Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych w Sulechowie • Zespół Szkół Technicznych w Pleszewie • ID grupy: 97/55_mf_g1 • 97/90_mf_g2 • Opiekun: Grażyna Mackiewicz • Ryszard Walczak • Kompetencja: Matematyczno-Fizyczna • Temat projektowy: „Zjawiska falowe w przyrodzie” • Semestr/rok szkolny: Semestr 2, 2010/2011 • …………………………………………………….

3. ZJAWISKA FALOWE W PRZYRODZIE Światło jako fala elektromagnetyczna, dźwięk jako fala mechaniczna

4. Spis treści Promieniowanie Gamma Rentgenowskie Nadfioletowe Światło widzialne Podczerwone Mikrofale Fale radiowe Oscyloskop Krzywe lissajous i ich występowanie Rezonans Mechaniczny Jądrowy Akustyczny Elektryczny Elektro – magnetyczny Efekt Dopplera i jego zastosowanie Doświadczenia Zadania • Drgania w przyrodzie • Wahadło matematyczne • Wahadło sprężynowe • Dźwięki słyszalne • Infradźwięki • Ultradźwięki • Fale mechaniczne • Prawo odbicia fal mechanicznych • Prawo załamania fal mechanicznych • Interferencja • Dyfrakcja • Polaryzacja światła • Oddziaływanie elektromagnetyczne • Fala elektromagnetyczna • Widmo fal elektromagnetycznych

5. Drgania w przyrodzie prądy w telewizorze, radiu, komputerze, elektrony w atomie emitującymświatło, pole elektromagnetyczne w samym świetle, ziemia podczas trzęsienia, gwiazdy pulsujące (to też drgania tylko powolne), twoje serce. Przykładów można podać bardzo, bardzo wiele. Czy już mi wierzysz, że drgania występują bardzo powszechnie? Skoro tak jest, to może warto byłoby się czegoś onich dowiedzieć? Ruch drgający jest chyba najczęściej występującym w przyrodzie i tętniącym ruchem. Przykłady drgań: • wahadło starego zegara, • metalowa kulka zawieszona na sprężynce, • struna gitary, powietrzew piszczałce organowej – to wszystko drga, • most, po którym jadą samochody, • szyby w Twoim domu, • gdy ulicą przejeżdża ciężarówka,

6. WAHADŁO MATEMATYCZNE • Wahadło matematyczne to małe ciało zawieszone na długiej nierozciągliwej nici o pomijalnej masie. • Siły działające na wahadło przedstawione • zostały na rysunku: • Okres drgań wahadła matematycznego w układzie • inercjalnym wyraża się wzorem: • gdzie: • l – długość wahadła,g – przyspieszenie ziemskie.

7. Wahadło sprężynowe • Masa na sprężynie (wahadło sprężynowe) – ciało zawieszone na sprężynie, które może w polu grawitacyjnym wykonywać pionowe drgania swobodne. • Jeżeli siła sprężystości sprężyny jest proporcjonalna do wychylenia z położenia równowagi, to drgania są drganiami harmonicznymi prostymi. Warunek ten jest dobrze spełniony, jeżeli sprężyna nie zostanie rozciągnięta zbyt mocno. Dla takich drgań, okres drgań jest niezależny od ciężaru ciała (np. na różnych planetach), natomiast zależy od masy m ciała • i współczynnika sprężystości sprężyny k. Okres drgań takiego wahadła określa wzór: • gdzie: • m – masa zaczepiona,k – współczynnik sprężystości

8. DŹWIĘKI SŁYSZALNE • Dźwięk jest rodzajem podłużnej fali mechanicznej. Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej zależy od rodzaju ośrodka , rośnie wraz z jego gęstością. I tak np. w powietrzu prędkość dźwięku wynosi 330 m/s, a już w wodzie 1450 m/s. Dużo większe prędkości dźwięk osiąga • w ciałach stałych, np. w żelazie wynosi 5130 m/s, a w granicie prędkość może sięgać 6000 m/s. • Ponieważ fala dźwiękowa jest falą mechaniczną dlatego do propagacji potrzebuje ośrodka materialnego. Rozchodzenie się fali dźwiękowej polega bowiem na przemieszczaniu się zagęszczeń i rozrzedzeń ośrodka materialnego. Takie drgania cząsteczek ośrodka powodują , że w ich otoczeniu zmienia się ciśnienie atmosferyczne. Takie lokalne zmiany ciśnienia noszą nazwę ciśnienia akustycznego. • Ilość drgań cząsteczek ośrodka materialnego przypadająca na dany okres czasu to częstotliwość fal dźwiękowych. Wyraża się ją w hercach. • Dźwięki mogą być przenoszone na duże odległości od źródła dźwięku. • Zakres częstotliwości fal mechanicznych, które określa się jako dźwiękowe to przedział od 20 - 20000 Hz. • Fale słyszalne są efektem drgań strun, w tym także strun głosowych. Mogą także powstawać w wyniku drgań słupów powietrza. Tak się dzieje np. w organach. Źródłem dźwięków słyszalnych mogą być także drgania membran i płyt, np. w bębnie czy głośniku.

9. infradźwięki • Są to fale mechaniczne o częstotliwościach mniejszych od 20 Hz • Infradźwięki także nie są słyszane przez człowieka. Jednak przy pewnej wartości ciśnienia akustycznego mogą wywierać negatywny wpływ na organizm powodując m.in. uczucie zmęczenia, zaniepokojenie czy ból głowy. • W środowisku naturalnym infradźwięki powstają np. podczas trzęsienia ziemi czy chociażby wyładowań atmosferycznych. • Ponieważ infradźwiękom odpowiadają duże długości • fal są one słabo tłumione i mogą przenosić się na • znaczne odległości. • Wśród niektórych gatunków zwierząt fale • infradźwiękowe służą do przesyłania sygnałów • na znaczne odległości. Tak się dzieje np. w przypadku • słoni.

