Osnova zkoušení z fyziky:
1. interference
2. polarizace světla
3. fotometrické veličiny
4. spektra látek
5. dualismus částic
6. teorie relativity
1. interference
Interference je jev, potvrzující vlnovou povahu světla. Vzniká skládáním dvou nebo více světelných vlnění. Nelze ji v životě přímo pozorovat. Příčinou interference světla je, že jednotlivé atomy svítících těles jsou vlastními světelnými zdroji světelných vln a vysílají vlny různých frekvencí po velmi krátkou dobu (10 na mínus 8 sekundy). Interferenční obrazec se díky tomu neustále mění.
Interference je pozorovatelná pouze tehdy, jeli vlnění koherentní. Koherentní vlnění mají stejnou frekvenci a jejich fázový rozdíl se v uvažovaném bodě prostoru s časem nemění.
Znázorňujeme pomocí laseru, to jest monofrekvenční zdroj světla.
Důkaz se provádí pomocí Youngova pokusu, jinak také známého jako dvouštěrbinový experiment. Máme dvě plochy. V první je štěrbina a z ní se světlo šíří v kulových vlnoplochách. V druhé ploše jsou dvě štěrbiny a z nich se opět šíří světlo z každé zvlášť v kulových vlnoplochách. Na stínítku (třetí ploše v prostoru) poté vzniká interferenční obrazec pomocí nerovnoměrného osvětlení. Interferenční obrazec, neboli interferogram, vypadá jako střídání světlých a tmavých pruhů. Tmavý pruh je v místě interferenčního minima. Světlý pruh je v místě interferenčního maxima.
Interferenční maximum vzniká v místech, kde se koherentní světelná vlnění setkávají se stejnou fází. Vyjadřuje ho rovnice: delta l = k krát lambda, kdy k se rovná 0, 1, 2 atd.
Interferenční minimum vzniká v místech, kde se koherentní světelná vlnění setkávají s opačnou fází. Vyjadřuje ho rovnice: delta l = (2k – 1) krát (lambda lomeno 2).
Využití v interferometrii, holografii, na tenkých vrstvách. Vysvětluje duhové zabarvení olejových skvrn nebo CD.
Interference na tenké vrstvě vzniká, když paprsek dopadající na tenkou vrstvu se částečně odráží a částečně láme do druhého prostředí. Výsledek interference závisí na celkovém dráhovém rozdílu (delta s) mezi odraženými paprsky. Tento typ interference závisí především na tloušťce vrstvy (d), na materiálu a na vlnové délce světla, případě i na indexu lomu. Při použití monofrekvenčního světla na se ploše opět objeví světlé a tmavé oblasti. Při použití bílého světla se plocha duhově zabarví. Využití například protiodrazová vrstva u fotoaparátu, kontrole opracování kulových ploch nebo měření vlnové délky. K měření vlnové délky slouží Newtonova skla. Skládají se z ploskovypuklé čočky, tenké vzduchové vrstvy a skleněné desky. Princip spočívá v tom, že tloušťka tenké vzduchové vrstvy se spojitě mění, místa o stejné tloušťce vytvářejí soustředné kružnice o středu v bodě dotyku čočky.
2. polarizace světla
Víme, že světlo je příčné elektromagnetické vlnění, v němž vektor intenzity (E) kmitá v rovině kolmé na směr, kterým se vlnění šíří. U přirozeného světla (slunečního) kmitá vektor intenzity (E) nahodile.
Polarizované světlo je světlo, v němž vektor intenzity (E) kmitá pouze v jedné rovině. Je to světlo lineárně polarizované. Máme čtyři způsoby polarizace: odrazem, lomem, dvojlomem a absorbcí.
Využití v praxi například u fotoelasticimetrie, polarimetrie, LCD displejů, polarizačních filtrů u brýlí nebo fotoaparátů a dalších. Fotoelasticimetrie zkoumá mechanická napětí v různých objektech. Polarimetrie zkoumá opticky aktivní látky. Polaroid je speciální filtr, sloužící k polarizaci světla.
