Παρουσίαση/Προβολή

Περιεχόμενο μαθήματος

Ενότητα 1: Εισαγωγή στις πειραματικές διατάξεις και τη θεωρία σφαλμάτων.

Στην Ενότητα 1 γίνεται αναλυτική περιγραφή των αντικειμένων που πραγματεύεται το εργαστηριακό μάθημα, καθώς και η αντίστοιχη βιβλιογραφία. Παρουσιάζονται στους φοιτητές οι πειραματικές διατάξεις και οι τεχνικές που θα χρησιμοποιηθούν για την επεξεργασία των μετρήσεων, καθώς και αναλύονται βασικές γνώσεις από τη θεωρία σφαλμάτων. Επιπλέον οι φοιτητές εκπαιδεύονται στη χρήση λογισμικού για την γραφική παρουσίαση και την επεξεργασία των πειραματικών μετρήσεων..

Η διδασκαλία της ενότητας 1 διαρκεί 3.0 εβδομάδες.

Ενότητα 2: Πειραματική Μελέτη

Στην Ενότητα 2 οι φοιτητές εκπαιδεύονται στις εργαστηριακές ασκήσεις:

• Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο: Η εργαστηριακή άσκηση εξετάζει τις σωματιδιακές ιδιότητες της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (φωτόνια) μελετώντας το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο με τη βοήθεια λυχνίας υδραργύρου και φωτοδιόδου. Η μελέτη εστιάζει στον υπολογισμό της τάσης αποκοπής και του έργου εξαγωγής ενώ παράλληλα εξετάζει την εξάρτηση του φαινομένου από τη συχνότητα και την ένταση της ακτινοβολίας.
• Περίθλαση ηλεκτρονίων σε πολυκρυσταλλικό πλέγμα: Η εργαστηριακή άσκηση εξετάσει την κυματική φύση ταχέως κινουμένων ηλεκτρονίων με τη βοήθεια της θεωρίας de Broglie. Αφού γίνει παρουσίαση της θεωρίας de Broglie και των συνεπειών που προκύπτουν από την κυματική θεώρηση των ηλεκτρονίων, χρησιμοποιείται λυχνία κενού για την εκπομπή και επιτάχυνση ηλεκτρονίων προς ολυκρυσταλλικό πλέγμα γραφίτη. Με τη βοήθεια εικόνας περίθλασης σε φθορίζουσα επιφάνεια, πραγματοποιούνται μετρήσεις για τον υπολογισμό του μήκους κύματος των ηλεκτρονίων και κατ’ επέκταση των πλεγματικών αποστάσεων του κρυσταλλικού πλέγματος.
• Μέτρηση του λόγου φορτίο/μάζα ηλεκτρονίου: Η εργαστηριακή άσκηση εξετάζει τα χαρακτηριστικά της κίνησης φορτισμένων σωματιδίων σε ομογενές ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο. Μελετάται το μαγνητικό πεδίο ζεύγους πηνίων Helmholtz. Χρησιμοποιώντας λυχνία θερμιονικής εκπομπής, παρατηρείται η τροχιά κίνησης ηλεκτρονίων σε ομογενές μαγνητικό πεδίο και πως μεταβάλλεται ανάλογα με διεύθυνση της αρχικής ταχύτητας. Στη συνέχεια λαμβάνονται μετρήσεις της διαμέτρου της τροχίας των ηλεκτρονίων για διαφορετικές τάσεις επιτάχυνσης και εντάσεις του μαγνητικού πεδίου για τον υπολογισμό του λόγου του φορτίου προς τη μάζα του ηλεκτρονίου.
• Οπτική Φασματοσκοπία: Η εργαστηριακή μελετάει το φάσμα εκπομπής του υδρογόνου του ηλίου και του υδραργύρου και στοχεύει στη μέτρηση των μηκών κύματος των αντίστοιχων φασματικών γραμμών. Αφού παρουσιαστούν αναλυτικά βασικές έννοιες της κυματικής και οπτικής (φράγμα, περίθλαση, συμβολή) αλλά και εννοιών της σύγχρονης φυσικής (ενεργειακές στάθμες – μοντέλο Bohr) γίνεται περιγραφή της αρχής λειτουργίας του φασματόμετρου φράγματος. Στη συνέχεια λαμβάνονται μετρήσεις της σχετικής έντασης του φωτός συναρτήσει της γωνίας μέτρησης, έτσι ώστε να υπολογιστούν τα μήκη κύματος των φασματικών γραμμών διαφορετικών αερίων. Το φάσμα του Ηλίου χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της σταθεράς του φράγματος περίθλασης.
• Μέτρηση ταχύτητας διάδοσης διαμήκων κυμάτων σε στερεά υλικά: Η εργαστηριακή άσκηση πραγματεύεται τη διέγερση των κανονικών τρόπων ταλάντωσης (ιδιοσυχνότητες) που μπορούν να διεγερθούν σε μεταλλικές ράβδους διαφορετικών υλικών. Με επίλυση της διαμήκους κυματικής εξίσωσης σε ράβδο περιγράφονται τα στάσιμα κύματα που θα αναπτυχθούν σε αυτή κατόπιν της διέγερσης της με κρουστική συνάρτηση. Επιπλέον γίνεται εισαγωγής στην έννοια της εικόνας Lissajous και πως αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί πειραματικά για την μέτρηση της συχνότητας των συντονισμών μία ράβδους. Στη συνέχεια λαμβάνονται μετρήσεις για τον υπολογισμό της συχνότητας συντονισμού ράβδων διαφορετικών μηκών και υλικών, ενώ οι μετρήσεις χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της ελαστικής σταθεράς Young.
• Μέτρηση εστιακής απόστασης συγκλίνοντος φακού, σφάλματα φακών: Η εργαστηριακή άσκηση εστιάζει στην κατανόηση εννοιών της οπτικής όπως ο φακός, ο κύριος άξονας, το οπτικό κέντρο, οι παραξονικές ακτίνες, ο συγκλίνων και ο αποκλίνων φακός. Αφού μελετηθούν οι βασικές εξισώσεις της οπτικής για την απόσταση του ειδώλου από το αντικείμενο που βρίσκεται μπροστά από συγκλίνοντα επιπεδόκυρτο φακό, λαμβάνονται μετρήσεις για τον προσδιορισμό της εστιακής απόστασης του φακού αλλά και για την μελέτη των σφαλμάτων της σφαιρικής εκτροπής και της χρωματικής εκτροπής του φακού.