10. ultradźwięki • Są to fale mechaniczne o częstotliwościach większych od 20000 Hz • Ultradźwięki wykorzystywane są w przyrodzie przez nietoperze i delfiny. Są one zdolne do emisji i odbioru tych fal mechanicznych. Posługują się ultradźwiękami do echolokacji. • Również człowiek nauczył się wykorzystywać ultradźwięki. Ważna jest tutaj ich własność, która polega na tym, że sposób rozchodzenia się fali ultradźwiękowej w danym ośrodku ściśle zależy od jego budowy. Stąd te fale dźwiękowe wykorzystuje się w coraz powszechniejszej ultrasonografii pozwalającej na badanie struktury obiektów ( w medycynie do badania ciała człowieka). • Ultradźwięki wykorzystywane są także w przemyśle m.in. do usuwania warstw materiału z podłoża, umożliwia to obróbkę różnych przedmiotów. • Za pomocą fal ultradźwiękowych można również mierzyć odległości • z przedziału 1 - 10 metrów.

11. Fale mechaniczne – Krótka charakterystyka • Falami mechanicznymi nazywa się fale rozchodzące się w ośrodkach sprężystych. Ich ruch polega na przemieszczaniu się wychyleń cząstek ośrodka z położenia równowagi. Dzięki sprężystości ośrodka drgania takie przekazywane są coraz to dalej położonym cząstkom i w ten sposób fala przechodzi przez ośrodek materialny. • Ważny jest fakt, że sam ośrodek nie zmienia położenia. Wychyleniom ulegają jedynie jego cząstki z położeń równowagi. Wraz z przemieszczaniem się wychyleń przez ośrodek przenoszona jest energia fali. • Jeżeli cząstki drgają wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali to taką falę nazywa się podłużną. Drugim rodzajem fal są fale poprzeczne. W ich przypadku cząstki drgają w płaszczyznach prostopadłych do kierunku propagacji fali.

12. Prawo odbicia fal mechanicznych • Kąt padania jest równy kątowi odbicia. Promień fali padającej, promień fali odbitej i prosta prostopadła (normalna) płaszczyzny odbijającej leżą w jednej płaszczyźnie. • Kątem padania nazywamy kąt zawarty między promieniem fali padającej, • a prostą prostopadłą (normalną) do płaszczyzny odbijającej. • Kątem odbicia nazywamy kąt zawarty między promieniem fali odbitej, a prostą prostopadła (normalną) do płaszczyzny odbijającej.

13. PRAWO ZAŁAMANIA FAL MECHANICZNYCH • Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania, zwany współczynnikiem załamania n ośrodka drugiego względem pierwszego, jest równy stosunkowi prędkości rozchodzenia się fali w ośrodku pierwszym do prędkości rozchodzenia się fali w ośrodku drugim. w obu ośrodkach. Promień fali padającej, promień fali załamanej i prosta prostopadła (normalna) do granicy ośrodków leżą w jednej płaszczyźnie. • Fala musi pokonać drogę BC w jednym ośrodku w tym samym czasie co drogę AD w drugim ośrodku.

14. interferencja Interferencja fali jest niczym innym jak nałożeniem (zsumowaniem) dwóch lub większej ilości fal, które wzajemnie się nałożyły. Wygaszenie Wzmocnienie Jeżeli obie fale będą miały takie same amplitudy to nastąpi maksymalne wzmocnienie. Wzmocnienie następuje w takich przypadkach: Maksymalne wzmocnienie fali następuje we wszystkich punktach, dla których różnica odległości od źródeł równa się całkowitej wielokrotności długości fali:

15. DYFRAKCJA (UGIĘCIE) • Dyfrakcją fali nazywamy ugięcie fali, czyli zmianę kierunku rozchodzenia się fali na szczelinach, krawędziach, przeszkodach, itp. Zjawisko dyfrakcji jest typowym dla fal. Tłumaczy je zasada Huygensa. Łatwo jest zaobserwować dyfrakcję fal, ustawiając • w zbiorniku z wodą przegrodę z wąską szczeliną i wytwarzając po jednej stronie falę płaską. W chwili, gdy fala ta dojdzie do przegrody - szczelina staje się źródłem fali kołowej, rozchodzącej się z niej we wszystkich kierunkach po drugiej stronie przegrody. Tą sytuację ilustruje rysunek: • Umieszczając w zbiorniku z wodą przegrodę z dwiema • szczelinami, równoległą do powierzchni wytwarzanej fali • płaskiej, możemy obserwować zarówno dyfrakcję jak • i interferencję fal ugiętych. Ponieważ powierzchnia fali • płaskiej dochodzi do obydwu szczelin w tej samej chwili, • stają się one źródłami elementarnych fal kołowych • o jednakowych fazach i amplitudach. Następuje • wzmocnienie drgań i powierzchnia wody staje się silniej • pofałdowana, w innych zaś przypadkach, w których dojdą fale o fazach • przeciwnych , następuje wygaszenie drgań i powierzchnia • wody staje się gładka, tworząc charakterystyczne "linie węzłów".

