W budowie
Pomiń nawigację
Światło jako fala elektromagnetyczna, zależność c = λ · f i pełne widmo promieniowania

Moduł 13 — Światło jako fala elektromagnetyczna i widmo — kurs Optyka (kurs podstawowy)

Moduł 13 kursu Optyka: Światło jako fala elektromagnetyczna, prędkość c w próżni i ośrodkach, relacja c = λ · f, pełne widmo fal elektromagnetycznych (radiowe, mikrofale, IR, VIS, UV, RTG, gamma) oraz zakres światła widzialnego.

  • 45 min
  • 21 slajdów
  • Notatki nauczyciela: N
  • Strona modułu: otwórz
Plan · 45 min

Co dziś robimy

  1. 4 minCzego nauczysz się w tym module? Zrozumiesz granice stosowalności optyki geometrycznej i dowiesz się, kiedy ujawnia się…
  2. 4 min1. Kiedy model promienia świetlnego przestaje wystarczać? Ponieważ przedmioty codziennego użytku (monety, soczewki o średnicy kilku centymetrów…
  3. 4 min2. Czym jest światło? Odkrycie Jamesa Clerka Maxwella Jeśli fala biegnie wzdłuż osi $z$,
  4. 4 min3. Podstawowy związek falowy: $c = \lambda \cdot f$ Prędkość fali ($c$ lub $v$): szybkość przemieszczania się grzbietu fali w przestrzeni (w…
  5. 5 min4. Pełne widmo fal elektromagnetycznych W pracowni chemicznej pierwiastek można rozpoznać po widmie emisyjnym.
  6. 5 min5. Pasmo światła widzialnego w nanometrach Chlorofil w liściach pochłania światło niebieskie (około $430\text{--}450\text{ nm}$) i…
  7. 5 min6. Przykłady obliczeniowe krok po kroku Krok 1: Zamiana jednostek długości fali na metry.
  8. 5 min7. Interaktywny symulator widma fal elektromagnetycznych teza, kod i pytanie kontrolne
  9. 5 min8. Ćwiczenia praktyczne i obliczeniowe Oblicz długość fali $\lambda$ emitowanej przez nadajnik tej stacji.
  10. 5 minPodsumowanie bilet wyjściowy i zadanie domowe
Atom 1 z 10 · ~4 min

Czego nauczysz się w tym module?

W pierwszych trzech blokach kursu posługiwaliśmy się intuicyjnym modelem promienia świetlnego — prostej linii, która odbija się od zwierciadeł i załamuje w soczewkach.

  • Zrozumiesz granice stosowalności optyki geometrycznej i dowiesz się, kiedy ujawnia się falowa natura światła .
  • Wyjaśnisz, czym jest fala elektromagnetyczna (wzajemnie indukujące się pola elektryczne $\vec{E}$ i magnetyczne $\vec{B}$) oraz dlaczego jest to fala poprzeczna .
  • Zastosujesz podstawowy związek falowy $c = \lambda \cdot f$ i wyjaśnisz, dlaczego przy przejściu światła do innego ośrodka jego częstotliwość $f$ pozostaje stała, a…
  • Poznasz pełne widmo fal elektromagnetycznych (fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promienie rentgenowskie, promieniowanie gamma) oraz…
Sprawdzenie · atom 1 · ~2 min

Pytanie do klasy

W jakiej sytuacji model promienia świetlnego przestaje poprawnie opisywać zachowanie światła?

Atom 2 z 10 · ~4 min

1. Kiedy model promienia świetlnego przestaje wystarczać?

W optyce geometrycznej zakładaliśmy, że światło rozchodzi się po liniach prostych, a za nieprzezroczystą przeszkodą powstaje idealnie ostry, geometryczny cień.

  • Ponieważ przedmioty codziennego użytku (monety, soczewki o średnicy kilku centymetrów, otwory w ścianie) są miliony razy większe niż długość fali światła ($d \gg…
  • Gdy rozmiar przeszkody lub szczeliny $d$ staje się porównywalny z długością fali świetlnej ($d \approx \lambda$, czyli ułamki mikrometra), światło przestaje biec…
  • Zaczyna uginać się na krawędziach, wnikać w obszar geometrycznego cienia i nakładać się na siebie, tworząc prążki jasne i ciemne.
  • Porównanie rozmiarów wygodnie zapisać w notacji wykładniczej.
Sprawdzenie · atom 2 · ~2 min

Pytanie do klasy

W jakiej sytuacji model promienia świetlnego przestaje poprawnie opisywać zachowanie światła?

