Fizika 2 - Villamosmérnöki alapszak

Tárgy adatok (2013. őszi félév)

Előadók: Barócsi Attila, Péczeli Imre (TTK Atomfizika Tanszék) és Márkus Ferenc (TTK Fizika Tanszék)
Tantárgykód: TE11AX02
Követelmények: 3/1/0/v
Részletes követelményrendszer
Kredit: 5
Nyelv: magyar
Félévközi számonkérések: 6 kis zh a számítási gyakorlatokon, 1 nagy zh
Félév végi jegy: írásbeli vizsga.
Keresztfélévre vonatkozó információk

A tantárgy célkitűzése

A Fizika tantárgy célja a mérnökképzésben kettős. Egyrészt meg kell ismertetni a hallgatóságot azokkal a fizikai törvényekkel és összefüggésekkel, amelyek a konkrét műszaki problémák megoldásának az elvi hátterét adják. Másrészt ezek a törvények (és elvek) általánosságuknál fogva maghatározzák az adott kor modern természettudományos világképét is, így ennek kialakítása ugyancsak fontos feladat a mérnökképzés folyamatában. Mindez alapvetően hozzájárul a műszaki értelmiség társadalmi hitelének és tudományos presztízsének a magalapozásához.

A Fizika 2 a "Hudson-Nelson: Útban a modern fizikához" tankönyv fejezeteit követi.

A tantárgy keretében tárgyalt mechanika, a hőtan és az elektrodinamika csak az általános ismeretek közlésére szorítkozik. Itt elsősorban az axiomatikus felépítést és annak tapasztalati megalapozását kell megtanítani. A jelenségcentrikus képzést valamennyi előadásnál 15-20 perc, a tárgyhoz tartozó demonstráció segíti.

A tantárgy részletes tematikája (heti bontásban)

1. hét

1. előadás

KÍSÉRLETEK:Kísérletek elektroszkóppal. Dörzsöléses elektromosság. Elektromos megosztás. Töltések elhelyezkedése szigetelőkön és vezetőkön. Csúcshatás. Van de Graaff generátor. Elektromos mező kimutatása ricinusolajban lévő grízszemekkel. Coulomb mérleg.

AZ ELŐADÁS ANYAGA

A COULOMB TÖRVÉNY ÉS AZ ELEKTROMOS ERŐTÉR: Elektrosztatikus erők. Vezetők és szigetelők. A Coulomb törvény. Az elektromos erőtér. Az elektromos dipólus. Folytonos töltéseloszlások által létrehozott elektromos erőterek.

Tankönyvi fejezetek és ellenőrző kérdések

2. hét

2. előadás

AZ ELŐADÁS ANYAGA

GAUSS TÖRVÉNYE: Az elektromos fluxus. A Gauss törvény. A Gauss törvény és az elektromos vezetők.

AZ ELEKTROMOS POTENCIÁL: Az elektromos potenciál. A potenciál gradiense. Ekvipotenciális felületek.

3. előadás

KÍSÉRLETEK:Töltött kondenzátor energiája. Erőhatások dielektrikumokban. Leideni palack.

AZ ELŐADÁS ANYAGA

KONDENZÁTOR ÉS AZ ELEKTROMOS ERŐTÉR ENERGIÁJA: A kapacitás fogalma. Kondenzátorok kapcsolása. Dielektrikumok. A kondenzátor energiája. Az elektromos erőtér energiája.

Tankönyvi fejezetek és ellenőrző kérdések

3. hét

4. előadás

KÍSÉRLETEK:Kondenzátor feltöltése és kisütése.

AZ ELŐADÁS ANYAGA

AZ ELEKTROMOS ÁRAM ÉS AZ ELLENÁLLÁS: (jelölés:középiskolás tananyag) . Az elektromotoros erő. Az elektromos áramsűrűség és az elektromos áram. Az elektromos vezetőképesség és ellenállás. Az Ohm törvény differenciális alakban. A Joule törvény. Az RC-körök (kondenzátor feltöltése és kisütése).