16. POLARYZACJA ŚWIATŁA Jeżeli światło pada na powierzchnię dielektryka (np. szkła) pod tzw. kątem Brewstera αB, to wiązka odbita jest całkowicie spolaryzowana w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny padania. Wiązka załamana, która wniknęła w dielektryk, jest częściowo spolaryzowana w płaszczyźnie padania wiązki.Kąt Brewstera spełnia następujący warunek:αB + ß = 90°tg αB = ngdzie: n – bezwzględny współczynnik załamania dielektryka. Polaryzacja to zjawisko polegające na uporządkowaniu płaszczyzny drgań wektora Występowanie zjawiska polaryzacji dla światła dowodzi, że światło jest falą poprzeczną. Światło można spolaryzować, przepuszczając je przez specjalne substancje zwane polaryzatorami, przez odbicie od powierzchni dielektryka lub przez tzw. podwójne załamanie w kryształach dwójłomnych.Zjawisko polaryzacji światła znalazło wiele praktycznych zastosowań: • W reflektorach samochodowych • Okularach polaryzacyjnych • Do pomiarów wartości cukru w soku wytłoczonym z buraków cukrowych

17. Oddziaływanie elektromagnetyczne • W XIX wieku okazało się, że zmienne pole elektrycznie i zmienne magnetyczne są od siebie zależnie i takie powiązane ze sobą zmienne pole elektryczne i magnetyczne nazywamy polem elektromagnetycznym. Dziś wiemy, że oddziaływanie elektromagnetyczne jest jednym z czterech podstawowych oddziaływań w przyrodzie. James Maxwell oddziaływanie elektromagnetyczne opisał zestawem czterech równań zwanych dzisiaj równaniami Maxwella (niestety nie da się ich podać bez znajomości pochodnych i całek). • Z pierwszego równania wynika wniosek, • że zmienne pole elektryczne wytwarza • wirowe pole magnetyczne, a z drugiego, • że zmienne pole magnetyczne wytwarza • wirowe pole elektryczne (pole wirowe • charakteryzuje się tym, że linie tego pola • są krzywymi zamkniętymi).

18. Fala elektromagnetyczna • Maxwell wykazał, że pole elektromagnetyczne może się rozchodzić w przestrzeni • z prędkością światła i nazywamy je falą elektromagnetyczną. • Fala elektromagnetyczna jest więc rozchodzącym się w przestrzeni sprzężonym polem elektrycznym (opisuje je wektor natężenia elektrycznego E) i magnetycznym (opisuje je wektor indukcji magnetycznej B), prostopadłych do siebie i do kierunku rozchodzenia się, o natężeniach zmieniających się sinusoidalnie. Fala elektromagnetyczna niesie ze sobą energię. Wielkością charakteryzującą fale jest częstotliwość, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach. Drugą wielkością jest długość fali, czyli odległość między sąsiednimi punktami • w których pole magnetyczne i elektryczne • jest takie samo. Wielkości te zależą od • siebie. Czym większa jest częstotliwość • to długość fali jest mniejsza. • Częstotliwość dla danej fali jest stała • i niezależna od ośrodka. Natomiast długość fali • zmienia się, bowiem prędkość fali zależy od rodzaju • ośrodka.

19. Fala elektromagnetyczna rozchodzi się najlepiej i najszybciej w próżni (prędkość w próżni wynosi 299792km/s). W ośrodkach materialnych prędkość fali elektromagnetycznej jest zawsze mniejsza i zależna od rodzaju ośrodka oraz od częstotliwości fali. W ośrodkach materialnych część energii fali jest tracona i ulega zamianie na energię wewnętrzną ciała. Zjawisko to nosi nazwę absorpcji lub pochłaniania światła. Na skutek absorpcji fala ulega stopniowemu osłabianiu, a stopień osłabienia zależy od własności ośrodka, grubości warstwy, przez którą przechodzi fala oraz od częstotliwości fali. • Falę elektromagnetyczną można traktować jako strumień cząstek (korpuskuł) zwanych fotonami. Każdy foton ma określoną energię (foton możemy więc traktować jako paczkę fali) zależną od częstotliwości. Im większa częstotliwość (mniejsza długość) to energia fotonu jest większa. Fala elektromagnetyczna ma więc naturę podwójną, mówimy dualną, stąd teoria dualizmu korpuskularno - falowego. W niektórych zjawiskach ujawniają się właściwości falowe, • a w niektórych właściwości korpuskularne czyli cząsteczkowe. Połączenie opisu własności falowych i korpuskularnych fali podaje mechanika kwantowa (mechanika falowa). Fale długie ujawniają bardziej właściwości falowe, natomiast im krótsze fale to bardziej ujawniają się właściwości kwantowe czyli korpuskularne (wtedy energia fotonu jest większa).

20. widmo fal elektromagnetycznych • Jest to klasyfikacja fal elektromagnetycznych według ich długości (częstotliwości) w próżni. Omówimy obecnie poszczególne rodzaje fali elektromagnetycznej od fal najkrótszych (o największej częstotliwości) do najdłuższych. Nazwa poszczególnych fal jest tradycyjna • i wynika na ogół ze sposobów otrzymywania poszczególnych fal. Dlatego zakresy np. promieniowania gamma i rentgenowskiego lub podczerwonego i mikrofal pokrywają się.

21. Promieniowanie gamma • Są to fale elektromagnetyczne o długości krótszej od 10-10 m. • Źródłem promieniowania gamma inaczej zwanego • promieniowaniem przenikliwym są procesy zachodzące w jądrze • atomowym (np. rozpad pierwiastków promieniotwórczych zawartych • w skorupie ziemskiej lub reakcje jądrowe) oraz promieniowanie • kosmiczne powstające podczas procesów jądrowych zachodzących w gwiazdach • i galaktykach. Promieniowanie gamma dla promieniowania jonizującego o danej energii najlepiej przechodzi przez materię, stąd druga nazwa - promieniowanie przenikliwe. Podobnie jak promienie rentgenowskie najlepiej pochłaniane jest przez substancje o dużej liczbie atomowej. Dlatego najlepszymi materiałem zabezpieczającym przed promieniowaniem gamma jest ołów. Aby obniżyć koszty, schrony przeciwatomowe buduje się z na przemian kładzionych warstw ołowiu i betonu, który również dość dobrze pochłania promieniowanie gamma. • Zastosowanie:Promieniowane gamma niszczy wszystkie żywe komórki, także nowotworowe. Znalazło to szerokie zastosowanie w medycynie do naświetlania chorych tkanek, a także do konserwowania żywności. Oprócz tego stosuje się je do wykrywania wad materiałów (defektoskopia).

