FÜÜSIKA V

1. FÜÜSIKA V

2. Töökorraldus • Esmalt tutvustan loengu vormis teemade teoreetilisi aspekte. (Hoiatan ette, et käsitlen teemasid sisulisemalt kui õpikus, mistõttu loengutel aktiivselt osalemine tuleb kasuks) • Paralleelselt käsitletavate teemadega lahendame ülesandeid, kui võimalik, siis teeme ka laboratoorseid töid (ülesannete tekstid saate trükitult, palun need säilitada) • Valemeid ei ole vaja pähe õppida. Saate valemete lehed, palun ka need säilitada • Mõne teema puhul valmistan ette elektroonilised töölehed, nende täitmine enne kontrolltööd on kohustuslik (NB! Palun mulle avalikustada oma e-posti aadressid. Minu omad on enn.kirsman@audentes.ee või enn@kirsman.ee) • Enam kui 1/3 tundidest põhjuseta puudunutele kursuse hinnet välja ei panda.

3. Kursuse hindamine • Kursuse hinne pannakse välja jõuluvaheaja alguseks. • Kursuse hinne kujuneb 3-4 kontrolltöö hinde koondina. Kõigi kontrolltööde tegemine on kohustuslik! • Kontrolltööst informeerin teid vähemalt 1 nädal ette, annan kordamisküsimused ja kordamisülesanded. Vähemalt ühe kontrolltöö eelse tunni kulutame konsultatsioonile. • Töös küsin täpselt neidsamu küsimusi ja samatüübilisi ülesandeid. • Kontrolltöö ülesannete punktikaal on teada. Hindamise skaala: 90 ... 100% - „5“; 75 ... 89% - „4“; 45 ... 74% - „3“; 20 ... 44% - „2“; 0 ... 19% - „1“ • Kõik kontrolltööst põhjuseta puudujad saavad automaatselt hinde „1“

4. Kursuse hindamine • UUENDUS! Mitterahuldavaid hindeid EI OLE VÕIMALIK jooksvalt parandada. • Kontrolltööd saavad järgi vastata AINULT PÕHJUSEGA puudujad. • Reeglina toimub järlevastamine füüsikatunni ajal. Soovi korral ka hommikuti va kolmapäev. Kolmapäeviti 10. tund!! • Kursuse lõpus on tervet kursuse materjali hõlmav arvestustöö. See on KOHUSTUSLIK nendele, kellel on kaks või enam mitterahuldavat hinnet. • ARVESTUStööd võivad soovi korral teha ka need, kes tahaksidoma kursusehinnet parandada. • Arvestustöö hinde kaal on kursuse hindest 50% • Arvestustöö koostamisel võtan näidiseks füüsika riigieksami vormi st selle sooritamisel eeldan kursusel õpitu mõistmist, mitte pähe õpitud teksti ettekandmist

5. Kursuse sisu • LAINEOPTIKA • Valgus kui elektromagnetlaine • Valguse sirgjooneline levimine. Vari • Fotomeetria • Valguse peegeldumine • Valguse murdumine • Kujutised. Peeglid. Läätsed • Valguse dispersioon. Värvid. Spektrid • Difraktsioon. Interferents. Polarisatsioon

6. Kursuse sisu • KVANTOPTIKA • Valguse kiirgumise ja neeldumise iseärasused • Valguseosakesed – footonid • Valguse rõhk • Fotoefekt • Comptoni efekt • Valguse teke. Vabakiirgus, sunnitud kiirgus • Laserid • Valguse dualistlik käsitlus

7. Kursuse sisu • AINE EHITUSE KAASAEGNE KÄSITLUS • Aatomi siseehitus • Spektraaljooned • Kvantmehhaanika põhitõed • Molekulid ja kristallid • Metallid, pooljuhid, dielektrikud

8. Kursuse sisu • RELATIIVSUSTEOORIA • Kiiruse relatiivsus klassikalises mehhaanikas • Kiiruste liitmine ja valguse kiirus • Einsteini postulaadid • Aegruum. Samaaegsuste relatiivsus • Aja dilatatsioon. Pikkuse kontraktsioon. • Relativistlik kiiruste liitmine • Massi sõltuvus keha liikumiskiirusest • Massi ja energia vaheline seos

9. Kursuse sisu • TUUMA- JA ELEMENTAAROSAKESTE FÜÜSIKA • Tuumade ehitus • Radioaktiivsus • Tuumareaktsioonid (lõhustumine ja süntees) • Tuumapomm, tuumareaktor • Vesinikupomm, termotuumareaktor, tähtede energiaallikad • Tugev ja nõrk vastastikmõju • Leptonid ja kvargid • Värvilaengud • Anti- ja vaheosakesed • Kosmilised kiired. Osakeste detektorid NB! Võib juhtuda, et V teema jääb järgmisse kursusesse