Tankönyvi fejezetek és ellenőrző kérdések

4. hét

5. előadás

KÍSÉRLETEK:Mágneses erővonalak kimutatása vasreszelékkel. Oersted kísérlet. Mágneses térben lévő áramjárta keretre ható erők. Párhuzamos vezetők mágneses kölcsönhatása. Faraday motor.

AZ ELŐADÁS ANYAGA

A MÁGNESES ERŐTÉR: A mágneses erőtér. Töltött részecskék mozgása mágneses erőtérben. A Lorentz-erő. A mágneses térben levő áramvezetőre ható erő. Áramjárta keretre ható erők, a mágneses dipólus fogalma. Néhány megjegyzés (ismét) a mértékegységekről.

6. előadás

AZ ELŐADÁS ANYAGA

A MÁGNESES ERŐTÉR FORRÁSA: A Biot-Savart törvény. Az Ampere törvény.

Tankönyvi fejezetek és ellenőrző kérdések

5. hét

7. előadás

KÍSÉRLETEK:Faraday-féle törvény bemutatása, nyugalmi és mozgási indukció. Lenz törvény szemléltetése lengő gyűrűvel, fémcsőben mozgó mágnessel- Transzformátorok. Zenélő teáskanna. Elektromos jelek átvitele indukciós csatolással.

AZ ELŐADÁS ANYAGA

A FARADAY TÖRVÉNY ÉS AZ INDUKTIVITÁS: (jelölés:középiskolás tananyag) A Faraday törvény. A mágneses fluxus. A Lenz törvény. Az örvényáramok. Az önindukció. A kölcsönös indukció. Transzformátorok. Az önindukciós tekercs energiája. RL áramkörök (tekercs bekapcsolása és kikapcsolása).

Tankönyvi fejezetek és ellenőrző kérdések

6. hét

8. előadás

KÍSÉRLETEK:Cseppfolyós nitrogén diamágnessége, cseppfolyós oxigén paramágnessége. Mágneses hiszterézis. Klasszikus Ising modell szemléltetése mágnestűk rendszerével. Ferromágneses domének bemutatása.

AZ ELŐADÁS ANYAGA

AZ ANYAG MÁGNESES TULAJDONSÁGAI: Az anyagok mágneses tulajdonságai. A mágneses térerősség és a mágneses indukcióvektor. A mágneses hiszterézis.:

9. előadás

KÍSÉRLETEK:Állóhullámok Lecher drótpáron. Dipólus antenna sugárzása. Mikrohullámú optika. Kísérletek mikrohullámú sütővel.

AZ ELŐADÁS ANYAGA

ELEKTROMÁGNESES HULLÁMOK (Bevezetés) (jelölés:középiskolás tananyag): Az eltolási áram. A Maxwell-egyenletek rendszere. Az elektromágneses hullámok, hullámegyenlet, polarizáció.

Tankönyvi fejezetek és ellenőrző kérdések

7. hét

10. előadás

AZ ELŐADÁS ANYAGA

ELEKTROMÁGNESES HULLÁMOK (Folytatás) (jelölés:középiskolás tananyag): Elektromágneses hullámok keltése. Elektromágneses hullámok energiája és impulzusa.

Tankönyvi fejezetek és ellenőrző kérdések

8. hét

11. előadás

KÍSÉRLETEK:Geometriai optikai kísérletek optikai padon.

AZ ELŐADÁS ANYAGA

GEOMETRIAI OPTIKA (RÖVID ÖSSZEFOGLALÁS): Hullámfrontok és fénysugarak. A Huygens-elv. Fénytörés sík felületen. Látszólagos mélység. Teljes visszaverődés. Fényvezetők, üvegszálak „sugároptikája” (37B-14 feladat). Fermat-elv (37C-37 feladat).

12. előadás

KÍSÉRLETEK:Interferencia laser fénnyel. Fresnel biprizma és Fresnel tükör. Michelson interferométer bemutatása. Newton gyűrűk. Diffrakció bemutatása optikai padon.

