Opracowanie pytań przykładowych na drugie kolokwium z Fizyki II
1. Wymienić zjawiska oddziaływania fali elektromagnetycznej z ośrodkami
optycznymi i krótko scharakteryzować je (tzn. absorpcja, dwójłomność,
dyspersja, itd)
- absorpcja - Proces w którym energia promieniowania fali EM jest absorbowana przez molekułę lub
czÄ…stkÄ™ i przetworzona na innÄ… formÄ™ energii.
Natężenie światła spada ekspotencjalnie wewnątrz przedstawionego kawałka materiału.
Po opuszczeniu ośrodka przez światła, jego wektor pola obraca się jak wcześniej, ale jest długość jest
niższa niż wartość przed wejściem do materiału.
- załamanie - Światła spowalnia wewnątrz materiału, dlatego też jego długość fali skraca się i
dochodzi do przesunięcia fazy.
- dichroizm kołowy - Materiał posiadający różny współczynnik ekstynkcji dla światła
spolaryzowanego lewo- i prawoskrÄ™tnie: eðR i eðL
Liniowo spolaryzowane światło staje się spolaryzowane eliptycznie.
- dwójłomność kołowa - Materiał posiadający różne współczynniki załamania wskazują na lewo- i
prawoskrętnie spolaryzowane światło: nR and nL
Płaszczyzna polaryzacji liniowo spolaryzowanego światła zostaje obrócona.
- dichroizm i dwójłomność kołowa - Materiał posiadający różny współczynnik ekstynkcji ORAZ
zaÅ‚amania wskazuje na Å›wiatÅ‚o spolaryzowane koÅ‚owo prawo- i lewostronnie: eðR i eðL ORAZ nR i nL
Światło spolaryzowane liniowo zmienia polaryzację na eliptyczną, gdzie główna oś elipsy zostaje
obrócona względem oryginalnej płaszczyzny polaryzacji.
- dyspersja 
" Zależność prędkości fali i współczynnika załamania długości fali nazywa się dyspersją
" Współczynnik załamania zależy od częstotliwości światła: im wyższa częstotliwość tym wyższy
współczynnik załamania
" Ponieważ światło białe jest mieszaniną częstotliwości, różne długości fal podróżują w różnych
kierunkach.
" Dyspersja jest przyczynÄ… aberracji chromatycznej w soczewkach
" Różne kolory skupiają się w różnych punktach
" Jest to powszechny defekt soczewek prostych
" Czasami widać obwódkę kolorów dookoła obrazu widzianego przez soczewkę lub teleskop
" Aberacja chromatyczna może być skorygowana poprzez kombinację dwóch lub więcej soczewek
2. Co to jest fala elektromagnetyczna? Jakiego typu fale EM możemy
wyróżnić. Podać dodatkowo kilka właściwości fal EM.
Fale elektromagnetyczne mogą być opisane przy pomocy równań Maxwella:
 Zmienne w czasie pole magnetyczne działa jako z
ródło pola elektrycznego, tak jak zmienne w czasie
pole elektryczne działa jako z
ródło pola magnetycznego .
Typy fal EM:
" Światło widzialne 400 - 700 nm  jedyna forma fali elektromagnetycznej widzialna dla ludzkiego
oka.
1
" Ultrafiolet  powoduje ciemnienie naszej skóry(opalenizna), a w skrajnym przypadku powoduje jej
uszkodzenie. Warstwa ozonowa chroni nas przed większością promieniowania UV pochodzącego ze
Słońca.
" Promieniowanie X  te fale EM przechodzą przez większość materii. Nie przechodzą jednak przez
kości, co pozwala stwierdzić czy kość jest złamana.
" Promieniowanie Gamma  te fale EM są bardzo przenikliwe i mogą doprowadzić do poważnego
uszkodzenia komórek.
" Podczerwone  te fale są odpowiedzialne za odczuwane przez nas ciepło. Pociski wyposażone w
sprzęt do wykrywania ciepła są w stanie wykryć z
ródła podczerwieni tj. czołgi czy samoloty.
" Mikrofale  te fale są używane domyślnie do podgrzewania jedzenia. Kiedy przechodzą one przez
jedzenie, powodują wibrację cząstek co skutkuje ogrzaniem pożywienia. Mikrofale są również
używane w komunikacji.
" Fale radiowe  te fale zawierają w sobie zarówno fale telewizyjne jak i radiowe. Transmitowane
sygnały są przechwytywane przez urządzenia wyposażone w anteny.
Właściwości fal EM:
" Fale EM to fale, które nie wymagają materii do transportu energii.
" Fale EM w przeciwieństwie do dz
więku i fal wodnych, nie wymagają ośrodka.
" Fale EM mogą przemieszczać się w próżni.