3. fotometrické veličiny
a) svítivost (I) = charakterizuje vlastnosti zdroje světla, jednotka (Cd = candela)
b) světelný tok (velké fí) = charakterizuje přenos světla prostorem, jednotka (Lm = lumen)
c) osvětlení (E) = charakterizuje účinky světla při dopadu na plochu, závisí na obsahu plochy a úhlu dopadu, jednotka (Lx = lux), měří se u fotoaparátů a kamer automaticky, souvisí s luxmetru nebo fotoelektrickým jevem
rovnice osvětlení: E = I krát cos alfa lomeno r na druhou
r je vzdálenost
I je svítivost
cos alfa je úhel dopadu
4. spektra látek
Emisní spektrum je spektrum světla vyzařované látkou. Druhy: čárové, spojité, pásové, absorpční. Čárové je vyzařováno atomy prvků (sodík, neon). Spojité vyzařováno rozžhavenými pevnými látkami (vlákno žárovky). Pásové je vyzařováno molekulami látek a čáry jsou v těsné blízkosti. Absorpční je pohlcované látkou. Například sluneční obsahuje řadu temných čar, které vznikají průchodem atmosférou, kde jsou světla určitých vlnových délek pohlcována.
Užití u spektrální analýzy, která umožňuje určit složení látek v chemii, metalurgii, lékařství či složení hvězd.
5. dualismus částic
Kvantová mechanika je část kvantové fyziky, která se zabývá mechanickým pohybem částic v mikrosvětě pod vlivem působících sil. Na rozdíl od klasické Newtonovy mechaniky bere v úvahu vlnový a pravděpodobnostní charakter pohybu částic. Proto její rovnice a zákony vypadají úplně jinak než zákony klasické fyziky. Přesto by ale měla existovat mezi klasickou fyzikou a kvantovou fyzikou souvislost. A ta skutečně existuje. Budeme-li přecházet od částic k makroskopickým tělesům, budou se vlnové délky de Broglieových vln a Planckova konstanta (h) jevit nekonečně malé a zákony kvantové fyziky by měly přecházet v zákony klasické mechaniky. Tak tomu skutečně je a tento přechod se nazývá princip korespondence.
V roce 1900 se přišlo na to, že energie elektromagnetického záření není vyzařována, ani pohlcována spojitě, ale po určitých kvantech energie a že jejich velikost závisí na frekvenci záření. Z toho vychází rovnice E = h krát f, kdy h je Planckova konstanta (10 na mínu 34 Joul krát sekunda).
Fotony jsou světelná kvanta.
Fotoelektrický jev spočívá v tom, že dopadající záření uvolňuje z látek energii. Fotoelektrický jev či fotoefekt je fyzikální jev, při němž jsou elektrony uvolňovány (vyzařovány, emitovány) z látky (nejčastěji z kovu) v důsledku absorpce elektromagnetického záření (např. rentgenové záření nebo viditelného světla) látkou. Emitované elektrony jsou pak označovány jako fotoelektrony a jejich uvolňování se označuje jako fotoelektrická emise (fotoemise). Existuje vnitřní a vnější fotoelektrický jev. U vnějšího jsou elektrony uvolněny ven. U vnitřního elektrony zůstávají v látce a ovlivňují její vodivost.
Jev nastává, jeli frekvence dopadajícího záření větší než tzv. mezní frekvence daná materiálem.
Vysvětluje v roce 1905 Einstein: „Každý foton odevzdá energii jednomu elektronu, energie se rozdělí na výstupní práci a kinetickou energii elektronu.“
Einsteinova rovnice pro fotoelektrický jev zní: hf = W + E s dolním indexem k
Dualismus částic spočívá v tom, že světlo můžeme brát z hlediska vlnového a z hlediska částicového. Vlnová povaha světla je vidět na interferenci a podobných jevech. Částicová povaha světla souvisí s tím, že světlo je podle ní proud části zvaných fotony.