22. Promieniowanie rentgenowskie (X) • Promieniowanie rentgenowskie odkrył w 1895 roku W.C. Roentgen i nazwał promieniowaniem X. Długości fali zawarta jest w przedziale od 10-13m do około 5x10-8m. Promieniowanie rentgenowskie wytwarzane jest w lampach rentgenowskich i są dwa mechanizmy powstawania tego promieniowania. Przede wszystkim przyspieszone w polu elektrycznym elektrony hamowane są przez materiał anody tracąc swoją energię, która zostaje wypromieniowana jako promieniowanie hamowania. Jest to widmo ciągłe • i ograniczone od strony fal krótkich, przy czym położenie jest granicy zależy od napięcia doprowadzonego do lampy. Dodatkowo na skutek wybicia (jonizacji) przez przyspieszone elektrony wewnętrznych elektronów w materiale anody, następuje przeskok elektronu • z powłoki zewnętrznej na puste miejsce czemu towarzyszy emisja promieniowania o ściśle określonej długości fali (promieniowanie charakterystyczne). • Zastosowanie: • Wykorzystuje się je w badaniach strukturalnych (rentgenowska • analiza strukturalna), w defektoskopii oraz do badania • pierwiastkowego składu chemicznego (rentgenowska • analiza widmowa). Ponadto promieniowanie rentgenowskie • szeroko stosuje się w diagnostyce medycznej wykorzystując • fakt, że mięśnie przepuszczają promienie rentgenowskie a kości • pochłaniają.

23. Promieniowanie nadfioletowe • Promieniowanie nadfioletowe zwane inaczej ultrafioletowym ( w skrócie UV) ma długość od 4x10-7m do 10-8m (od 400 do 10 nm) i dzieli się na ultrafiolet tzw. bliski (400-190 nm) i daleki (190-10 nm). Naturalnymi źródłami są ciała o dostatecznie wysokiej temperaturze. Silnym źródłem jest Słońce. Technicznymi źródłami są lampy wyładowcze, przede wszystkim rtęciowe zwane kwarcówkami (lampy te osłania szkło kwarcowe, które przepuszcza promieniowanie nadfioletowe, zwykłe szkło nadfiolet pochłania) wytwarzane np. w lampach kwarcowych. Promieniowanie nadfioletowe ma silne działanie fotochemiczne. Przy długości fali poniżej 300 nm wywołuje już jonizację i jest zabójcze dla organizmów żywych, wywołuje lub przyspiesza szereg reakcji chemicznych. Przed promieniowaniem nadfioletowym chroni nas warstwa ozonowa, pochłaniająca promieniowanie ultrafioletowe o długości fali poniżej 290 nm, a także powietrze, które pochłania całkowicie promieniowanie nadfioletowe • w zakresie ultrafioletu dalekiego. • Ze względu na działanie na skórę docierające • z kosmosu promieniowanie dzieli się • na trzy zakresy: • UV-A (320-400nm), • UV-B (290-320nm), • UV-C (230-290nm).

24. Promieniowanie z zakresu o największej długości fali UV-A nie jest w normalnych dawkach szkodliwe i stosuje się je klinicznie w leczeniu niektórych dolegliwości skóry, jak np. łuszczycy. Jest także wykorzystywane do stymulowania wytwarzania witaminy D • u pacjentów, którzy są uczuleni na preparaty z ta witaminą. Promieniowanie UV-B powoduje zaczerwienienie skóry, po którym następuje pigmentacja czyli opalanie się. Nadmierne naświetlenie może spowodować powstanie groźnych pęcherzy. Promieniowanie UV-C • o najmniejszych długościach fali jest szczególnie szkodliwe powoduje ono raka skóry. Normalnie zatrzymywane jest przez warstwę ozonową, ale pojawia się przy jej zubożeniu. • Zastosowanie:Promieniowanie nadfioletowe ma wiele zastosowań • w medycynie (o czym wspomnieliśmy wcześniej), • biologii (badania mikroskopowe tkanek i komórek), • mineralogii (analiza minerałów), farmacji (sterylizacja), • przemyśle spożywczym (konserwowanie żywności), • przemyśle chemicznym (przyspieszanie reakcji)

25. ŚWIATŁO WIDZIALNE • Jest promieniowanie elektromagnetyczne o długości od około 4x10-7 m do około 7x10-7 m. Taki zakres odbiera nasze oko, ale zwierzęta mogą rejestrować promieniowanie o innych długościach, np. pszczoły "widzą" promieniowanie nadfioletowe. Najlepiej widzimy w środku zakresu dla barwy żółtozielonej (długość około 550nm) a najgorzej na końcach. Światło w naszym oku odbierają receptory znajdujące się na siatkówce: 125 milionów pręcików • i 6,5 miliona czopków. Dzięki czopkom człowiek rozróżnia barwy w jasnym pomieszczeniu oraz ostro widzi szczegóły. Czopki zawierają trzy typy barwników o maksimach czułości w obszarach błękitu, oranżu i czerwieni. W zależności od stopnia podrażnienia każdego z barwików mózg otrzymuje różne serie impulsów nerwowych i interpretuje je jako różne kolory. Czopki potrafią również rozróżniać natężenie światła czyli jego intensywność.

