16.1 Fale elektromagnetyczne
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (2 pkt)
Względna przenikalność elektryczna szkła ma wartość $\epsilon_r = 6$. Oblicz teoretyczną prędkość światła w tym szkle, a wynik podaj z dokładnością do pięciu cyfr znaczących.
Prędkość światła w szkle, zaokrąglona do pięciu cyfr znaczących, wynosi $1.2239 \times 10^8 \text{ m/s}$.
Dane:
$\epsilon_r = 6$
$c = 3 \cdot 10^8 \ \text{m/s}$
$\mu_r = 1$
Szukane:
$v = ?$
Wzór na prędkość światła w ośrodku:
\[ v = \frac{c}{\sqrt{\epsilon_r \cdot \mu_r}} \]
Podstawienie wartości:
\[ v = \frac{3 \cdot 10^8 \ \text{m/s}}{\sqrt{6 \cdot 1}} \]
\[ v = \frac{3 \cdot 10^8 \ \text{m/s}}{\sqrt{6}} \]
Obliczenie wartości pierwiastka:
\[ \sqrt{6} \approx 2.44948974 \]
Wykonanie dzielenia:
\[ v \approx \frac{3 \cdot 10^8 \ \text{m/s}}{2.44948974} \]
\[ v \approx 122474487.1 \ \text{m/s} \]
Zaokrąglenie do pięciu cyfr znaczących:
\[ v \approx 1.2247 \cdot 10^8 \ \text{m/s} \]
Zadanie 2 (1 pkt)
Antena wykorzystywana w transmisjach LTE (bezprzewodowe przesyłanie danych) pracuje w zakresie częstotliwości od 700 MHz do 2700 MHz. Wykonaj odpowiednie obliczenia i określ zakres długości fal elektromagnetycznych odbieranych przez taką antenę.
Zakres długości fal elektromagnetycznych odbieranych przez antenę wynosi od $0.1111 \text{ m}$ do $0.4286 \text{ m}$.
Dane:
$f_1 = 700 \ \text{MHz} = 700 \cdot 10^6 \ \text{Hz}$
$f_2 = 2700 \ \text{MHz} = 2700 \cdot 10^6 \ \text{Hz}$
$c = 3 \cdot 10^8 \ \text{m/s}$
Szukane:
$\lambda_1 = ?$
$\lambda_2 = ?$
Zakres długości fal: $[\lambda_{min}, \lambda_{max}] = ?$
Wzór na długość fali:
\[\lambda = \frac{c}{f}\]
Obliczenie długości fali dla niższej częstotliwości $f_1$:
\[\lambda_1 = \frac{3 \cdot 10^8 \ \text{m/s}}{700 \cdot 10^6 \ \text{Hz}}\]
\[\lambda_1 = \frac{300}{700} \ \text{m}\]
\[\lambda_1 \approx 0.42857 \ \text{m}\]
\[\lambda_1 \approx 0.43 \ \text{m}\]
Obliczenie długości fali dla wyższej częstotliwości $f_2$:
\[\lambda_2 = \frac{3 \cdot 10^8 \ \text{m/s}}{2700 \cdot 10^6 \ \text{Hz}}\]
\[\lambda_2 = \frac{300}{2700} \ \text{m}\]
\[\lambda_2 = \frac{1}{9} \ \text{m}\]
\[\lambda_2 \approx 0.11111 \ \text{m}\]
\[\lambda_2 \approx 0.11 \ \text{m}\]
Zakres długości fal:
\[[\lambda_2, \lambda_1] = [0.11 \ \text{m}, \ 0.43 \ \text{m}]\]
Zadanie 3 (2 pkt)
Fale elektromagnetyczne emitowane przez cztery różne źródła mają częstotliwości: $f_1 = 3 \cdot 10^9\text{ Hz}$, $f_2 = 5 \cdot 10^{13}\text{ Hz}$, $f_3 = 9 \cdot 10^{16}\text{ Hz}$ oraz $f_4 = 1 \cdot 10^{20}\text{ Hz}$. Wyznacz długość każdej z fal oraz przyporządkuj je do odpowiednich zakresów widma fal elektromagnetycznych.
a) Długość fali dla częstotliwości $f_1 = 3 \cdot 10^9\text{ Hz}$ wynosi $\lambda_1 = 0{,}1\text{ m}$, co odpowiada zakresowi mikrofal.
b) Długość fali dla częstotliwości $f_2 = 5 \cdot 10^{13}\text{ Hz}$ wynosi $\lambda_2 = 6\text{ }\mu\text{m}$, co odpowiada zakresowi podczerwieni.
c) Długość fali dla częstotliwości $f_3 = 9 \cdot 10^{16}\text{ Hz}$ wynosi $\lambda_3 = 3{,}33\text{ nm}$, co odpowiada zakresowi promieniowania rentgenowskiego.
d) Długość fali dla częstotyzłości $f_4 = 1 \cdot 10^{20}\text{ Hz}$ wynosi $\lambda_4 = 0{,}003\text{ nm}$, co odpowiada zakresowi promieniowania gamma.