Atom 3 z 10 · ~4 min

2. Czym jest światło? Odkrycie Jamesa Clerka Maxwella

W latach 60. XIX wieku szkocki fizyk James Clerk Maxwell zebrał prawa elektryczności i magnetyzmu w cztery słynne równania. Z równań tych wynikał rewolucyjny wniosek: zmienne pole elektryczne wytwarza wokół siebie zmienne pole magnetyczne…

  • Jeśli fala biegnie wzdłuż osi $z$,
  • pole elektryczne $\vec{E}$ drga np. pionowo (oś $y$),
  • pole magnetyczne $\vec{B}$ drga poziomo (oś $x$).
  • Fala świetlna jest falą poprzeczną .
Sprawdzenie · atom 3 · ~2 min

Pytanie do klasy

Jaki wniosek o naturze światła wynikał z równań Maxwella?

Atom 4 z 10 · ~4 min

3. Podstawowy związek falowy: $c = \lambda \cdot f$

Każdą falę okresową opisują trzy podstawowe wielkości fizyczne:

  • Prędkość fali ($c$ lub $v$): szybkość przemieszczania się grzbietu fali w przestrzeni (w próżni $c \approx 3 \cdot 10^8\text{ m/s}$).
  • Długość fali ($\lambda$ — lambda): odległość przestrzenna między dwoma sąsiednimi grzbietami fali, mierzona w metrach [$\text{m}$] lub nanometrach [$1\text{ nm} =…
  • Częstotliwość ($f$ lub $\nu$ — ni): liczba pełnych drgań wykonywanych przez pole w ciągu jednej sekundy, mierzona w hercach [$1\text{ Hz} = 1/\text{s}$].
  • Częstotliwość $f$ POZOSTAJE STAŁA ($f = \text{const}$)! Częstotliwość jest cechą źródła emitującego światło (liczba drgań atomu na sekundę nie zależy od tego, w jakim…
Sprawdzenie · atom 4 · ~2 min

Pytanie do klasy

Co dzieje się z częstotliwością światła przy przejściu z powietrza do szkła?

Zestawienie · atom 5 · ~3 min

4. Pełne widmo fal elektromagnetycznych

Światło, które widzimy naszymi oczami, to zaledwie mikroskopijny wycinek gigantycznej rodziny promieniowania elektromagnetycznego. Wszystkie te fale mają tę samą naturę fizyczną i tę samą prędkość w próżni ($c$), a…

Zakres widma Długość fali ($\lambda$) Częstotliwość ($f$) Typowe źródła i detektory Praktyczne zastosowania
Fale radiowe $> 1\text{ mm}$ do wielu kilometrów $< 300\text{ GHz}$ ($10^4\text{--}10^9\text{ Hz}$) Anteny nadawcze, obwody LC Radio FM/AM, telewizja naziemna, łączność lotnicza i morska, Wi-Fi
Mikrofale $1\text{ mm}\text{--}1\text{ m}$ $300\text{ MHz}\text{--}300\text{ GHz}$ Magnetrony, nadajniki komórkowe Kuchenki mikrofalowe ($2{,}45\text{ GHz}$ — rezonans cząsteczek wody), radary pogodowe i policyjne, telefonia komórkowa 4G/5G, Bluetooth, GPS
Podczerwień (IR) $750\text{ nm}\text{--}1\text{ mm}$ $300\text{ GHz}\text{--}400\text{ THz}$ Ciepłe ciała, grzejniki, diody LED IR Promieniowanie cieplne (każde ciepłe ciało promieniuje w IR!), noktowizja termowizyjna, piloty TV, lasery światłowodowe ($1310/1550\text{ nm}$)
Światło widzialne (VIS) $380\text{ nm}\text{--}750\text{ nm}$ $400\text{ THz}\text{--}790\text{ THz}$ Słońce, żarówki, płomień świecy Wzrok człowieka i zwierząt, fotosynteza roślin, oświetlenie, fotografia, lasery optyczne
Ultrafiolet (UV) $10\text{ nm}\text{--}380\text{ nm}$ $790\text{ THz}\text{--}30\text{ PHz}$ Słońce, lampy kwarcowe, wyładowania Opalenizna i synteza witaminy D3 (UV-B), sterylizacja i dezynfekcja sal szpitalnych (UV-C), sprawdzanie autentyczności banknotów (fluorescencja)
Promieniowanie rentgenowskie (X) $0{,}01\text{ nm}\text{--}10\text{ nm}$ $30\text{ PHz}\text{--}30\text{ EHz}$ Lampy rentgenowskie (wyhamowywanie szybkich elektronów na anodzie) Diagnostyka medyczna (zdjęcia rentgenowskie kości, tomografia komputerowa CT), kontrola bagażu na lotniskach, badanie struktury kryształów (krystalografia)
Promieniowanie gamma ($\gamma$) $< 0{,}01\text{ nm}$ ($< 10\text{ pm}$) $> 30\text{ EHz}$ ($> 10^{19}\text{ Hz}$) Rozpady promieniotwórcze jąder atomowych, wybuchy supernowych Onkologia (radioterapia nowotworów — nóż gamma), sterylizacja żywności i igieł medycznych, astrofizyka wysokich energii
Sprawdzenie · atom 5 · ~2 min

Pytanie do klasy

Który zakres widma ma najkrótsze fale?