" Wszystkie fale EM podróżują z prędkością 3x10^8 m/s
3. Wymienić typy rozpraszania światła i opisać je. Wyjaśnić dlaczego niebo
jest niebieskie w ciągu dnia, natomiast ma barwę pomarańczową o
zachodzie Słońca.
Rozpraszanie to proces, gdzie promieniowanie EM jest absorbowane i natychmiast reemitowane
przez cząstkę lub molekułę  energia może być emitowana w różnych kierunkach.
Typy rozpraszania światła:
- Rayleigh
- Mie
- Geometryczne
Rodzaj rozpraszania jest kontrolowany przez rozmiar długości fali względem wielkości cząstki.
Kolor nieba zależy od przewagi rozproszonych w atmosferze fal o określonej długości. Najłatwiej
rozpraszają się fale krótsze (niebieskie), dlatego przeważnie widzimy niebo błękitne, niebieskie.
Natomiast o zachodzie słońca promienie słoneczne przebywają znacznie dłuższą drogę przez
atmosferę niż np. w południe, przez co możliwe jest rozproszenie większej liczby fal o dłuższych
długościach (pomarańczowe, czerwone).
Rozpraszanie Rayleigha
Długość fali światła jest znacznie większa niż rozpraszanie cząstek
Światło niebieskie ~4000 Angstremów, rozpraszanie cząstek ~1 Angstrema (1A=10-10 m)
Rozpraszanie Mie
" Zachodzi, gdy długość fali E" rozmiar cząstek,
" Wyjaśnia rozpraszanie wokół większych kropelek takich jak Korona wokół
słońca czy księżyca, Poświata i podobne zjawiska.
" Zachodzi z cząstkami, które są od 0.1 do 10 wielkości długości fali
" Podstawowe rozpraszanie Mie zachodzi na czÄ…stkach kurzu, sadzy z dymu
" Rozpraszanie Mie występuje w dolnej Troposferze
2
4. Co to jest polaryzacja światła, jakie rodzaje polaryzacji światła można
wyróżnić?
Polaryzacja  właściwość fali poprzecznej polegająca na zmianach kierunku oscylacji rozchodzącego
się zaburzenia w określony sposób.
W poprzecznej fali niespolaryzowanej oscylacje rozchodzÄ…cego siÄ™ zaburzenia zachodzÄ… z jednakowÄ…
amplitudą we wszystkich kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Fala
niespolaryzowana może być traktowana jako złożenie bardzo wielu fal spolaryzowanych w różny
sposób.
Polaryzacja występuje tylko dla takich rodzajów fal i takich warunków, w których oscylacje mogą
odbywać się w różnych kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. W innych
przypadkach rozważanie zjawiska polaryzacji nie ma sensu - dotyczy to na przykład drgań
rozchodzących się na powierzchni membrany i na granicach ośrodków o różnej gęstości (między
innymi fale morskie). Fale dz
więkowe w gazach (również w powietrzu) nie podlegają zjawisku
polaryzacji, gdyż są falami podłużnymi.
Można wyróżnić m.in. następujące rodzaje polaryzacji światła:
- liniowa (pionowa, pozioma)
- kołowa (prawoskrętna, lewoskrętna)
- eliptyczna
5. Jak fala elektromagnetyczna zachowuje siÄ™ na przeszkodzie w postaci
otworu lub na krawędzi przedmiotu? (interferencja i dyfrakcja).
Dyfrakcja (ugięcie fali) to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach
przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości przeszkód, ale wyraz
nie
jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali.
Dyfrakcja używana jest do badania fal oraz obiektów o niewielkich rozmiarach, w tym i kryształów,
ogranicza jednak zdolność rozdzielczą układów optycznych.
Jeżeli wiązka fal przechodzi przez szczelinę lub omija obiekt, to zachodzi zjawisko ugięcia. Zgodnie z
zasadą Huygensa fala rozchodzi się w ten sposób, że każdy punkt fali staje się nowym z
ródłem fali
kulistej. Za przeszkodą fale nakładają się na siebie zgodnie z zasadą superpozycji. Przy spełnieniu
pewnych warunków za przeszkodą pojawiają się obszary wzmocnienia i osłabienia rozchodzących się
fal (interferencja).
Zjawisko dyfrakcji występuje dla wszystkich rodzajów fal np. fal elektromagnetycznych, fal
dz
więkowych oraz fal materii.
Jeden z najprostszych przykładów zjawiska dyfrakcji zachodzi, gdy równoległa wiązka światła (np. z
lasera) przechodzi przez wÄ…skÄ… pojedynczÄ… szczelinÄ™ zwanÄ… szczelinÄ… dyfrakcyjnÄ…. Zgodnie z zasadÄ…
Huygensa każdy punkt szczeliny o szerokości d, jest nowym z
ródłem fali. Między z
ródłami zachodzi
interferencja, co powoduje wzmacnianie i osłabianie światła rozchodzącego się w różnych kierunkach.