Dane:
$c = 3 \cdot 10^8 \ \text{m/s}$
$f_1 = 3 \cdot 10^9 \ \text{Hz}$
$f_2 = 5 \cdot 10^{13} \ \text{Hz}$
$f_3 = 9 \cdot 10^{16} \ \text{Hz}$
$f_4 = 1 \cdot 10^{20} \ \text{Hz}$
Szukane:
$\lambda_1 = ?$
$\lambda_2 = ?$
$\lambda_3 = ?$
$\lambda_4 = ?$
Przyporządkowanie do zakresów widma elektromagnetycznego.
Wzór na długość fali elektromagnetycznej:
\[ \lambda = \frac{c}{f} \]
a) Obliczenie długości fali i przyporządkowanie dla $f_1 = 3 \cdot 10^9 \ \text{Hz}$:
\[ \lambda_1 = \frac{c}{f_1} \]
\[ \lambda_1 = \frac{3 \cdot 10^8 \ \text{m/s}}{3 \cdot 10^9 \ \text{Hz}} \]
\[ \lambda_1 = 1 \cdot 10^{-1} \ \text{m} = 0.1 \ \text{m} \]
Częstotliwość $f_1 = 3 \cdot 10^9 \ \text{Hz}$ oraz długość fali $\lambda_1 = 0.1 \ \text{m}$ odpowiadają zakresowi mikrofal.
b) Obliczenie długości fali i przyporządkowanie dla $f_2 = 5 \cdot 10^{13} \ \text{Hz}$:
\[ \lambda_2 = \frac{c}{f_2} \]
\[ \lambda_2 = \frac{3 \cdot 10^8 \ \text{m/s}}{5 \cdot 10^{13} \ \text{Hz}} \]
\[ \lambda_2 = 0.6 \cdot 10^{-5} \ \text{m} = 6 \cdot 10^{-6} \ \text{m} = 6 \ \mu\text{m} \]
Częstotliwość $f_2 = 5 \cdot 10^{13} \ \text{Hz}$ oraz długość fali $\lambda_2 = 6 \ \mu\text{m}$ odpowiadają zakresowi podczerwieni (IR).
c) Obliczenie długości fali i przyporządkowanie dla $f_3 = 9 \cdot 10^{16} \ \text{Hz}$:
\[ \lambda_3 = \frac{c}{f_3} \]
\[ \lambda_3 = \frac{3 \cdot 10^8 \ \text{m/s}}{9 \cdot 10^{16} \ \text{Hz}} \]
\[ \lambda_3 = \frac{1}{3} \cdot 10^{-8} \ \text{m} \approx 3.33 \cdot 10^{-9} \ \text{m} = 3.33 \ \text{nm} \]
Częstotliwość $f_3 = 9 \cdot 10^{16} \ \text{Hz}$ oraz długość fali $\lambda_3 \approx 3.33 \ \text{nm}$ odpowiadają zakresowi promieniowania rentgenowskiego.
d) Obliczenie długości fali i przyporządkowanie dla $f_4 = 1 \cdot 10^{20} \ \text{Hz}$:
\[ \lambda_4 = \frac{c}{f_4} \]
\[ \lambda_4 = \frac{3 \cdot 10^8 \ \text{m/s}}{1 \cdot 10^{20} \ \text{Hz}} \]
\[ \lambda_4 = 3 \cdot 10^{-12} \ \text{m} = 3 \ \text{pm} \]
Częstotliwość $f_4 = 1 \cdot 10^{20} \ \text{Hz}$ oraz długość fali $\lambda_4 = 3 \ \text{pm}$ odpowiadają zakresowi promieniowania gamma.
Zadanie 4 (1 pkt)
Odebrany sygnał radiowy z Ziemi, który odbił się od Marsa, powrócił po czasie $\Delta t = 1500$ s. Oblicz w przybliżeniu, jaka jest łączna odległość między Ziemią a Marsem.
Łączna odległość między Ziemią a Marsem (w jedną stronę) wynosi około $2{,}25 \times 10^{11} \text{ m}$, czyli $225\,000\,000 \text{ km}$.