Atom 6 z 10 · ~5 min

5. Pasmo światła widzialnego w nanometrach

Światło widzialne to przedział długości fal w próżni od około $380\text{ nm}$ (skrajny fiolet) do około $750\text{ nm}$ (skrajna czerwień) . Przypomnijmy, że $1\text{ nanometr} = 1\text{ nm} = 10^{-9}\text{ m} =…

  • Chlorofil w liściach pochłania światło niebieskie (około $430\text{--}450\text{ nm}$) i czerwone (około $640\text{--}680\text{ nm}$), a odbija zielone.
  • Geografia: satelity obserwują Ziemię także w podczerwieni, bo zdrowa roślinność odbija ją inaczej niż gleba czy zabudowa.
  • Mapa zieleni wokół miasta powstaje z fal, których ludzkie oko nie widzi.
  • W poprzedniej sekcji ustawiliśmy obok siebie wszystkie pasma widma — od fal radiowych po promieniowanie gamma.
Sprawdzenie · atom 6 · ~2 min

Pytanie do klasy

Jakie są granice zakresu światła widzialnego w próżni?

Atom 7 z 10 · ~5 min

6. Przykłady obliczeniowe krok po kroku

Treść: Czerwony wskaźnik laserowy emituje światło o długości fali $\lambda = 650\text{ nm}$ w powietrzu. Oblicz częstotliwość $f$ drgań fali tego światła oraz okres drgań $T$. Przyjmij prędkość światła $c = 3 \cdot 10^8\text{ m/s}$.

  • Krok 1: Zamiana jednostek długości fali na metry.
  • $$\lambda = 650\text{ nm} = 650 \cdot 10^{-9}\text{ m} = 6{,}5 \cdot 10^{-7}\text{ m}$$
  • Krok 2: Wyznaczenie częstotliwości ze związku falowego $c = \lambda \cdot f$.
  • $$f = \frac{c}{\lambda} = \frac{3 \cdot 10^8\text{ m/s}}{6{,}5 \cdot 10^{-7}\text{ m}} \approx 4{,}615 \cdot 10^{14}\text{ Hz} \approx 462\text{ THz}$$ (teraherce…
Sprawdzenie · atom 7 · ~2 min

Pytanie do klasy

Czerwony laser emituje światło o długości fali $650\text{ nm}$. Jaka jest częstotliwość tego światła?

Symulacja · atom 8 · ~3 min

7. Interaktywny symulator widma fal elektromagnetycznych

Sprawdzenie · atom 8 · ~2 min

Pytanie do klasy

Przesuwasz suwak symulatora w stronę coraz krótszych długości fal. Co obserwujesz?

Atom 9 z 10 · ~5 min

8. Ćwiczenia praktyczne i obliczeniowe

Popularna stacja radiowa nadaje swój program na częstotliwości $f = 100\text{ MHz}$ ($100\text{ megaherców} = 10^8\text{ Hz}$). Przyjmij prędkość fali radiowej $c = 3 \cdot 10^8\text{ m/s}$.

  • Oblicz długość fali $\lambda$ emitowanej przez nadajnik tej stacji.
  • Porównaj tę długość fali z długością fali światła czerwonego ($\lambda \approx 700\text{ nm}$). Ile razy fala radiowa jest dłuższa od fali świetlnej?
  • Długość fali radiowej: $$\lambda = \frac{c}{f} = \frac{3 \cdot 10^8\text{ m/s}}{10^8\text{ Hz}} = 3\text{ metry}$$
  • Stosunek długości fal: $$\frac{\lambda_{\text{radio}}}{\lambda_{\text{czerwień}}} = \frac{3\text{ m}}{7 \cdot 10^{-7}\text{ m}} \approx 4\,285\,714$$ Fala radiowa tej…
Sprawdzenie · atom 9 · ~2 min

Pytanie do klasy

Stacja radiowa nadaje na częstotliwości $100\text{ MHz}$. Jaka jest długość fali tego promieniowania?

Zamknięcie · ~2 min

Co zabrać z lekcji

  • Zrozumiesz granice stosowalności optyki geometrycznej i dowiesz się, kiedy ujawnia się falowa natura światła .
  • Ponieważ przedmioty codziennego użytku (monety, soczewki o średnicy kilku centymetrów, otwory w ścianie) są miliony razy większe niż długość fali światła ($d…
  • Jeśli fala biegnie wzdłuż osi $z$,
  • Prędkość fali ($c$ lub $v$): szybkość przemieszczania się grzbietu fali w przestrzeni (w próżni $c \approx 3 \cdot 10^8\text{ m/s}$).
Bilet wyjściowy: Aparat rentgenowski emituje fale o długości $0{,}05\text{ nm}$. Jaka jest ich częstotliwość?
Odpowiedź: d) Około $6 \cdot 10^{18}\text{ Hz}$