Przepuszczenie fali przez szczelinę dyfrakcyjną pozwala na określenie kierunku rozchodzenia się fali.
Im mniejsza jest szerokość szczeliny, tym dokładniej można to zrobić. Jednocześnie zmniejszanie
szczeliny powoduje, że trudniej jest określić energię fali, ponieważ rozprasza się ona na większy
obszar. W efekcie iloczyn błędu określenia energii oraz błędu pomiaru kierunku musi być większy od
pewnej stałej. Oznacza to, że istnieje granica dokładności pomiaru parametrów rozchodzącej się fali.
3
Zjawisko to ma fundamentalne znaczenie, jeżeli wez
mie się pod uwagę, że każda materialna cząstka
jest falą. Zjawisko to jest potwierdzeniem zasady nieoznaczoności. Dualizm korpuskularno-falowy
powoduje, że możliwa jest obserwacja dyfrakcji cząstek materialnych. Eksperymenty udowodniły, że
zjawisko to zachodzi dla elektronów i neutronów
Aby wzmocnić falę przechodzącą przez szczelinę stosuje się w optyce układy wielu takich szczelin,
nazywane siatką dyfrakcyjną. Efekty optyczne od każdej szczeliny dodają się, przez co zachowanie
fali zależy tylko od stałej siatki (odległości dzielącej najbliższe sobie rysy).
Interferencja (łac. inter  między + ferre  nieść)  zjawisko powstawania nowego, przestrzennego
rozkładu amplitudy fali (wzmocnienia i wygaszenia) w wyniku nakładania się (superpozycji fal)
dwóch lub więcej fal. Warunkiem trwałej interferencji fal jest ich spójność, czyli korelacja faz i
częstotliwości.
Na obraz interferencyjny mają wpływ wcześniejsze odbicia fali, ponieważ faza fali padającej na
granicę dwu ośrodków może zmienić się na przeciwną czyli o Ą. W akustyce ma to miejsce wówczas,
gdy fala dz
więkowa odbija się od ośrodka, w którym oporność falowa jest większa, niż w ośrodku, w
którym fala się rozchodzi. W optyce dotyczy to sytuacji, gdy światło odbija się od ośrodka o
większym współczynniku załamania (w którym światło ma mniejszą prędkość). Wówczas zamiast o
zmianie fazy można mówić o zmianie drogi optycznej o pół długości fali.
W przeciwnych sytuacjach (dz
więk odbija się od granicy z ośrodkiem o mniejszej oporności lub
światło odbija się od ciała o mniejszym współczynniku załamania) zmiana fazy nie występuje.
Fale płaskie po przejściu przez pojedynczą szczelinę zaczynają się rozchodzić, dyfrakcja.
Doświadczenie Younga na dwóch szczelinach:
Po przejściu przez dwie szczeliny, fale wychodzące interferują ze sobą i formują prążki
interferencyjne (dyfrakcyjne).
Eksperyment Younga w 1801: fenomen światło jest falą. Pierwsza fala płaska przechodzi przez mała
szczelinę tworząc koherentną falę kulistą. Po przejściu przez dwie szczeliny: na ekranie widoczna
interferencja dwóch fal kulistych.
" Różnica fazy pomiędzy dwiema falami może być różna dla dróg o różnej długości.
" Każdy punkt na ekranie jest zdeterminowany przez różnicę długości drogi DL promieni
docierajÄ…cych do tego punktu.
" Dwa z
ródła mogą wytworzyć interferencję, która jest stabilna w czasie jeśli ich światło ma związek
faz niezmienny w czasie: E(t)=E0cos(wt+f).
" y
ródła koherentne: Faza f musi być dobrze zdefiniowana i stała
" Światło słoneczne jest koherentne na krótkim przedziale długości i czasu.
" Ponieważ światło laserowe jest wytwarzane dzięki wspólnemu zachowaniu atomów, jest koherentne
na długim przedziale długości i czasu.
" Niekoherentne z
ródła: f  skacze losowo w czasie, nie zachodzi stabilna interferencja.
Kiedy światło przechodzi przez wąską szczelinę, formuje na wyjściu prążki dyfrakcyjne.
6. Opisać podstawy i zastosowania holografii. Jakiego typu hologramy
można wyróżnić.
" Holografia to metoda produkowania trójwymiarowych (3-D) obrazów obiektu.
( Trzy wymiary to wysokość, szerokość i długość).
4
" Póz
niej obiekt może być rekonstruowany.
" Hologram jest właściwie zapisem różnic między dwoma promieniami światła koherentnego.
