Sterrenkunde en optica (2023/2024: Periode 4)

Bekijk rooster Print deze pagina

Cursusdoel

Optica:
  1. Je kunt de Maxwellvergelijkingen in woorden uitleggen en kunt uit deze vergelijkingen de driedimensionale (3D) golfvergelijking als functie van plaats en tijd voor elektromagnetische golven afleiden. Je kunt formuleren wat superpositie is en wat de gevolgen van superpositie zijn voor golfeigenschappen.
  2. Je kunt laten zien dat vlakke golven een oplossing vormen van de 3D golfvergelijking. Je kunt eigenschappen van vlakke golven (frequentie, golflengte, golfgetal, amplitude, fase) omschrijven en kunt met vlakke golven werken in zowel reële als complexe notatie. Je kunt uitleggen en uit de Maxwellvergelijkingen afleiden hoe de elektrische en magnetische velden in een elektromagnetische golf aan elkaar gerelateerd zijn. Je weet wat de begrippen stralen en golffronten inhouden, en kunt deze schetsen voor een gegeven golfuitdrukking.
  3. Je kunt illustreren hoe het reële en het imaginaire deel van de brekingsindex van een medium de voortplanting van licht beïnvloeden. Je begrijpt hoe en waarom de brekingsindices van diëlektrica en metalen verschillen op basis van modellen voor de elektronische eigenschappen. Je kunt het begrip dispersie omschrijven en kunt op basis van de golfvergelijking voor een medium de dispersierelatie afleiden.
  4. Je kunt gegeven een elektromagnetische golf de bijbehorende Poyntingvector, irradiantie en intensiteit berekenen. Je begrijpt hoe reflectie en breking (refractie) van elektromagnetische golven tot stand komen. Je kunt beschrijven wat er gebeurt in een staande elektromagnetische golf. Je kunt de wet van Snellius afleiden uit de randvoorwaarden op een mediumovergang.
  5. Je kunt aangeven hoe een lens en een prisma werken op basis van breking, en praktische situaties analyseren waarin deze optische elementen gebruikt worden. Je kunt met behulp van de Fresnelvergelijkingen coëfficiënten van reflectie en transmissie aan een grensvlak berekenen. Je kunt omschrijven wat totale interne reflectie is en wanneer dit fenomeen optreedt. Je kunt van een elektromagnetische golf aangeven of deze lineair, circulair of elliptisch gepolariseerd is en uitdrukkingen voor deze golf opstellen.
  6. Je begrijpt hoe interferentie volgt uit het superpositieprincipe. Je hebt een kwalitatief begrip van coherentie en kunt benoemen onder welke voorwaarden interferentie optreedt. Je kunt voor eenvoudige optische situaties de vorm van een interferentiepatroon berekenen en posities bepalen waar constructieve of destructieve interferentie optreedt.
  7. Je kunt het principe van Huygens-Fresnel in eigen woorden uitleggen, en kunt uit dit principe beargumenteren hoe en in welk bereik achter een apertuur Fraunhofer-diffractiepatronen tot stand komen. Je kunt het Fraunhofer-diffractiepatroon van een circulair apertuur en een spletenconfiguratie uitrekenen en onderzoeken.
  8. Je weet hoe een tralie kan worden gebruikt voor kleurenscheiding en kunt voor een gegeven situatie het oplossend vermogen berekenen.
Sterrenkunde:
  1. Je kunt uitleggen hoe we de uiterlijke kenmerken van sterren als temperatuur en lichtkracht bepalen, gebruikmakend van hun optische spectra. Je kunt een Hertzsprung-Russelldiagram schetsen met de belangrijkste klassen van sterren. Je weet waardoor het bepalen van de massa van een ster lastig is, en kunt laten zien hoe dit gemakkelijker is in dubbelsterren.
  2. Je kunt werken met de differentiaalvergelijkingen die de sterstructuur beschrijven, en drie daarvan zelf afleiden. Uit de massa van een ster kun je voorspellen hoe grootheden als straal en lichtkracht veranderen gedurende zijn evolutie. Ook kun je werken met de toestandsvergelijkingen voor gedegenereerde en niet-gedegenereerde sterren.
  3. Je kunt aangeven welke sterren eindigen als witte dwergen, neutronensterren en/of zwarte gaten en de astrofysische principes uitleggen waardoor dit wordt bepaald. Ook kun je werken met de vergelijkingen die de belangrijkste eigenschappen van witte dwergen, neutronensterren en zwarte gaten beschrijven.
  4. Je kunt de derde wet van Kepler afleiden voor een dubbelster in een cirkelbaan. Hieruit kun je de uitdrukkingen voor de baanenergie en het impulsmoment afleiden, en hun afgeleiden bij massaverlies.
  5. Je kunt kwalitatief voorspellen of materie-overdracht in een dubbelster stabiel of instabiel zal zijn. Aan de hand van impulsmoment kun je berekenen hoe de baan van een dubbelster verandert als gevolg van stabiele materie-overdracht. Ook kun je met behulp van behoud van energie uitleggen hoe instabiele materie-overdracht kan leiden tot compacte dubbelsterren en de uitkomst kwantitatief voorspellen.
  6. Je begrijpt het fysische mechanisme waardoor compacte dubbelsterren zwaartekrachtsgolven uitzenden en hoe dit leidt tot een afname van de energie en impulsmoment van de baan van de dubbelster. Je kunt deze golven kwalitatief beschrijven aan de hand van bijvoorbeeld de chirpmassa en spin van een zwart gat en uitleggen hoe we deze golven kunnen waarnemen met de huidige en toekomstige detectoren. Ook kun je berekenen tot op welke afstand een bron kan worden gedetecteerd, en uitleggen waar dit van afhangt.
  7. Je hebt een basisbegrip over de samenstelling en structuur van sterrenstelsels en je kunt voorbeelden geven van hoe we hun afstanden tot de Aarde meten. Ook kun je uitleggen hoe donkere materie zich manifesteert.
  8. Je kunt aangeven wat de structuur van ons heelal op grote schaal is en ruwweg schetsen hoe deze structuur is ontstaan. Ook kun je de belangrijkste waarnemingen uitleggen die hebben geleid naar de theorieën van de Oerknal en inflatie. Je kunt de wet van Hubble kwalitatief uitleggen en hieruit de leeftijd van het heelal afleiden.