Η διδασκαλία της ενότητας 1 διαρκεί 10.0 εβδομάδες.

Μαθησιακοί στόχοι

Με την ολοκλήρωση του μαθήματος αναμένεται ο σπουδαστής/ τρια θα είναι σε θέση:

• να κατανοεί και να ερμηνεύει φαινόμενα μέσω της σωματιδιακής περιγραφής (φωτόνια) της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας,
• να αντιλαμβάνεται την κυματική φύση των ηλεκτρονίων και να εκτελεί μετρήσεις από εικόνα περίθλασης ώστε να υπολογίζει μέσω του μήκους κύματος de Broglie τις πλεγματικές αποστάσεις των πλεγματικών επιπέδων πολυκρυσταλλικού πλέγματος.
• να κατανοεί τα χαρακτηριστικά της κίνησης φορτισμένων σωματιδίων σε ομογενές ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο, να κατανοεί τη δημιουργία ομογενούς μαγνητικού πεδίου με τη χρήση πηνίων Helmholtz και μετράει τον λόγο του φορτίου προς τη μάζα του ηλεκτρονίου παρατηρώντας την κίνηση τους σε ομογενές μαγνητικό πεδίο.
• να κατανοεί τους κανονικούς τρόπους ταλάντωσης (ιδιοσυχνότητες) σε μεταλλικές ράβδους διαφορετικών υλικών και να μετράει την ταχύτητα ελαστικών διαμηκών κυμάτων σε αυτές, καθώς και να υπολογίζει το μέτρο ελαστικότητας του Young,
• να χρησιμοποιεί φασματόμετρο φράγματος για τη φασματική ανάλυση και τη μέτρηση του μήκους κύματος του φωτός μέσω φαινομένων περίθλασης και συμβολής,
• να προσδιορίζει την εστιακή απόσταση συγκλινόντων φακών και τα σφάλματα λόγω σφαιρικής και χρωματικής εκτροπής,
• να αξιολογεί τα αποτελέσματα που λαμβάνει μέσω της πειραματικής διαδικασίας και να προτείνει μεθόδους και τεχνικές με τις οποίες μπορεί να βελτιωθεί η ακρίβεια των μετρήσεων.
  
  

Μέθοδοι διδασκαλίας

• Χρήση διαφανειών
• Ιστοσελίδα μαθήματος (e-class)
• Χρήση e-mail και πλατφόρμας e-class για επικοινωνία με φοιτητές.
• Επίδειξη λογισμικού επεξεργασίας πειραματικών μετρήσεων

Βιβλιογραφία

1. Ζ. Ιωαννίδης,  Εργαστήριο Φυσικής III «Ηλεκτρομαγνητισμός – Κυματική – Οπτική», ΕΚΠΑ, 2022.
2. R. A. Serway, J W. Jewett, Φυσική για επιστήμονες και Μηχανικούς: Ηλεκτρισμός και Μαγνητισμός, Φως και Οπτική, Σύγχρονη Φυσική, έκδοση: 8^η/2013, διαθέτης: εκδόσεις Κλειδάριθμος ΕΠΕ, ISBN: 978-960-461-509-4, κωδικός στον Εύδοξο: 22750112.