10. LAINEOPTIKA

11. Füüsika V LAINEOPTIKA VALGUSE OLEMUS. VALGUSE LEVIMINE

12. Valgus – osake või laine? Kuidas on võimalik panna kella eemalt helisema?

13. Kella helistamiseks tuleb... ... visata kella millegagi so kanda keskkonnas edasi ainet – keha kineetiline energia läheb kellale üle või ... mõjutada kellatila nööri kaudu so kanda keskkonnas edasi võnkumise energiat e tekitada laine – laine energia läheb kellale üle. • Valgus on energia edasikandumine ruumis, sest valguse kätte jäävad kehad soojenevad (suureneb siseenergia) ja pleekuvad (muutub keemiline energia) • Valguse olemuse kohta tekkis 17. sajandil paralleelselt kaks teooriat • Isaac Newton oletas, et valgus on valgusallikast igas suunas väljuvate osakeste voog (valgus on erilise „valgusaine“ edasikandumine ruumis) • Christiaan Hygens [höihens] oletas, et valgus on eriliste lainete voog, mis levib ruumi täitvas ja kõikidesse kehadesse tungivas keskkonnas – eetris.

14. Kumb siis ikkagi – osake või laine? • Teooriad eksisteerisid pikka aega kõrvuti, valdav enamus teadlastest toetas Newtonit, sest tema autoriteet oli tol ajal lihtsalt suurem. • Mõlemal teoorial olid oma nõrkused: • korpuskulaarteooriaga oli keeruline selgitada seda miks erinevate valgusallikate valguskiired üksteist ei mõjuta (osakesed peaksid ju üksteisega põrkuma) • laineteooriaga oli keeruline seletada valguse sirgjoonelist levimist (merelained ju kanduvad ka kivide taha...) • XIX. sajandi alguses avastati elektromagnetlained (Maxwell) ja tõestati, et valgus on nende erijuht – levimisel käitub valgus lainena. • XX. sajandi alguses avastati, et valguse kiirgumisel ja neeldumisel käitub valgus aga hoopis osakeste voona. • Valgus ei ole mitte „puhas“ osakeste voog või „puhas“ elektromagnetlaine, vaid valgusel on korraga mõlemad omadused – öeldakse, valgusel on dualistlik iseloom.

15. Lainefront • Vaatlustega tehti kindlaks, et valgus on elektromagnetlaine, mille lainepikkus on 380 nm ... 760 nm • Füüsika osa, mis kirjeldab valguse levimist ruumis elektromagnetlainena nimetatakse LAINEOPTIKAKS • Valgus levib ruumis lõpliku kiirusega – valgusallika „süttimisest“ kuni tema jõudmiseni mingisse ruumipunkti kulub mingi ajavahemik • Pinda, mis eraldab ruumi seda osa, kuhu valgus on jõudnud osast, kus valgust veel ei ole, nimetatakse lainefrondiks. • Sõltuvalt pinna kujust liigitatakse laineid • keralaineteks ja • tasalaineteks.

16. Valguskiir • Valguslaine levimise kirjeldamiseks on võetud kasutusele valguskiire mõiste. • Valguskiir on mõtteline joon, mis näitab valguslaine levimissuunda ruumis • Homogeenses keskkonnas on valguskiired alati sirgjooned • Igapäevaelus saame jälgida mitte valguskiiri vaid valgusvihkusid ehk valguskiirte kimpe.

17. Valgusvihkusid on kolme liiki: • Koonduv valgusvihk • Hajuv valgusvihk • Paralleelne valgusvihk

18. VARI Piirkond, kuhu ei lange valgust Väike valgusallikas Suur läbipaistmatu keha

19. MITME VALGUSALLIKA VARJUD Sinise valgusallika varjupiirkond Punase valgusallika varjupiirkond Mõlema valgusallika varjupiirkond

20. TÄIS- JA POOLVARI • Sellist varjupiirkonda, kuhu ei lange ühegi valgusallika valgust, nimetatakse TÄISVARJUKS • Seda varjupiirkonda, kuhu valgusallika valgus langeb ainult osaliselt või kuhu langeb ainult osade valgusallikate valgus, nimetatakse POOLVARJUKS

21. SUURE VALGUSALLIKA VARI PV TV PV PV

22. Mida näeme täis- ja poolvarju alas (suur valgusallikas)? Rõngakujuline poolvari Poolvari Täisvari

23. Kuuvarjutus

24. Kuuvarjutuse kulgemine (27.10.2004; Hockley, Texas, USA) 21.18 21.22 21.24 21.27 21.28 21.30 21.45 21.40 21.33

25. Päikesevarjutus

26. Fotosid päikesevarjutusest

27. Päikesevarjutused Eestis • Päikesevarjutus on suhteliselt haruldane loodusnähtus. • Viimane täielik päikesevarjutus oli 22.07.1990, sellest eelmine 21.08.1914, üle-eelmine 3.05.1715 • Järgmine täielik päikesevarjutus on Eestis nähtav 16.10.2126 • Vt ka NASA tabelit päikesevarjutuste toimumiste kohta Maailmas: http://eclipse.gsfc.nasa.gov/eclipse.html