AZ ELŐADÁS ANYAGA

FIZIKAI OPTIKA I (AZ INTERFERENCIA): (jelölés:középiskolás tananyag) Kétréses interferencia. Többréses interferencia. Interferencia vékony rétegeken. (A Michelson-féle interferométer részletes tárgyalása kimarad)

Tankönyvi fejezetek és ellenőrző kérdések

9. hét

13. előadás

AZ ELŐADÁS ANYAGA

FIZIKAI OPTIKA II. (A DIFFRAKCIÓ): Elhajlás résen. Elhajlás kör alakú nyíláson. Elhajlás rácson (a rács diszperziója és felbontóképessége kimarad) . A röntgen-diffrakció. A Fresnel-féle diffrakció. Kör alakú nyílások és akadályok.

Tankönyvi fejezetek és ellenőrző kérdések

10. hét

14. előadás

KÍSÉRLETEK:Polárszőrők. A polarizáció elforgatása. Kettős törés. Fényszóródás bemutatása. Szórt fény polarizációja. Feszültség optika.

AZ ELŐADÁS ANYAGA

A POLÁROS FÉNY: A polárszűrő. Polarizáció visszaverődéskor és szóráskor. A kettőstörés. A fázistoló lemezek és a cirkuláris polarizáció. Az optikai aktivitás. Interferenciaszínek és a feszültségoptika.

15. előadás

KÍSÉRLETEK:Fényelektromos jelenség. Fényspektrum analizálás különböző fényforrások esetén.

AZ ELŐADÁS ANYAGA

A HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÁS: (jelölés:középiskolás tananyag) A feketetest sugárzásának spektruma. A feketetest sugárzás különböző értelmezései. Planck elmélet.

A SUGÁRZÁS KVANTUMOS TERMÉSZETE: A fényelektromos hatás. A Compton-effektus és a párkeltés. Az elektromágneses sugárzás „kettős természete”.

Tankönyvi fejezetek és ellenőrző kérdések

11. hét

16. előadás

KÍSÉRLETEK:Interferencia létrehozása elektronokkal.

A RÉSZECSKÉK HULLÁMTERMÉSZETE: Az atommodellek. A korrespondencia-elv. A de Broglie-hullámok. A Davisson-Germer-kísérlet.

Tankönyvi fejezetek és ellenőrző kérdések

12. hét

17. előadás

AZ ELŐADÁS ANYAGA

A RÉSZECSKÉK HULLÁMTERMÉSZETE (folytatás): A hullámmechanika. Az alagúteffektus. A határozatlansági elv. A komplementaritási elv.

18. előadás

KÍSÉRLETEK:Franck-Hertz kísérlet (az atomi energiaszintek kimutatása).

AZ ELŐADÁS ANYAGA

ATOMFIZIKA: (jelölés:középiskolás tananyag) A Schrödinger-féle hullámegyenlet. A hullámfüggvény fizikai jelentése. Az elektronspin.

Tankönyvi fejezetek és ellenőrző kérdések

13. hét

19. előadás

AZ ELŐADÁS ANYAGA

ATOMFIZIKA (folytatás) :A hidrogén-atom hullámfüggvényei. A hidrogénatom kvantumállapotai. A spin-pálya csatolás. A Pauli-féle kizárási elv és az elemek periódusos rendszere. A röntgensugarak.

Tankönyvi fejezetek és ellenőrző kérdések

14. hét

20. előadás

KÍSÉRLETEK:Kontakt potenciál. Seebeck effektus. Peltier effektus. Piezo effektus.

Kísérletek LED-el: energia sávszélesség mérése, hőmérsékletfüggés. Kísérletek szupravezetőkkel: lebegtetés, ideális diamágnesesség kimutatása.

AZ ELŐADÁS ANYAGA

SZILÁRDTEST FIZIKA ALAPFOGALMAI: Szabad elektrongáz állapotsűrűsége. Fermi-Dirac eloszlás „képlete” és kvalitatív értelmezése Energia sávszerkezet és a félvezetők. Adalékot félvezetők. A „pn" átmenet energiasáv ábrája.

21. előadás(tartalék!)

ATOMMAGFIZIKA: Az atommag leírása. Az atommag tömege és kötési energiája. Radioaktív bomlás és felezési idő. A radioaktív bomlás fajtái. Magreakciók. Az atomenergia jelentősége (atomerőművek, Paks). A fúziós energiatermelés lehetőségei.