Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Elektromagnetyzm i optyka
Tok studiów:
2018/2019
Kod:
JIS-1-304-s
Wydział:
Fizyki i Informatyki Stosowanej
Poziom studiów:
Studia I stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Informatyka Stosowana
Semestr:
3
Profil kształcenia:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma i tryb studiów:
Stacjonarne
Strona www:
 
Osoba odpowiedzialna:
dr hab. inż. Haberko Jakub (haberko@fis.agh.edu.pl)
Osoby prowadzące:
dr hab. inż. Haberko Jakub (haberko@fis.agh.edu.pl)
dr inż. Armatys Paweł (armatys@agh.edu.pl)
dr inż. Strzałka Radosław (Radoslaw.Strzalka@fis.agh.edu.pl)
Krótka charakterystyka modułu

Wykład omawia podstawowe prawa rządzące zjawiskami elektrycznymi, magnetycznymi i świetlnymi. Towarzyszą temu pokazy doświadczeń fizycznych i rozwiązywanie zadań z zakresu elektromagnetyzmu i optyki.

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń)
Wiedza
M_W001 Student posiada podstawową wiedzę z wybranych działów fizyki klasycznej, tj. elektrostatyki, elektromagnetyzmu i fal elektromagnetycznych i optyki. IS1A_W01 Egzamin,
Aktywność na zajęciach
M_W002 Student ma wiedzę potrzebną do rozwiązywania prostych zadań rachunkowych z zakresu wykładanych działów elektromagnetyzmu i optyki. IS1A_W01, IS1A_U01 Kolokwium
M_W003 Student ma wiedzę potrzebną do rozwiązywania prostych zadań rachunkowych z zakresu wykładanych działów fizyki klasycznej (elektromagnetyzmu i optyki) IS1A_W01 Egzamin,
Aktywność na zajęciach
Umiejętności
M_U001 Student stara się wykorzystać poznane prawa i zasady zachowania, aby przy użyciu odpowiednich metod matematycznych, rozwiązywać typowe problemy i zadania z w/w działów fizyki klasycznej (elektromagnetyzm i optyka). IS1A_W01, IS1A_U01 Wykonanie ćwiczeń,
Udział w dyskusji,
Referat,
Projekt,
Kolokwium,
Egzamin,
Aktywność na zajęciach
Kompetencje społeczne
M_K001 Student umie pracować samodzielnie i w zespole. potrafi samodzielnie zdobyć odpowiednią wiedzę i umiejętności, niezbędne do realizacji jego części zadania zespołowego. IS1A_K02, IS1A_K01 Projekt,
Udział w dyskusji,
Referat,
Kolokwium,
Aktywność na zajęciach
M_K002 Student umie przygotować i komunikatywnie przedstawić rozwiązania zadań oraz referat na wybrany temat z zakresu współczesnej fizyki IS1A_K01 Udział w dyskusji,
Referat,
Projekt,
Kolokwium,
Aktywność na zajęciach
Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Inne
E-learning
Wiedza
M_W001 Student posiada podstawową wiedzę z wybranych działów fizyki klasycznej, tj. elektrostatyki, elektromagnetyzmu i fal elektromagnetycznych i optyki. + + - - - - - - - - -
M_W002 Student ma wiedzę potrzebną do rozwiązywania prostych zadań rachunkowych z zakresu wykładanych działów elektromagnetyzmu i optyki. + + - - - - - - - - -
M_W003 Student ma wiedzę potrzebną do rozwiązywania prostych zadań rachunkowych z zakresu wykładanych działów fizyki klasycznej (elektromagnetyzmu i optyki) + + - - - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 Student stara się wykorzystać poznane prawa i zasady zachowania, aby przy użyciu odpowiednich metod matematycznych, rozwiązywać typowe problemy i zadania z w/w działów fizyki klasycznej (elektromagnetyzm i optyka). + + - - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 Student umie pracować samodzielnie i w zespole. potrafi samodzielnie zdobyć odpowiednią wiedzę i umiejętności, niezbędne do realizacji jego części zadania zespołowego. + + - - - - - - - - -
M_K002 Student umie przygotować i komunikatywnie przedstawić rozwiązania zadań oraz referat na wybrany temat z zakresu współczesnej fizyki + + - - - - - - - - -
Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład:
  1. Ładunki i materia – pole elektryczne (4 h)