28. Füüsika V LAINEOPTIKA VALGUSE PEEGELDUMINE. VALGUSE MURDUMINE.

29. Valgus keskkondade lahutuspinnal I KESKKOND Kui valgus pöördub tagasi samasse keskkonda, siis nimetatakse nähtust valguse peegeldumiseks Keskkondade lahutuspind Kui valgus läbib lahutuspinna ja muudab levimissuunda, siis nimetatakse nähtust valguse murdumiseks Valgus muudab keskkondade lahutuspinnal oma levimise suunda. II KESKKOND I KESKKOND Lahutuspinna ristsirge

30. Valguse peegeldumisseadus I KESKKOND Langemis-nurk α Peegeldumis-nurk β Langev kiir Peegeldunud kiir Keskkondade lahutuspind Valguse langemisnurk on alati võrdne valguse peegeldumisnurgaga α = β II KESKKOND Lahutuspinna ristsirge

31. Keskkonna murdumisnäitaja • Mõõtmised näitavad, et valgus liigub erinevates läbipaistvates keskkondades erineva kiirusega • Kõige suurema kiirusega (c=300 000 km/s) liigub valgus vaakumis, teistes keskkondades liigub valgus aeglasemalt. • Füüsikalist suurust, mis iseloomustab mitu korda on valguse kiirus selles keskkonnas väiksem valguse kiirusest vaakumis, nimetatakse keskkonna absoluutseks murdumisnäitajaks n = c/v, kus n – keskkonna absoluutne murdumisnäitaja, c = 3·108 m/s – valguse kiirus vaakumis; v – valguse kiirus keskkonnas (m/s)

32. Valguse murdumisseadus I KESKKOND, murdumisnäitaja n1 Langemis-nurk α Langev kiir Keskkondade lahutuspind Keskkondade murdumisnäitajad on pöördvõrdelises seoses langemis- ja murdumisnurga siinustega II KESKKOND, murdumisnäitaja n2 Murdumis-nurk γ Murdunud kiir Lahutuspinna ristsirge

33. Murdumisseadus Kuna n1=c/v1 ja n2=c/v2 ja kehtib seos siis kehtib ka kus n1 ja n2 – vastavalt I ja II keskkonna murdumis-näitajad; v1 ja v2 – vastavalt valguse kiirused I ja II keskkonnas; α – langemisnurk; γ - murdumisnurk

34. Suhteline murdumisnäitaja • Kahe keskkonna vaheline suhteline murdumisnäitaja (n12) iseloomustab seda mitu korda erineb valguse kiirus esimeses (v1) keskkonnas valguse kiirusest teises keskkonnas (v2). • Valguse murdumisseaduse saab sõnastada ka suhtelise murdumisnäitaja kaudu:

35. Läätsed

36. Läätse mõiste Läätsed on kumerate ja nõgusate pindadega piiratud läbipaistvad kehad, mille murdumisnäitaja erineb ümbritseva keskkonna omast.

37. KLAASPLAAT Sõltuvalt läätse välispindade kujust liigitatakse läätsi kumer- ja nõgusläätsedeks

38. Kumerläätsed • Kumerläätsed on servadelt õhemad ja keskelt paksemad: kaksikkumerlääts tasakumerlääts nõguskumerlääts

39. Nõgusläätsed • Nõgusläätsed on servadelt paksemad ja keskelt õhemad: kaksiknõguslääts tasanõguslääts kumernõguslääts

40. nõguskumerlääts kumernõguslääts

41. Läätse põhiomadus Läätse põhiomaduseks on koondada või hajutada valgust.

42. Koondav lääts Koondavas läätses muutub paralleelne valgusvihk koonduvaks

43. Hajutav lääts Hajutavas läätses muutub paralleelne valgusvihk hajuvaks

44. Läätse kirjeldamine Läätse pinnakume-ruste keskpunkte ühendavat sirget nimetatakse läätse peateljeks Fookuse kaugust läätsest nimetatakse fookuskauguseks Punkti läätse peateljel, kus paralleelne valgusvihk koondub, nimetatakse läätse fookuseks Kumerlääts/koondav lääts

45. Koondav lääts F F Läätse fookused Läätse fookused Läätse peatelg

46. Fookuskaugus Fookus Peatelg Nõguslääts/hajutav lääts

47. Hajutav lääts F F Läätse fookused Läätse fookused Läätse peatelg

48. Kiirte käik koondavas (kumeras) läätses