji magnetycznej w danej fali; potrafi wyznaczyć rozwiązania równania falowego w prostych przypadkach z zadanymi warunkami brzegowymi (najprostszy falowód) i wyznaczyć dla tych rozwiązań relację dyspersji oraz prędkości fazową i grupową;
- Forma zajęć: prezentacja i dyskusja problemów z dostarczonej wcześniej listy zadań; dla zaawansowanych studentów przykład z rozwiązaniem propagacji fali w metalu (obecność prądów wirowych) i pokazanie zjawiska naskórkowego.

12. Optyka geometryczna – 3 godz.
Efekty kształcenia:
- Student umie poprawnie zapisać prawa odbicia i załamania światła na powierzchniach rozdziału między ośrodkami; potrafi wykorzystać prawa odbicia i załamania do opisu działania zwierciadeł i soczewek; zna wzory na położenie ogniska i równanie soczewki; zna zasady konstruowania obrazów w soczewkach; potrafi objaśnić działanie najprostszych przyrządów optycznych (lupa, luneta, mikroskop);
- Student potrafi poprawnie opisać rysunkowo tworzenie obrazów w zwierciadłach i soczewkach; potrafi wykorzystać równanie soczewki do wyznaczania położenia obrazu i jego powiększenia;
- Forma zajęć: prezentacja i dyskusja problemów z dostarczonej wcześniej listy zadań; dla zaawansowanych studentów przykład z układem soczewek skończonej odległości (płaszczyzny główne).

13. Optyka falowa – 3 godz.
Efekty kształcenia:
- Student umie poprawnie zinterpretować zjawiska interferencji i dyfrakcji fali. Potrafi podać ilościowy opis tych zjawisk dla najprostszych układów (pojedyncza szczelina, układ szczelin, siatka dyfrakcyjna); potrafi zinterpretować ograniczenia rozdzielczości optycznej (kryterium Rayleigha) wynikające ze zjawisk falowych;
- Student potrafi poprawnie wyliczać położenia maksimów i minimów dyfrakcyjnych dla pojedynczej szczeliny i siatki dyfrakcyjnej; potrafi podać wzory na kąty ugięcia wiązki dla siatki transmisyjnej i odbiciowej i rozumie poprawnie pojęcie rzędu widma; potrafi zastosować kryterium Rayleigha do określenia zdolności rozdzielczej przyrządu optycznego;
- Forma zajęć: prezentacja i dyskusja problemów z dostarczonej wcześniej listy zadań; dla zaawansowanych studentów przykład z dyfrakcją na otworze kołowym, numeryczne przykłady dyfrakcji na innych kształtach.

Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 190 h
Module ECTS credits 7 ECTS
Participation in lectures 56 h
Realization of independently performed tasks 50 h
Participation in auditorium classes 42 h
Preparation for classes 40 h
Examination or Final test 2 h
Additional information
Method of calculating the final grade:

Ocena z ćwiczeń rachunkowych C obliczana jest następująco: procent uzyskanych punktów (suma punktów z cotygodniowych kolokwiów i punktów za aktywność na ćwiczeniach) przeliczany jest na ocenę zgodnie z Regulaminem Studiów AGH.
Ocena z egzaminu (E) obliczana jest następująco: procent punktów uzyskanych z pracy pisemnej przeliczany jest na ocenę zgodnie z Regulaminem Studiów AGH.
Ocena końcowa (OK) obliczana jest jako średnia ważona ocen z egzaminu (E) i z ćwiczeń rachunkowych C:
OK = 0.6 x E + 0.4 x C

Prerequisites and additional requirements:

Znajomość rachunku pochodnych i rachunku całkowego
Dobra znajomość podstawowych pojęć i zasad fizyki (w tym mechaniki)

Recommended literature and teaching resources:

Halliday D., Resnick R., Walker J., – Podstawy fizyki, tomy 3 i 4, PWN 2011.
Massalski J., Massalska M., Fizyka dla inżynierów, tom 1. WNT 2005
Andrzej K. Wróblewski, Janusz A. Zakrzewski, Wstęp do fizyki tomy 1 i 2, PWN 1984
Jay Orear, Fizyka, t.1 i t.2, WNT.

Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module:

Additional scientific publications not specified

Additional information:

Sposób i tryb wyrównania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na ćwiczenia audytoryjnych:
Nieobecność na jednych ćwiczeniach zajęciach wymaga od studenta samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału. Nieobecność na więcej niż jednych ćwiczeniach wymaga od studenta samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału i jego zaliczenia w formie pisemnej w wyznaczonym przez prowadzącego terminie, lecz nie później niż w ostatnim tygodniu trwania zajęć. Student, który bez usprawiedliwienia opuścił więcej niż dwa ćwiczenia i jego cząstkowe wyniki w nauce były negatywne może zostać pozbawiony, przez prowadzącego zajęcia, możliwości wyrównania zaległości.

Zasady zaliczania ćwiczeń audytoryjnych: podstawowym terminem uzyskania zaliczenia jest koniec zajęć w danym semestrze. Student może dwukrotnie przystąpić do poprawkowego zaliczania.
Student, który bez usprawiedliwienia opuścił więcej niż dwa zajęcia i jego cząstkowe wyniki w nauce były negatywne, może zostać pozbawiony, przez prowadzącego zajęcia, możliwości poprawkowego zaliczania zajęć. Od takiej decyzji prowadzącego zajęcia student może się odwołać do prowadzącego przedmiot (moduł) lub Dziekana.

Warunkiem przystąpienie do egzaminu jest wcześniejsze uzyskanie zaliczenia z ćwiczeń audytoryjnych.

Egzamin przeprowadzany jest zgodnie z Regulaminem Studiów AGH § 16.