Vakinhoudelijk

Voor de mens zijn elektromagnetische golven misschien wel de belangrijkste manier van waarnemen. Vanouds gaat het dan om directe waarneming van (zichtbaar) licht. In de moderne natuur- en sterrenkunde wordt echter een veel breder deel van het elektromagnetisch spectrum gebruikt. Ook voor bijvoorbeeld communicatie en manipulatie in fysische opstellingen zijn elektromagnetische golven tegenwoordig onmisbaar. De klassieke optica is het deel van de natuurkunde dat de oorsprong en het gedrag van elektromagnetische golven beschrijft.
In het opticadeel van deze cursus behandelen we eigenschappen en toepassingen van elektromagnetische golven met de nadruk op (zichtbaar) licht. De Maxwellvergelijkingen vormen het startpunt van de beschrijving. Gedurende de cursus behandelen we alledaagse fenomenen als lenswerking, het ontstaan van regenbogen en de werking van telescopen.

In de tweede helft van deze cursus richten we deze telescopen op het universum, dat een uniek natuurkundelab vormt met processen die we op Aarde vaak niet kunnen nabootsen. We leren de uiterlijke kenmerken van sterren kennen aan de hand van optische spectra. Die helpen ons om een beeld te krijgen van de fysische opbouw van sterren, en hoe die structuur verandert gedurende de evolutie van een ster. We zullen zien dat de meeste sterren onderdeel uitmaken van een dubbelster, en dat materie-overdracht in een dubbelster de evolutie van de sterren drastisch kan beïnvloeden. Hierdoor kunnen onder andere compacte dubbelsterren ontstaan, met baanperiodes van minder dan een dag of zelfs een uur, en met witte dwergen, neutronensterren en zwarte gaten als componenten. Sommige van deze systemen vormen de bronnen van zwaartekrachtsgolven die we sinds kort kunnen waarnemen met de gevoeligste detectoren ooit gebouwd. Ten slotte zoomen we uit naar de schaal van sterrenstelsels en maken kennis met donkere materie, om te eindigen met het heelal als geheel en de Oerknal.