26. Gdy oświetlenie jest słabe, czopki przestają • pracować i nie rozpoznajemy wtedy barw. • Zaczynają wtedy odpierać pręciki, które • pozwalają widzieć jednobarwne przedmioty • przy słabym oświetleniu, rejestrując ich • natężenie. Pręciki zawierają barwnik zwany • rodopsyną. Rodopsyna jest bardziej czułą • na kolor niebieski i zielony, natomiast • wykazuje małą czułość na kolor czerwony, • który w nocy odbieramy prawie tak jak czarny. • Czułość odbieranego światła przez pręciki • jest więc przesunięta bardziej w stronę fal • krótszych (nadfioletu), co pokazuje wykres • zamieszczony obok. • Naturalnymi źródłami są ciała ogrzane do temperatury ponad 700°C. Na skutek ruchów cieplnych następuje wtedy wzbudzenie elektronów wewnątrz substancji i przy powrocie do niższych stanów energetycznych następuje emisja światła. Taki proces zachodzi w zwykłych żarówkach. Innym sposobem jest pobudzanie do świecenia atomów substancji (najczęściej rtęci) przepływającym prądem w gazach. Są to lampy wyładowcze np. świetlówki lub żarówki energooszczędne. Osobliwym źródłem jest laser a jeszcze innym zjawisko luminescencji. Czułość widmowa oka. Współczynnik K podaje jak odbieramy fale o poszczególnych długościach w stosunku do wartości maksymalnej. Linią przerywaną zaznaczono czułość pręcików, a ciągłą wypadkową czułość czopków

27. Promieniowanie podczerwone • Podczerwone promieniowanie zwane inaczej promieniowaniem cieplnym lub krótko podczerwienią ma długości fali od 7x10-7 m do 2x10-3m. Emitowane jest przez rozgrzane ciała w wyniku wzbudzeń cieplnych elektronów wewnątrz substancji. Im niższa temperatura im mniejsze natężenie i dłuższe fale. Promieniowanie podczerwone jest silnie pochłaniane przez niektóre składniki atmosfery np. parę wodną i dwutlenek węgla. Długości od 14 mm do 1500 mm atmosfera ogóle nie przepuszcza i dzięki temu stanowi swojego rodzaju płaszcz ochronny Ziemi, zabezpieczający planetę przed zbytnim ochłodzeniem. • Zastosowanie:Wykorzystuje się je w badaniach strukturalnych, w lecznictwie (diatermia), biologii (badania mikroskopowe w podczerwieni) także do obserwacji w ciemności (noktowizor, czujniki alarmowe). Duże znaczenie naukowe i praktyczne ma fotografika w bliskiej podczerwieni: diagnostyka stanów patologicznych układu krążenia w medycynie, wykrywanie fałszerstw dokumentów w kryminalistyce, ekspertyza dzieł sztuki. Znacznie słabsze rozpraszanie promieniowania podczerwonego w porównaniu ze światłem widzialnym ułatwia dokładne fotografowanie obiektów przez mgłę i dym. Zdjęcia satelitarne również są na ogół wykonywane w podczerwieni.

28. Mikrofale • Są to fale o długości od 10-4 m do 0,3 m(0,1mm do 30 cm). • Mikrofale z górnego zakresu mogą powstawać • w elektronicznych układach drgających podobnie jak fale • radiowe i dlatego dość często zalicza się je do fal radiowych • nie wyszczególniając osobno. Obecnie opracowano wiele • innych sposobów generacji mikrofal. Mogą to być lampy • mikrofalowe: klistrony, karcinotrony, i magnetrony. Rozwój • elektroniki pozwolił na stworzenie źródeł mikrofal z • wykorzystaniem półprzewodników: generator Gunna, • diody lawinowe, a także tranzystory bipolarne i polowe. • Zastosowanie: • Mikrofale wykorzystuje się w radiolokacji (radar), w pomiarach prędkości pojazdów dlatego czasami nazywane są inaczej falami radarowymi, oraz do podgrzewania potraw • w mikrofalówkach. Wymyślono sposób monitorowania stanu zapór wodnych czy mostów • w rejonach zagrożonych trzęsieniem ziemi. W krytycznych miejscach budowli umieszcza się puste metalowe pudełka wielkości paczki papierosów, do których dochodzą rurki. Przez rurki doprowadzane są mikrofale, a pudełka działają jak wnęki rezonansowe. Gdy pudełko wygina się pod wpływem naprężeń, częstotliwość rezonansowa ulega zmianie, co stanowi wczesne ostrzeżenie o możliwych problemach.

29. Fale radiowe • Fale radiowe to fale elektromagnetyczne o długości większej od 10-4 m (0,1 mm). Ze względu na środowisko propagacji wyróżnia się falę przyziemną (powierzchniową • i nadziemną), falę troposferyczną, falę jonosferyczną i w przestrzeni kosmicznej. W zależności od długości fali radiowej jej propagacja jest poddana wpływowi różnorodnych zjawisk, np. dyfrakcji, refrakcji, odbicia od jonosfery itp. Ogromną rolę w przesyłaniu i odbiorze fal radiowych odgrywa jonosfera. Jest to górna część atmosfery ziemskiej, zjonizowana przez działanie promieniowania ultrafioletowego i rentgenowskiego wysyłanego przez Słońce. Dolna jej część dzieli się na warstwy: D (60-90 km), E (około 120 km), F1 (180-240 km) i F2 (220-300 km). Fale długie łatwo ulegają ugięciu czyli dyfrakcji i mogą stanowić fala długą przyziemną (oznaczone 2 na rysunku) oraz odbijają się od warstwy D (3 na rysunku) i w ogóle nie są pochłaniane przez jonosferę. Dlatego mają najdalszy zasięg niezależnie od pory dnia i roku. Fale średnie odbijające się od warstwy • E (4 na rysunku), mają o wiele większy zasięg w nocy, gdyż wtedy zanika warstwa D, przez którą są pochłaniane. • Fale krótkie natomiast na Ziemi tworzą fala krótką falę • przyziemną (1) i odbijają się od warstw F1 i F2 • (5 na rysunku) (warstwa F1 występuje jedynie w lecie) • oraz od powierzchni Ziemi i dzięki temu są słyszalne na • bardzo dużym obszarze, jednak tylko w tych miejscach, • do których biegnie fala po odbiciu od jonosfery. • Ale ultrakrótkie i mikrofale (6) nie ulegają • odbiciu od jonosfery i uciekają w przestrzeń kosmiczną. • To właśnie one są nadawane i odbierane przez satelity • telekomunikacyjne lub służą do łączności satelitarnej