    Ładunki elektryczne i zasada zachowania ładunku. Ładunki elementarne. Oddziaływanie pomiędzy ładunkami – prawo Coulomba. Pole elektryczne i wielkości je charakteryzujące. Zasada superpozycji dla układu ładunków. Praca przy przemieszczaniu ładunku i potencjał pola elektrycznego. Związki między wielkościami wektorowymi (siła, natężenie) i skalarnymi (potencjał, energia potencjalna) dla pola elektrycznego. Dipol elektryczny. Strumień pola elektrycznego i prawo Gaussa. Przykłady zastosowań prawa Gaussa.

  2. Kondensatory i dielektryki (2 h)

    Magazynowanie energii elektrycznej. Kondensatory (płaski i cylindryczny). Łączenie szeregowe i równoległe kondensatorów. Energia i gęstość energii pola elektrycznego. Prawo Gaussa dla kondensatora z dielektrykiem. Trzy wektory elektryczne (natężenie, indukcja, polaryzacja).

  3. Prąd elektryczny i zjawiska termoelektryczne (4 h)

    Natężenie prądu elektrycznego (gęstość prądu, prędkość unoszenia ładunków). Model Drudego. Opór prądu elektrycznego, oporność oraz przewodnictwo elektryczne. Prawo Ohma oraz przykłady odstępstw od tego prawa. Obwód prądu stałego – pomiar prądu oraz napięcia. Prawa Kirchoffa i łączenie oporników. Obwód RC. Siła termoelektryczna oraz zjawiska Seebecka (generacja prądu) i Peltiera (chłodzenie elektryczne). Efekt Thomsona. Prawo Wiedemanna-Franza.

  4. Zjawiska magnetyczne (6 h)

    Pole magnetyczne (linie sił pola i wektor indukcji, strumień pola). Cząstka naładowana w polu E i B (wzór Lorentza). Przewodnik z prądem w polu magnetycznym. Efekt Halla (napięcie i opór Halla). Częstość cyklotronowa. Doświadczenie Thomsona – odkrycie elektronu. Prawo Ampere’a i przykłady zastosowań. Prawo Biota-Savarta. Dipol magnetyczny. Prawo indukcji Faradaya. Indukcyjność i obwód LR. Drgania elektromagnetyczne w obwodzie LC. Obwody prądu przemiennego. Magnetyczne własności materii.

  5. Równania Maxwella i fale elektromagnetyczne (4 h)

    Równania Maxwella w postaci całkowej (makro) i różniczkowej (mikro). Równanie fali elektromagnetycznej. Związek pomiędzy wektorami E i B. Zakresy fal i wielkości charakterystyczne. Transport energii i wektor Poyntinga. Generowanie fal EM.

  6. Zjawiska świetlne – optyka geometryczna (2 h).

    Odbicie, załamanie, całkowite wewnętrzne odbicie, światłowody, dyspersja a współczynnik załamania. Camera obscura. Zasada Fermata. Równania dla zwierciadeł i soczewek. Uzyskiwanie obrazów, wady odwzorowań oraz ich korekcja. Podstawowe przyrządy optyczne.

  7. Zjawiska świetlne – optyka falowa (4 h).

    Interferencja światła (doświadczenie Younga, koherencja czasowa i przestrzenna) i dyfrakcja światła (pojedyncza szczelina, dwie szczeliny). Zasada Huygensa. Siatki dyfrakcyjne, widma, dyfrakcja promieni X na kryształach (prawo Bragga). Polaryzacja światła. Prawo Malusa. Podwójne załamanie i kąt Brewstera. Efekt Kerra i Faradaya, spektroskopia optyczna i rentgenowska, holografia.

