Gümnaasium, elektromagnetism

5.4. III kursus“Elektromagnetism“
1. Elektriväli ja magnetväli

Õpitulemused
Kursuse lõpul õpilane:

1. eristab sõna laengkolme tähendust: a) keha omadus osaleda mingis vastastikmõjus, b) seda omadust kirjeldav füüsikaline suurus ning c) osakeste kogum, millel on kõnealune omadus;
2. teab elektrivoolu kokkuleppelist suunda, seletab voolu suuna sõltumatust laengukandjate märgist ning kasutab probleemide lahendamisel valemit  ;
3. teab, et magnetväljal on kaks põhimõtteliselt erinevat võimalikku tekitajat – püsimagnet ja vooluga juhe, elektrostaatilisel väljal aga ainult üks – laetud keha, seletab nimetatud asjaolu ilmnemist väljade geomeetrias;
4. kasutab probleeme lahendades Coulomb’i ja Ampere’i seadust  ja ;
5. teab elektrivälja tugevuse ja magnetinduktsiooni definitsioone ning oskab rakendada definitsioonivalemeid  ja ;
6. kasutab elektrivälja tugevuse ja magnetinduktsiooni vektorite suundade määramise eeskirju;
7. tunneb Oerstedi katsest tulenevaid sirgjuhtme magnetvälja geomeetrilisi omadusi, kasutab Ampere’i seadust kujul  F = B I l sin α  ja rakendab vastava jõu suuna määramise eeskirja;
8. kasutab probleeme lahendades valemeid ,  ja ;
9. seletab erinevusi mõistete: pinge ja potentsiaal,  kasutamises;
10. joonistab kuni kahe väljatekitaja korral elektrostaatilise välja E-vektorit ning juhtmelõigu või püsimagneti magnetvälja B-vektorit etteantud punktis, joonistab nende väljade jõujooni ja elektrostaatilise välja ekvipotentsiaalpindu;
11. teab, et kahe erinimeliselt laetud plaadi vahel tekib homogeenne elektriväli ning solenoidis tekib homogeenne magnetväli; oskab joonistada nende väljade jõujooni.

Õppesisu
Elektrilaeng. Positiivsed ja negatiivsed laengud. Elementaarlaeng. Laengu jäävuse seadus. Elektrivool. Coulomb’i seadus. Punktlaeng. Ampere’i seadus. Püsimagnet ja vooluga juhe. Elektri- ja magnetvälja kirjeldavad vektorsuurused elektrivälja tugevus ja magnetinduktsioon. Punktlaengu väljatugevus ja sirgvoolu magnetinduktsioon. Elektrivälja potentsiaal ja pinge. Pinge ja väljatugevuse seos. Välja visualiseerimine: välja jõujoon ja ekvipotentsiaalpind. Homogeenne elektriväli kahe erinimeliselt laetud plaadi vahel, homogeenne magnetväli solenoidis.
Põhimõisted: elektrilaeng, elementaarlaeng, voolutugevus, punktlaeng, püsimagnet, aine magneetumine, magnetnõel, elektriväli, magnetväli, elektrivälja tugevus, magnetinduktsioon, potentsiaal, pinge, jõujoon, ekvipotentsiaalpind, homogeenne väli. Mõõtühikud: amper, kulon, volt, elektronvolt, volt meetri kohta, tesla.
Praktilised tööd ja IKT rakendamine
1.  Elektrostaatika seaduspärasuste praktiline uurimine kahe elektripendli (niidi otsas rippuva elektriseeritud fooliumsilindri) abil või sama uuringu arvutisimulatsioon.
2.  Kahe juhtme magnetilise vastastikmõju uurimine demokatse või arvutisimulatsiooni abil.

2. Elektromagnetväli

Õpitulemused
Kursuse lõpul õpilane:

1. rakendab probleemide lahendamisel Lorentzi jõu valemit FL = q v B sin α  ning oskab määrata Lorentzi jõu suunda;
2. rakendab magnetväljas liikuva juhtmelõigu otstele indutseeritava pinge valemit U=v l B sin α ;
3. kasutab elektromotoorjõu mõistet ja teab, et induktsiooni elektromotoorjõud on kõigi indutseeritavate pingete summa;
4. seletab füüsikalise suuruse magnetvoog tähendust, teab magnetvoo definitsiooni ja kasutab probleemide lahendamisel magnetvoo definitsioonvalemit ;
5. seletab näite varal Faraday induktsiooniseaduse kehtivust ja kasutab probleemide lahendamisel valemit ;
6. seletab pööriselektrivälja tekkimist magnetvoo muutumisel;
7. seletab mõistet eneseinduktsioon;
8. teab füüsikaliste suuruste (mahtuvus ja induktiivsus) definitsioone ning nende suuruste mõõtühikuid, kasutab probleemide lahendamisel seoseid:   ja ;
9. teab, et kondensaatoreid ja induktiivpoole kasutatakse vastavalt elektrivälja või magnetvälja energia salvestamiseks;
10. kasutab probleemide lahendamisel elektrivälja ning magnetvälja energia valemeid:  ja .

