Fale elektromagnetyczne, widmo i prędkość światła

Światło, fale radiowe, mikrofale i promieniowanie rentgenowskie to ten sam rodzaj fali — fala elektromagnetyczna — tylko o różnych długościach i częstotliwościach. Ten materiał porządkuje tę wiedzę na poziomie rozszerzonym fizyki: czym jest fala elektromagnetyczna, jak wygląda jej widmo, z jaką prędkością się rozchodzi i co się dzieje, gdy przechodzi z próżni do szkła lub wody.

Najpierw ćwiczysz budowę fali: zmienne pola elektryczne i magnetyczne, prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się, a więc fala poprzeczna, która — w odróżnieniu od dźwięku — nie potrzebuje ośrodka. Potem porządkujesz widmo: fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne (około 380–780 nm), nadfiolet, promieniowanie rentgenowskie i gamma, wraz z przykładami źródeł i zastosowań, od radia i kuchenki mikrofalowej po diagnostykę medyczną.

Część rachunkowa opiera się na związku $c=\lambda f$ i na zależności $v=\frac{c}{n}$. Obliczasz długość fali stacji radiowej, prędkość i długość fali światła w szkle, a także wyjaśniasz, dlaczego przy zmianie ośrodka częstotliwość się nie zmienia. Zadania z czasem przelotu sygnału — radar, światło biegnące ze Słońca przez ponad osiem minut — pokazują, jak ogromna, ale skończona jest prędkość światła. Uczysz się też posługiwać rokiem świetlnym jako jednostką odległości i przeliczać go na metry. W zadaniach porównujesz również energie fotonów z różnych zakresów widma, co łączy ten temat z fizyką atomową.

Ostatni element to efekt Dopplera dla światła przy prędkościach znacznie mniejszych od $c$: przesunięcie linii widmowych ku czerwieni dla źródeł oddalających się i ku fioletowi dla zbliżających się, z przybliżoną zależnością $\frac{\mathrm{\Delta }\lambda }{\lambda }\approx \frac{v}{c}$, którą astronomowie wykorzystują do pomiaru prędkości gwiazd.

Interferencję, dyfrakcję i polaryzację światła ćwiczysz w osobnym materiale tej kategorii. Tutaj masz do dyspozycji quiz z wyjaśnieniami, fiszki z kolejnością widma i wzorami, egzamin ustny w formie rozmowy z egzaminatorem oraz pracę pisemną do wydruku z zadaniami otwartymi. Wszystkie dane liczbowe są podane w treści zadań. Zadania są oryginalne i przeznaczone do samodzielnej nauki i powtórki.

• Opisujesz falę elektromagnetyczną jako falę poprzeczną rozchodzącą się także w próżni.
• Porządkujesz zakresy widma fal elektromagnetycznych i podajesz ich zastosowania.
• Stosujesz związek c = λf oraz v = c/n do obliczeń.
• Wyjaśniasz, co się zmienia, a co nie, gdy fala przechodzi do innego ośrodka.
• Obliczasz odległość z czasu przelotu sygnału i prędkość źródła z przesunięcia dopplerowskiego.

Materiał ćwiczeniowy przygotowany przez Zestly.