  8. Kwantowa natura światła (4 h).

    Promieniowanie cieplne. Model ciała doskonale czarnego. Rozkład Plancka promieniowania (promieniowanie reliktowe). Relacje Wiena i Rayleigh’a-Jeans’a. Prawo Stephana-Boltzmanna. Prawo przesunięć. Wiena. Hipoteza kwantowania Plancka.

  9. Elementy kosmologii – opcjonalnie (2h)
Ćwiczenia audytoryjne:
Dyskusja zagadnień i problemów z fizyki klasycznej (elektromagnetyzm i optyka) przeznaczonych do samodzielnego rozwiązania.

W praktyce oznacza to samodzielne przygotowanie rozwiązań średnio 5-6 zadań na każde ćwiczenia. Zestawy zadań będą udostępniane z tygodniowym wyprzedzeniem. Formą sprawdzenia wiedzy studentów będą krótkie sprawdziany (15-20 min.) z zadań zbliżonych do rozwiązywanych podczas ćwiczeń.

Formę zaliczenia ustalają Prowadzący ćwiczenia (zgodnie z regulaminem studiów AGH).

Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 128 godz
Punkty ECTS za moduł 5 ECTS
Udział w wykładach 30 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 60 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 2 godz
Udział w ćwiczeniach audytoryjnych 24 godz
Przygotowanie do zajęć 12 godz
Pozostałe informacje
Sposób obliczania oceny końcowej:

Ocena końcowa z modułu obliczana jest jako średnia ważona ocen z egzaminu (60%) oraz ćwiczeń (40%).

Wymagania wstępne i dodatkowe:

Znajomość matematyki po wstępnym kursie analizy i algebry.

Zalecana literatura i pomoce naukowe:
  1. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki. Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2003 lub nowsze.
  2. J. Orear, “Fizyka”, tom 1 i 2, WNT Warszawa.
  3. Prezentacje do wykładu.
  4. Z. Kąkol, J. Żukrowski – symulacje komputerowe ilustrujące wybrane zagadnienia z fizyki.
  5. Materiały dydaktyczne na stronie www Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej: http://www.ftj.agh.edu.pl/
Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:
  1. Nicolas Muller, Jakub Haberko, Catherine Marichy, Frank Scheffold Silicon hyperuniform disordered photonic materials with a pronounced gap in the shortwave infrared, Advanced Optical Materials 2(2), 115–119 (2014)
  2. Ł. Zinkiewicz, J. Haberko, P. Wasylczyk, Highly asymmetric near infrared light transmission in an all-dielectric grating-on-mirror photonic structure, Optics Express 23 (4), 4206–4211 (2015)
  3. L. S. Froufe-Pérez, M. Engel, P. F. Damasceno, N. Muller, J. Haberko, S. C. Glotzer, F. Scheffold, Role of Short-Range Order and Hyperuniformity in the Formation of Band Gaps in Disordered Photonic Materials, Physical Review Letters 117, 053902-1–053902-5 (2016).
  4. M. Nawrot, J. Haberko, Ł. Zinkiewicz, P. Wasylczyk, Light polarization management via reflection from arrays of sub-wavelength metallic twisted bands, Applied Physics B 123, 285 (2017)
  5. J. Haberko, P. Wasylczyk, Reflecting metallic metasurfaces designed with stochastic optimization as waveplates for manipulating light polarization, Optics Communications 410 (2018) 740
Informacje dodatkowe:

Znajomość matematyki po wstępnym kursie analizy i algebry.
Sposób i tryb wyrównania zaległości powstałych wskutek nieobecności student uzgadnia bezpośrednio z osobą prowadzącą odpowiednie zajęcia