30. Poniżej podajemy podział tradycyjny fal radiowych i ich zastosowanie.

31. REZONANS • Jest to zjawisko fizyczne zachodzące dla drgań wymuszonych, objawiające się pochłanianiem energii poprzez wykonywanie drgań o dużej amplitudzie przez układ drgający dla określonych częstotliwości drgań. Zostało odkryte przez Galileusza w XVI w. Rodzaje rezonansu • Mechaniczny • Jądrowy • Akustyczny • Elektryczny • Elektromagnetyczny

32. Krzywa rezonansowa Widać, że największą wartość amplitudy drgań wymuszonych osiąga się dla częstotliwości wymuszania zgodnej z częstotliwością drgań własnych układu. W bardziej skomplikowanych sytuacjach krzywa rezonansowa może mieć kilka maksimów, odpowiadających różnym postaciom drgań w układzie (jeśli jest to układ złożony).

33. REZONANS MECHANICZNY DOŚWIADCZENIE Pobudzamy do drgań wahadło A, obserwujemy, że jego drgania stopniowo zanikają, coraz bardziej zaczyna się wahać wahadło C. Wahadło B pozostaje cały czas w spoczynku. Zaobserwowaliśmy zjawisko rezonansu mechanicznego, czyli zjawisko przekazywania drgań (energii drgań) ciał o takiej samej częstotliwości drgań własnych. Rezonans mechaniczny to zjawisko polegające na przepływie energii pomiędzy kilkoma (najczęściej dwoma) układami drgającymi. Warunkami koniecznymi do zajścia rezonansu mechanicznego są: • jednakowa lub zbliżona częstotliwość drgań własnych (lub swobodnych) układów, • istnienie mechanicznego połączenia między układami. Ze zjawiskiem rezonansu spotykamy się jadąc np. autobusem. Przy pewnej prędkości kątowej obrotów silnika, szyby lub niektóre części karoserii zaczynają silnie drgać.

34. Jądrowy rezonans magnetyczny • Jest to absorpcja fal elektromagnetycznycho częstotliwości radiowej przez jądra atomowe znajdujące się w polu magnetycznym. • Działanie na materię falami elektromagnetycznymi o odpowiedniej częstotliwości powoduje wzbudzanie spinów jądrowych znajdujących się w zewnętrznym polu magnetycznym. Podobny efekt można też uzyskać przez zmiany kierunku wektora pola magnetycznego z odpowiednią częstotliwością. Po bardzo krótkiej chwili od absorpcji częstotliwości rezonansowej spiny jąder ulegają relaksacji do stanu poprzedniego z emisją promieniowania elektromagnetycznego o nieco innej częstotliwości od wcześniej zaabsorbowanej. • Zjawisku rezonansu magnetycznemu ulegają jądra atomowe o niezerowym spinie. Są to m.in. jądra wodoru, deuteru, izotopów 15-azotu, 13-węgla, 17-tlenu, 31-fosforu, 29-krzemu i wiele innych. • Zjawisko to jest praktycznie wykorzystywane w spektroskopii rezonansu magnetycznego w fizyce i chemii i obrazowaniu MRI w medycynie.

35. REZONANS AKUSTYCZNY • Zjawiskiem bardzo ważnym w całej nauce o falach jest rezonans. Polega on na tym, że jeśli mamy dwa układy (instrumenty, elementy instrumentów), które mogą drgać, to jeśli istnieje między nimi połączenie umożliwiające propagację (czyli po prostu rozchodzenie się) fali dźwiękowej, to drgania jednego elementu będą przekazywane innemu elementowi. O właściwym rezonansie mówimy jednak dopiero wtedy, gdy owo przekazywanie energii akustycznej osiąga największą efektywność. • Zjawisko rezonansu zachodzi wtedy gdy częstotliwości drgań są do siebie dopasowane. Przy prawidłowo nastrojonej gitarze struna 6-ta przyciśnięta na • 5-tym progu ma taką samączęstotliwość drgań tonu podstawowego (najważniejszego w tym przypadku), jak nie przyciśnięta struna 5-ta. Dlatego zachodzi przekazanie energii drgań od jednej struny do drugiej. • Gdy częstotliwości nie są do siebie dopasowane (jak to jest w przypadku pozostałych strun), to przekazywanie energii zachodzi znacznie słabiej (najczęściej tak słabo, że jest niezauważalne).

36. Przykład - rezonans strun gitarowych Jeżeli dysponujemy prawidłowo nastrojoną gitarą, to pokazanie zjawiska rezonansu akustycznego jest bardzo łatwe. Wystarczy przycisnąć 6-tą strunę (najgrubszą) na piątym progu i pobudzić ją do drgań. Bez trudu daje się zauważyć, że do drgań pobudzi się także struna 5-ta (oczywiście, jeśli nic nie blokuje jej drgań). Ciekawe w zjawisku rezonansu jest to, że tylko ta jedna struna jest pobudzana w tym przypadku (pozostałe 4 struny gitary nie drgają). Jeśli chcemy za pomocą drgań 6-tej struny pobudzić do drgań strunę 4-tą, to należałoby 6-tą strunę przycisnąć na progu 9-tym.