6. teorie relativity
A) Základní poznatky speciální teorie relativity
Speciální teorie relativity vznikla začátkem 20. století. Studuje jevy, projevující se především při rychlostech blízkých rychlosti světla. Radikálně změnila naše představy a prostoru a čase. Uplatňuje se například u konstrukcí urychlovačů elementárních částic nebo při zkoumání jaderných reakcí.
B) Prostor a čas v KLASICKÉ mechanice
Vznikla v 17. století, zásluhou G. Galileiho (1564-1645) a I. Newtona (1643-1727). Předpokládá, že čas je absolutní, plyne ve všech vztažných soustavách stejně rychle. Dále že současnost událostí a délka předmětů jsou absolutní, tedy neměnné. Hmotnost tělesa je zde stálá a nezávislá na rychlosti, kterou se pohybuje. Dále zde platí zákon skládání rychlostí, kdy sčítáním různých rychlostí, vyjde rychlost výsledná. Součástí klasické fyziky je také mechanický (Galileiho) princip relativity: „Ve všech inerciálních vztažných soustavách platí stejné zákony Newtonovy klasické mechaniky.“
Klasická mechanika odpovídá naší každodenní zkušenosti s fyzikálními jevy.
Inerciální neboli setrvačná soustava je taková soustava, v níž platí Newtonovy pohybové zákony pro volnou částici v nejjednodušším tvaru (pohyb volné částice je rovnoměrný přímočarý).
C) Vznik speciální teorie relativity
Albert Einstein (1879-1955) vynalezl speciální teorii relativity. Ta je založena na dvou principech: princip relativity a princip stálé rychlosti světla.
1. Princip relativity: Ve všech inerciálních vztažných soustavách platí stejné fyzikální zákony.
2. Princip stálé rychlosti světla: Ve všech inerciálních vztažných soustavách má rychlost světla ve vakuu stejnou velikost, nezávisle na vzájemném pohybu světelného zdroje a pozorovatele. Rychlost světla v libovolné inerciální soustavě je ve všech směrech stejná.
D) Důsledky Einsteinových principů
1. relativnost současnosti: dvě nesoumístné události, které jsou současné v jedné soustavě, nejsou současné v jiné.
Příklad: Po přímé vodorovné železniční trati (soustava S) se pohybuje rovnoměrně přímočaře vagón, tj. (soustava) rychlostí, jejíž velikost je srovnatelná s velikostí rychlosti světla. Uprostřed vagónu je signální lampa (zdroj světla Z) a na jeho obou koncích jsou stěny A a B vzdálené od sebe 2 l (délky). V určitém časovém okamžiku signální lampa blikne. Pozorovatel ve vztažné soustavě (tj. ve vagónu) zjistí, že signál dopadne na obě stěny vagónu A a B současně, neboť světlo proběhlo v obou případech stejné vzdálenosti stejnou rychlostí. Dvě nesoumístné události (dopad světla na stěnu A a B) jsou z jeho hlediska současné.
2. dilatace času: hodiny pohybující se vzhledem k pozorovateli jdou pomaleji než hodiny, které jsou vzhledem k tomu to pozorovateli v klidu.
Platí vztah: delta t = delta t s čarou lomeno odmocnina 1 mínus v na druhou lomeno c na druhou konec odmocniny konec zlomku
delta t je doba trvání v první soustavě
delta t s čarou je doba trvání v klidové soustavě
v je rychlost pohybu soustavy
c je rychlost světla
v je menší než c, tudíž delta t je větší než delta t s čarou
Vysvětleno pomocí světelných hodin – myšlenkový model: Dvě rovnoběžná zrcadla mezi kterými se periodicky odráží světelný signál. Čas měříme pomocí vzdálenosti, kterou světlo urazí.
Experimentální ověření pomocí mezonů pí plus a mionů.
V roce 1971 ověřeno v letadle s Celsiovými hodinami.
Čím je větší rychlost, tím objekty nabývají na hmotnosti.