" Może być użyty jako optyczny dysk pamięci, w przetwarzaniu informacji.
Tradycyjne zdjęcia:
" 2-d wersja 3-d sceny
" Fotografii brakuje postrzegania głębi czy paralaksy
" Film jest wrażliwy tylko na energię promieniowania
" Relacja fazy (np. interferencji) jest zaniedbywana
Hologram:
" Zatrzymuje skomplikowany front falowy światła, który przenosi całą wizualną informację o scenie
" By odtworzyć hologram należy zrekonstruować front falowy
" Otrzymany obraz będzie wyglądał jak oryginalna scena, oglądana przez okno określone przez
hologram.
" Zapewnia głębię postrzegania i paralaksę
" Zamienia informacjÄ™ o fazie w informacjÄ™ o amplitudzie (wewnÄ…trz fazy  maximum amplitudy,
poza fazÄ…  minimum amplitudy)
" Interferencja frontu falowego światła ze sceny z falą odniesienia
" Hologram jest złożonym wzorem interferencyjnym mikroskopijnie rozmieszczonych prążków
" Film jest rozbudowany,
" By odtworzyć hologram musi on być oświetlany pod tym samym kątem pod jakim padała wiązka
odniesienia podczas oryginalnego naświetlania.
7. Opisać zasadę działania lasera.
" LASER to akronim od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
" Produkują wąskie wiązki intensywnego światła
" Często mają czyste kolory
" SÄ… niebezpieczne dla oczu
Laser to generator promieniowania, wykorzystujÄ…cy zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest
akronimem od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation  wzmocnienie światła
poprzez wymuszonÄ… emisjÄ™ promieniowania. Promieniowanie lasera ma charakterystyczne
właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach z
ródeł promieniowania.
Jest spójne w czasie i przestrzeni, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej
rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii
emisyjnej[1], co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma. W
laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania
impulsu (zob. laser femtosekundowy).
Akcja laserowa:
1. Energia jest przykładana do ośrodka, podnosząc elektrony do niestabilnego poziomu energii.
2. Te atomy spontanicznie cofają się do metastabilnego stanu o dłuższym czasie życia i niższej energii.
3. Inwersja populacji jest osiągana, gdy większość atomów osiągnie stan metastabilny.
4. Akcja laserowa zachodzi, gdy elektron spontanicznie powraca do stanu podstawowego i produkuje
foton.
5. Jeśli energia z tego fotonu posiada dokładną długość fali, to będzie stymulowała produkcję
następnego fotonu o tej samej długości fali i w rezultacie efekt kaskadowy.
6. Wysoce odbijające lustro i częściowo odbijające lustro przedłużają tą reakcję poprzez odbijanie
fotonów z powrotem do ośrodka wzdłuż osi lasera.
5
7. Częściowo odbijające lustro pozwala na transmisję małej ilości promieniowania koherentnego,
które będzie obserwowane jako  wiązka .
8. Promieniowanie laserowe będzie trwało tak długo jak długo energia będzie przykładana do ośrodka
laserowego.
Emisja stymulowana:
" Wzbudzone atomy mogą być stymulowane do duplikowania przechodzącego światła
" Fotony sÄ… skorelowane i identyczne
" Skorelowane światło
Wzmocnienie lasera:
" Emisja stymulowana może wzmacniać światło
" Ośrodek laserowy zawiera wzbudzone systemy atomopodobne
" Fotony muszą mieć odpowiednią długość fali, polaryzację i orientację, by mogły zostać
zduplikowane
" Duplikacja jest doskonała; fotony są klonami
Oscylacje lasera:
" Ośrodek laserowy w rezonatorze generuje oscylacje
" Spontaniczny foton jest duplikowany w kółko
" Zduplikowane fotony przechodzą z półprzepuszczalnego lustra
" Fotony z oscylatora sÄ… identyczne
Właściwości światła laserowego:
" Koherentne  identyczne fotony
" Kontrolowana długość fali/częstotliwość  wyraz
ne kolory
" Kontrolowana struktura przestrzenna  wÄ…ska wiÄ…zka
" Kontrolowana struktura czasowej  krótkie impulsy
" Składowanie i odzyskiwanie energii  silne impulsy
" Ogromne efekty interferencyjne
" Pomijając powyższe aspekty, światło lasera to po prostu światło
Rodzaje laserów:
" Gazowy (HeNe, CO2, Argon, Krypton)
" Zasilany elektrycznością
" W stanie stałym (Ruby, Nd:YAG, Ti:Sapphire, Diode)
" Zasilany elektrycznością lub światłem
" Ciekłe (Dye, Jello)
" Zasilane światłem
" Chemiczne (HF)
" Nuklearne
Opracowanie na podstawie slajdów dr. Budaszewskiego i Wikipedii.
6