37. REZONANS ELELKTRYCZNY Obwód drgań o pojemności C1 i indukcyjności L1, zasilany przez generator drgań niegasnących wzbudza drgania elektromagnetyczne w drugim obwodzie L2C2, złożonym z cewki o indukcyjności L2 i z kondensatora o zmiennej pojemności C2 oraz lampki neonowej N spełniającej rolę wskaźnika napięcia. Zmieniający się z wielką częstotliwością strumień magnetyczny cewki L1, obwodu L1C1, zwanego obwodem wymuszającym, wzbudza w cewce L2 obwodu L2C2 prąd indukcyjny o takiej samej częstotliwości, czyli drgania elektryczne wymuszone, Amplituda tych drgań zależy od stosunku częstotliwości własnych obwodu L2C2 do częstotliwości drgań wymuszających obwodu L1C1i osiąga maksymalną wartość wtedy, gdy częstotliwości te są sobie równie, czyli: Opisane wyżej zjawisko nosi nazwę rezonansu elektrycznego, a częstotliwość, przy której zachodzi, nazywamy częstotliwością rezonansową.

38. REZONANS ELEKTROMAGNETYCZNY Zjawisko rezonansu elektromagnetycznego zachodzi pomiędzy dwoma obwodami drgającymi. Jeden z obwodów musi być zasilany z zewnętrznego źródła energii aby uzupełnić straty(1). W drugim natomiast musi istnieć możliwość zmiany pojemności kondensatora lub współczynnika indukcji własnej obwodu , czyli musi mieć możliwość zmiany okresu drgań własnych tego obwodu(2). Jeżeli pierwszy obwód pobudzimy do drgań , to zmieniając okres drgań własnych drugiego obwodu doprowadzimy do pojawienia się drgań elektrycznych w drugim obwodzie. Obwody elektryczne mogą więc przekazywać sobie energię wtedy, gdy okres drgań T obwodu przekazującego energię jest równy okresowi drgań własnych T2 obwodu, który ją odbiera. Opisane wyżej zjawisko nazywamy rezonansem elektromagnetycznym, a jego spełnieni jest uwarunkowane równością okresów drgań własnych dwóch obwodów, czyli T1= T2.

39. Efekt Dopplera Naukowe badanie efektu po raz pierwszy przeprowadził Christian Andreas Doppler w 1845 roku. Poprosił on grupę muzyków, aby wsiedli do pociągu i grali jeden ton. Słuchał go i zaobserwował, że dźwięk instrumentów staje się wyższy, kiedy pociąg zbliża się do niego. Gdy źródło muzyki się oddala, jego ton staje się niższy. Zmiana wysokości dźwięku była dokładnie taka, jak wyliczył uprzednio Doppler. Aby zrozumieć efekt Dopplera, trzeba zdać sobie sprawę, że wysyłany dźwięk nie staje się ani wyższy ani niższy. Źródło fali wysyła kolejne fale z takim samym okresem. Jeżeli źródło nie porusza się, odległość między tymi falami (grzbietami fali) ma pewną stałą wartość, a gdy źródło się porusza, odległość między kolejnymi grzbietami zmienia się, bo wysyłający "biegnie" za wysłaną falą, co odbieramy jako zmianę wysokości dźwięku u nieruchomego odbiorcy. na Rysunku 1 widać, że między szczytami Fal jest różna odległość, w zależności od kierunku, w którym porusza się źródło.

40. Różne postacie prawa Dopplera • Ogólnie należy rozpatrzeć trzy sytuacje dające trzy różne wzory : • ruch źródła względem stałego obserwatora, a prędkość źródła względem obserwatora znacznie mniejsza od prędkości światła, • ruch obserwatora względem stałego źródła, a prędkość źródła względem obserwatora znacznie mniejsza od prędkości światła, • prędkość ruchu obserwatora względem źródła zbliżona do prędkości światła, czyli przypadek relatywistyczny. Ogólny wzór • v – prędkość fali, • fo – częstotliwość fali odbieranej przez obserwatora, • fz – częstotliwość fali generowanej przez źródło, • vz – składowa prędkości źródła względem obserwatora, równoległa do kierunku łączącego te dwa punkty

41. W życiu codziennym Wycie gnającej ulicami miasta karetki najpierw jest wysokie, kiedy ta jest daleko, obniża się stopniowo w miarę zbliżania się jej i staje się niski, gdy karetka przemknie już obok nas i oddala się. Efekt ten powstaje na skutek zmiany promieniowej składowej prędkości karetki. Jeżeli karetka nie jedzie wprost na obserwatora, tylko chce go ominąć, to prędkość karetki nie jest skierowana wprost na obserwatora. Zgodnie z rysunkiem nie cały wektor prędkości wnosi wkład do zależności na efekt Dopplera. Znaczenie ma tylko wartość składowej promieniowej (przybliżanie/oddalanie się od karetki). Zmienia się ona, zależnie od odległości karetki a tak naprawdę od kąta między kierunkiem łączącym karetkę z obserwatorem a kierunkiem ruchu karetki od ucha obserwatora. Efekt ten powoduje, że pomiar radaru policyjnego dokonany pod kątem do kierunku jazdy samochodu jest mniejszy od rzeczywistej prędkości samochodu.