Werkvormen

Hoorcollege
Toelichting

Aan de hand van het boek en aanvullend materiaal wordt globaal in elk college een leerdoel behandeld. Het onderwerp wordt in het hoorcollege geïntroduceerd. Van de student wordt verwacht dat deze de relevante stof uit het boek buiten contacttijd bestudeert.

Werkcollege
Toelichting

Vanaf het begin wordt in het werkcollege op elk onderwerp aan opgaven op tentamenniveau gewerkt. Enkele keren komt een opdracht aan de orde waarbij met Python een probleem numeriek wordt geanalyseerd.

Toetsing

Eindresultaat

Verplicht | Weging 100% | ECTS 7,5

• 50% Tussentijds tentamen Optica • 50% Eindtentamen Sterrenkunde Voor het succesvol afronden van de cursus moet het gemiddelde cijfer voor de onderdelen Optica en Sterrenkunde 5,5 of hoger zijn, waarbij voor elk van de onderdelen afzonderlijk onafgerond minimaal een 5,0 is behaald. Beide onderdelen kunnen afzonderlijk worden herkanst.

Ingangseisen en voorkennis

Ingangseisen

Er is geen informatie over verplichte ingangseisen bekend.

Voorkennis

1. Mechanica: je kent de wetten van Newton en het impulsmoment. 2. Elektromagnetisme: je kent de Maxwellvergelijkingen en kunt deze toepassen in vacuüm en in diëlektrica. 3. Wiskundige technieken: complexe e-machten, lineaire differentiaalvergelijkingen. Ervaring met integraalstellingen is aanbevolen. 4. Python: Je kunt Python gebruiken voor numerieke analyse van eenvoudige fysische problemen.

Voorkennis kan worden opgedaan met

Voorkennis kan worden opgedaan met Relativistische en klassieke mechanica (NS-106B), DATA (NS-109B), Elektromagnetisme (NS-112B) en Wiskundige technieken 1 en 2 (WISN101 en WISN102) of Lineaire algebra, Infinitesimaalrekening A en B (WISB121 en WISB137)

Voertalen

  • Nederlands

Cursusmomenten

Gerelateerde studies

Tentamens

Er is geen tentamenrooster beschikbaar voor deze cursus

Verplicht materiaal

  • BOEK
    J. Peatross and M. Ware, Physics of Light and Optics (2024 revision). Vrij verkrijgbaar via https://optics.byu.edu/textbook
  • BOEK
    F. Verbunt, Het leven van Sterren, Epsilon uitgaven, 3e druk (2019). ISBN: 9789050411226. Aanvullende hoofdstukken worden digitaal ter beschikking gesteld.

Aanbevolen materiaal

  • DICTAAT
    P.J.S. van Capel, Syllabus Optica (ook digitaal ter beschikking gesteld)

Coördinator

dr. P.J.S. van Capel p.j.s.vancapel@uu.nl

Docenten

dr. P.J.S. van Capel p.j.s.vancapel@uu.nl
dr. M.V. van der Sluijs PhD m.v.vandersluijs@uu.nl
dr. G. de Vries G.deVries@uu.nl

Inschrijving

Deze cursus is open voor bijvakkers. Controleer wel of er aanvullende ingangseisen gelden.

Inschrijving
Van maandag 29 januari 2024 tot en met vrijdag 23 februari 2024

Na-inschrijving
Van dinsdag 2 april 2024 tot en met woensdag 3 april 2024

Inschrijving niet geopend
Permanente link naar de cursuspagina
Laat in de Cursus-Catalogus zien