Õppesisu
Liikuvale laetud osakesele mõjuv magnetjõud. Magnetväljas liikuva juhtmelõigu otstele indutseeritav pinge. Faraday katsed. Induktsiooni elektromotoorjõud. Magnetvoo mõiste. Faraday induktsiooniseadus. Lenzi reegel. Kondensaator ja induktiivpool. Mahtuvus ja induktiivsus. Elektromagnetvälja energia.
Põhimõisted: Lorentzi jõud, elektromagnetilise induktsiooni nähtus, pööriselektriväli, induktsiooni elektromotoorjõud, magnetvoog, kondensaator, mahtuvus, endainduktsioon, induktiivsus, elektromagnetväli. Mõõtühikud: veeber, farad ja henri.
Praktilised tööd ja IKT rakendamine
1.  Poolis tekkivat induktsiooni elektromotoorjõudu mõjutavate tegurite uurimine (kohustuslik praktiline töö). Praktiline töö kahe raudsüdamikuga juhtmepooli, vooluallika, püsimagneti ja galvanomeetrina töötava mõõteriista abil.
2.  Tutvumine kondensaatorite ja induktiivpoolide talitluse ning rakendustega demokatsete või arvutisimulatsioonide abil. 

3. Elektromagnetlained

Õpitulemused
Kursuse lõpul õpilane:

1. selgitab valguse korral dualismiprintsiipi ja selle seost atomistliku printsiibiga;
2. rakendab probleemide lahendamisel kvandi energia valemit  Ekv = h f;
3. teab, et valguse laineomadused ilmnevad valguse levimisel, osakese-omadused aga valguse tekkimisel (kiirgumisel) ning kadumisel (neeldumisel);
4. kirjeldab elektromagnetlainete skaalat, määratleb etteantud spektraalparameetriga  elektromagnetkiirguse kuuluvana selle skaala mingisse kindlasse piirkonda;
5. leiab ühe etteantud spektraalparameetri (lainepikkus vaakumis, sagedus, kvandi energia) põhjal teisi;
6. teab nähtava valguse lainepikkuste piire ja põhivärvuste lainepikkuste järjestust;
7. teab lainete amplituudi ja intensiivsuse mõisteid ning oskab probleemide lahendamisel neid kasutada;
8. seletab valguse koherentsuse tingimusi ja nende täidetuse vajalikkust vaadeldava interferentsipildi saamisel;
9. seletab joonise järgi interferentsi- ja difraktsiooninähtusi optikas;
10. seletab polariseeritud valguse olemust.

Õppesisu
Elektromagnetlainete skaala. Lainepikkus ja sagedus. Optika – õpetus valguse tekkimisest, levimisest ja kadumisest. Valguse dualism ja dualismiprintsiip looduses. Footoni energia. Valguse värvuse ja lainepikkuse seos. Elektromagnetlainete amplituud ja intensiivsus. Difraktsioon ja interferents, nende rakendusnäited. Polariseeritud valgus, selle saamine, omadused ja rakendused.
Põhimõisted: elektromagnetlaine, elektromagnetlainete skaala, lainepikkus, sagedus, kvandi (footoni) energia, dualismiprintsiip, amplituud, intensiivsus, difraktsioon, interferents, polarisatsioon.
Praktilised tööd ja IKT rakendamine
Ühelt pilult, kaksikpilult ja juuksekarvalt saadava difraktsioonipildi uurimine laseriga, pilu laiuse ja difraktsioonipildi laiuse pöördvõrdelisuse kindlakstegemine kas praktilise töö käigus või arvutimudeli abil.

4. Valguse ja aine vastastikmõju

Õpitulemused
Kursuse lõpul õpilane:

1. tunneb valguse murdumisseadust;
2. kasutab seoseid   ja ;
3. konstrueerib kiirte käiku kumer- ja nõgusläätse korral;
4. kasutab läätse valemit kumer- ja nõgusläätse korral korral: ;
5. teab nähtava valguse lainepikkuste piire ja põhivärvuste lainepikkuste järjestust;
6. kirjeldab valge valguse lahutumist spektriks prisma ja difraktsioonvõre näitel;
7. tunneb spektrite põhiliike ja teab, mis tingimustel nad esinevad;
8. eristab soojuskiirgust ja luminestsentsi, toob näiteid vastavatest valgusallikatest.

Õppesisu
Valguse peegeldumine ja murdumine. Murdumisseadus. Murdumisnäitaja seos valguse kiirusega. Kujutise tekitamine läätse abil ja läätse valem. Valguse dispersioon. Spektroskoobi töö põhimõte. Spektraalanalüüs. Valguse kiirgumine. Soojuskiirgus ja luminestsents.
Põhimõisted: peegeldumine, murdumine, absoluutne ja suhteline murdumisnäitaja, koondav ja hajutav lääts, fookus, fookuskaugus, aine dispersioon, prisma, spektraalriist, soojuskiirgus, luminestsents.
Praktilised tööd ja IKT rakendamine
1.  Läbipaistva aine murdumisnäitaja määramine (kohustuslik praktiline töö).
2.  Tutvumine eritüübiliste valgusallikatega.