42. W astronomii • Efekt Dopplera obserwowany dla światła gwiazd ma ogromne zastosowanie • w astronomii. Światło gwiazdy charakteryzuje się liniami widmowymi zawartych w nich atomów. Jeżeli gwiazda ucieka od obserwatora, to linie zaczną się przesuwać w kierunku czerwieni. • Gdy na początku XX wieku astronomowie zaczęli obserwować światło galaktyk okazało się, że wszystkie one mają linie widmowe przesunięte ku czerwieni. Oznacza to, że gwiazdy te oddalają się od nas. Na dodatek, im dalej galaktyka się znajduje, tym szybciej od nas ucieka, a jej światło jest bardziej czerwone. Pomiary te doprowadziły do sformułowania prawa Hubble'a oraz teorii rozszerzającego się wszechświata. • Jeżeli gwiazda wędruje w kosmosie razem z innym obiektem, oba ciała obracają się względem wspólnego środka masy. Gwiazda obraca się razem • z tym ciałem, jak dwaj kręcący się na lodzie łyżwiarze. Pomiary zmian przesunięcia linii widmowych niektórych gwiazd wykazały, że okrążają je planety. W ten sposób astronomowie odkryli setki dużych planet poza układem słonecznym.

43. Diagnostyka medyczna Badanie krwi W obrazowych badaniach diagnostycznych cenną informacją jest nie tylko kształt anatomicznych struktur, lecz także kierunek i prędkość poruszania się tkanek. Ruch takich płynów ustrojowych jak krew można obserwować mierząc zmiany częstotliwości oraz fazy fal dźwiękowych odbitych od płynącej cieczy. Pomiar prędkości krwi w tętnicy szyjnej wspólnej • W obrazowych badaniach diagnostycznych cenną informację daje nie tylko kształt anatomicznych struktur, lecz także kierunek • i prędkość niektórych poruszających się tkanek. Zdecydowanie najważniejsze znaczenie ma wizualizacja i kwantyfikacja ruchu przepływającej w sercu i naczyniach krwionośnych krwi. ultrasonografii dopplerowskiej. Jeżeli głowica ultradźwiękowa potrafi rejestrować nie tylko opóźnienie echa wysyłanego dźwięku, lecz również jego wysokość, to na obrazie można kolorami pokazać ruch ciała. Jeżeli chce się zaobserwować bicie serca płodu, aby postawić diagnozę jeszcze w okresie prenatalnym, to staje się bezcenną informacją. Przełyku możliwe jest dokładniejsze badanie struktur serca, nieprawidłowości budowy i przepływ krwi. Ultrasonografia dopplerowska jest szczególnie przydatna w diagnostyce wad serca.

44. DOŚWIADCZENIA

45. Doświadczalne wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła matematycznego • Przyrządy: • Wahadło matematyczne o różnych długościach • Stoper • Linijka • Część teoretyczna do doświadczenia:

46. Doświadczalne sprawdzenie prawa odbicia i załamania światła Doświadczalne sprawdzenie prawa załamania światła w szkle: Sprawdzaliśmy to prawo używając ławy optycznej i pół okrągłej płytki wykonanej ze szkła • Pomiary: =45° β=28° • Obliczenia: • Wniosek: Współczynnik załamania światła w szkle wynosi n≈1,51. Doświadczalne sprawdzenie prawa odbicia światła. Prawo odbicia światła sprawdzaliśmy za pomocą ławy optycznej używanej na lekcjach fizyki z optyki, stosując zwierciadło płaskie. • Pomiary: =20° β=20° • Wniosek: • Kąt odbicia światła β jest równy kątowi padania światła  (=β).

47. Doświadczalne wyznaczenie długości światła za pomocą siatki dyfrakcyjnej • Do doświadczenia wykorzystaliśmy: laser He-Ne, siatkę dyfrakcyjną, ekran i linijkę. • Światło przechodząc przez siatkę dyfrakcyjną ulega ugięciu (dyfrakcji) i interferencji (0 rząd prążka jasnego i 1 rząd prążka jasnego uzyskany na ekranie) • Gdzie: • λ- długość światła czerwonego • a – odległość między zerowym i pierwszym • rzędem krążków jasnych • d – stała siatki dyfrakcyjnej • l – odległość ekranu od siatki dyfrakcyjnej • Wnioski: • Długość światła czerwonego mieści się • w przedziale od 650nm do 780nm.

48. Doświadczalne wyznaczenie prędkości dźwięku w powietrzu • Przyrządy: • Przyrząd Quinckiego • Woda • Kamerton • Część teoretyczna do doświadczenia Częstotliwość kamertonu f=435Hz

49. Wyznaczanie długości fali świetlnej przy użyciu siatki dyfrakcyjnej • Zastosowano w doświadczeniu • siatkę dyfrakcyjną o stałej równej • d= 2·10-6 m. • W celu wyznaczenia długości • fali świetlnej światła laserowego • zastosowano wzór obliczeniowy: • x- odległość siatki dyfrakcyjnej • od ekranu • yi- odległość prążka n-tego • rzędu od prążka powstałego • z wiązki światła nie odchylonej • L- prążek świetlny uzyskany • po lewej stronie prążka centralnego • P- prążek świetlny uzyskany • po prawej stronie prążka centralnego Wnioski: Analizując uzyskane wyniki pomiarów można zauważyć, że udało nam się wyznaczyć długość fali świetlnej z dużą dokładnością. Popełniony przez nas błąd względny procentowy stanowi zaledwie δ% λ= 3,4%.

50. Wyznaczanie prędkości fali mechanicznej przy użyciu falownicy uniwersalnej . • W celu wyznaczenia prędkości fali mechanicznej wykorzystaliśmy falownicę uniwersalną. Wykorzystując ten przyrząd wykonaliśmy pomiary czas, w którym fala przebyła drogę 2L. • W oparciu o wykonane pomiary obliczone zostały prędkości fali mechanicznej dla poszczególnych pomiarów czasu. • Wykonane pomiary: Uzyskana doświadczalnie wartość prędkości fali mechanicznej z wykorzystaniem falownicy uniwersalnej wynosi Vśr= (0,217+0,001)