1 

 

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 
cząstkę i przetworzona na inną formę 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 prawoskrętnie: 

R 

i 

L 

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 
załamania wskazuje na światło spolaryzowane kołowo prawo- i lewostronnie: 

R 

i 

L 

ORAZ n

R 

i n

L  

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 przyczyną 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 źródło pola elektrycznego, tak jak zmienne w czasie 
pole elektryczne działa jako źródło pola magnetycznego”. 
 
Typy fal EM: 
•Światło widzialne 400 - 700 nm – jedyna forma fali elektromagnetycznej widzialna dla ludzkiego 
oka. 

2 

 

•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 źródła 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 dźwięku 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 

≅ 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 cząstkach kurzu, sadzy z dymu 
• Rozpraszanie Mie występuje w dolnej Troposferze 
 

3 

 

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 rozchodzącego się zaburzenia zachodzą z jednakową 
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 dźwiękowe 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 się 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 wyraźnie 
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 źródłem 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 
dźwiękowych oraz fal materii. 
 
Jeden z najprostszych przykładów zjawiska dyfrakcji zachodzi, gdy równoległa wiązka światła (np. z 
lasera) przechodzi przez wąską pojedynczą szczelinę zwaną szczeliną dyfrakcyjną. Zgodnie z zasadą 
Huygensa każdy punkt szczeliny o szerokości d, jest nowym źródłem fali. Między źródłami 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. 

4 

 

Zjawisko to ma fundamentalne znaczenie, jeżeli weźmie 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 π. W akustyce ma to miejsce wówczas, 
gdy fala dźwiękowa 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 (dźwięk 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 
docierających do tego punktu.  
 
• Dwa źródła mogą wytworzyć interferencję, która jest stabilna w czasie jeśli ich światło ma związek 
faz niezmienny w czasie: E(t)=E0cos(wt+f). 
• Źródła 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 źródła: 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). 

5 

 

• Później 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 informację o fazie w informację o amplitudzie (wewnątrz fazy – maximum amplitudy, 
poza fazą – 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 
• Są niebezpieczne dla oczu 
 
Laser to generator promieniowania, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest 
akronimem od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — wzmocnienie światła 
poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera ma charakterystyczne 
właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł 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. 

6 

 

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 są 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 są identyczne 
 
Właściwości światła laserowego: 
• Koherentne – identyczne fotony 
• Kontrolowana długość fali/częstotliwość – wyraźne kolory 
• Kontrolowana struktura przestrzenna – wąska wiązka 
• 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.