Dane:
$\Delta t = 1500 \ \text{s}$
$c = 3 \cdot 10^8 \ \text{m/s}$
Szukane:
$d = ?$
Obliczenie czasu podróży sygnału w jedną stronę:
\[
t = \frac{\Delta t}{2}
\]
\[
t = \frac{1500 \ \text{s}}{2}
\]
\[
t = 750 \ \text{s}
\]
Obliczenie odległości między Ziemią a Marsem:
\[
d = c \cdot t
\]
\[
d = 3 \cdot 10^8 \ \text{m/s} \cdot 750 \ \text{s}
\]
\[
d = 2250 \cdot 10^8 \ \text{m}
\]
\[
d = 2.25 \cdot 10^{11} \ \text{m}
\]
Zadanie 5 (1 pkt)
Lampa wytwarza światło o energii $E = 8\ \text{J}$ w czasie dwóch sekund. Oblicz natężenie światła, które trafia na klosz o powierzchni $S = 0{,}4\ \text{m}^2$.
Natężenie światła trafiającego na klosz wynosi $I = 10\ \text{W/m}^2$.
Dane:
$E = 8 \ \text{J}$
$t = 2 \ \text{s}$
$S = 0,4 \ \text{m}^2$
Szukane:
$I = ?$
Obliczenie mocy światła:
\[ P = \frac{E}{t} \]
\[ P = \frac{8 \ \text{J}}{2 \ \text{s}} \]
\[ P = 4 \ \text{W} \]
Obliczenie natężenia światła:
\[ I = \frac{P}{S} \]
\[ I = \frac{4 \ \text{W}}{0,4 \ \text{m}^2} \]
\[ I = 10 \ \frac{\text{W}}{\text{m}^2} \]
Grupa B
Zadanie 1 (2 pkt)
Względna przenikalność elektryczna szkła ma wartość $\epsilon_r = 8$. Oblicz teoretyczną prędkość światła w tym szkle, a wynik podaj z dokładnością do pięciu cyfr znaczących.
Prędkość światła w szkle, zaokrąglona do pięciu cyfr znaczących, wynosi $1.0599 \times 10^8 \text{ m/s}$.
Zadanie 2 (1 pkt)
Antena wykorzystywana w transmisjach LTE (bezprzewodowe przesyłanie danych) pracuje w zakresie częstotliwości od 800 MHz do 3000 MHz. Wykonaj odpowiednie obliczenia i określ zakres długości fal elektromagnetycznych odbieranych przez taką antenę.
Zakres długości fal elektromagnetycznych odbieranych przez antenę wynosi od $0.1 \text{ m}$ do $0.375 \text{ m}$.
Zadanie 3 (2 pkt)
Fale elektromagnetyczne emitowane przez cztery różne źródła mają częstotliwości: $f_1 = 1 \cdot 10^8\text{ Hz}$, $f_2 = 2 \cdot 10^{14}\text{ Hz}$, $f_3 = 7 \cdot 10^{15}\text{ Hz}$ oraz $f_4 = 3 \cdot 10^{18}\text{ Hz}$. Wyznacz długość każdej z fal oraz przyporządkuj je do odpowiednich zakresów widma fal elektromagnetycznych.
a) Długość fali dla częstotliwości $f_1 = 1 \cdot 10^8\text{ Hz}$ wynosi $\lambda_1 = 3\text{ m}$, co odpowiada zakresowi fal radiowych.
b) Długość fali dla częstotliwości $f_2 = 2 \cdot 10^{14}\text{ Hz}$ wynosi $\lambda_2 = 1{,}5\text{ }\mu\text{m}$, co odpowiada zakresowi podczerwieni.
c) Długość fali dla częstotliwości $f_3 = 7 \cdot 10^{15}\text{ Hz}$ wynosi $\lambda_3 = 42{,}86\text{ nm}$, co odpowiada zakresowi ultrafioletu.
d) Długość fali dla częstotliwości $f_4 = 3 \cdot 10^{18}\text{ Hz}$ wynosi $\lambda_4 = 0{,}1\text{ nm}$, co odpowiada zakresowi promieniowania rentgenowskiego.
Zadanie 4 (1 pkt)
Odebrany sygnał radiowy z Ziemi, który odbił się od Wenus, powrócił po czasie $\Delta t = 273$ s. Oblicz w przybliżeniu, jaka jest łączna odległość między Ziemią a Wenus.
Łączna odległość między Ziemią a Wenus (w jedną stronę) wynosi około $4{,}095 \times 10^{10} \text{ m}$, czyli $40\,950\,000 \text{ km}$.
Zadanie 5 (1 pkt)
Lampa wytwarza światło o energii $E = 10\ \text{J}$ w czasie pół sekundy. Oblicz natężenie światła, które trafia na klosz o powierzchni $S = 0{,}25\ \text{m}^2$.
Natężenie światła trafiającego na klosz wynosi $I = 80\ \text{W/m}^2$.
