{"id":"fizyka-2017-maj-matura-rozszerzona/zad/17.2","paper_id":"fizyka-2017-maj-matura-rozszerzona","number":"17.2","points":1,"ptype":"closed","subject":"fizyka","category":"matura","year":2017,"month":"maj","level":"rozszerzona","text":"Zadanie 17.2. (0-1)\nZaznacz poprawne dokończenie zdania.\nWiązkę światła, składającą się z fotonów o jednakowej energii, fazie, polaryzacji i kierunku\nruchu, można wytworzyć w\nA. spektroskopie.\nB. laserze.\nC. mikroskopie.\nD. fotokomórce.\nMFA_1R","answer":"B","answer_text":"Zadanie 17.2. (0-1)\nWymagania ogólne\nWymaganie szczegółowe\nII. Analiza tekstów\npopularnonaukowych i ocena ich treści.\n7.10) (G) Zdający opisuje światło białe jako\nmieszaninę barw, a światło lasera jako światło\njednobarwne.\nSchemat punktowania\n1 p. - zaznaczenie poprawnej odpowiedzi.\n0 p. - brak spełnienia powyższego kryterium.\nPoprawna odpowiedź\nB","solution":"## Poprawna odpowiedź\n\n**B. laserze.**\n\nLaser jest jedynym z wymienionych urządzeń wytwarzającym wiązkę promieniowania spójnego, monochromatycznego, spolaryzowanego i skierowanego (skolimowanego) - czyli złożonego z fotonów o jednakowej energii, fazie, polaryzacji i kierunku ruchu.\n\n## Sposób 1 - Analiza cech wiązki i dopasowanie do źródła\n\nWiązka opisana w zadaniu ma **cztery kluczowe cechy**:\n\n| Cecha wiązki | Opis fizyczny | Termin techniczny |\n| Fotony o jednakowej energii | \\(E = hf\\) - ta sama częstotliwość, ta sama długość fali | **monochromatyczność** |\n| Jednakowa faza | Stała różnica faz między fotonami, trwała korelacja fazowa | **spójność (koherencja)** |\n| Jednakowa polaryzacja | Wektor \\(\\vec{E}\\) fali EM drgający w jednej płaszczyźnie | **polaryzacja liniowa** |\n| Jednakowy kierunek ruchu | Wiązka równoległa, nierozbieżna | **kolimacja** |\n\n**Tylko laser wytwarza wiązkę spełniającą wszystkie cztery warunki jednocześnie.**\n\nMechanizm fizyczny lasera:\n1. **Inwersja obsadzeń** - więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w podstawowym (wymaga pompowania energią)\n2. **Wymuszona emisja** (Einstein, 1917) - padający foton o energii \\(E = hf\\) wyzwala emisję drugiego fotonu o **identycznej energii, fazie, polaryzacji i kierunku**\n3. **Rezonator optyczny** (dwa lustra) - fotony wielokrotnie przechodzą przez ośrodek aktywny, wzmacniając wiązkę\n4. **Selekcja kierunku** - rezonator przepuszcza tylko fotony poruszające się wzdłuż osi, pozostałe opuszczają ośrodek bez wzmocnienia\n\nWynik: **spójna, monochromatyczna, spolaryzowana, skolimowana wiązka** - dokładnie to, co opisuje zadanie.\n\n## Sposób 2 - Eliminacja pozostałych źródeł światła\n\nPorównanie źródeł emitujących światło:\n\n| Źródło | Monochromatyczne? | Spójne (koherentne)? | Spolaryzowane? | Skolimowane? |\n| Żarówka (żarnik) | ❌ ciągłe widmo termiczne | ❌ emisja spontaniczna, losowe fazy | ❌ losowa polaryzacja | ❌ izotropowe |\n| Lampa rtęciowa / sodowa | ✅ (linie widmowe) | ❌ losowe fazy, brak korelacji | ❌ | ❌ |\n| Dioda LED | ✅ wąskie pasmo, ale nie pkt | ❌ emisja spontaniczna | ❌ | ❌ |\n| **Laser** | ✅ bardzo wąska linia | ✅ emisja wymuszona → spójność | ✅ | ✅ |\n\nŻadne inne z typowych źródeł nie spełnia warunku **jednakowej fazy** - faza jest kluczowym wyróżnikiem lasera. Emisja spontaniczna (np. w żarówce) produkuje fotony o losowych fazach → brak koherencji.\n\n## Sposób 3 - Rozumowanie przez definicję emisji wymuszonej Einsteina\n\nZ karty wzorów / fizyki kwantowej:\n\nEinstein (1917) wyróżnił trzy procesy:\n- **Absorpcja:** atom pochłania foton, przechodzi do stanu wzbudzonego\n- **Emisja spontaniczna:** atom samorzutnie wraca do stanu podstawowego, emitując foton o **losowej fazie i kierunku**\n- **Emisja wymuszona (stimulated emission):** padający foton \"zmusza\" atom do emisji → nowy foton jest **klonem** fotonu wzbudzającego (ta sama \\(E\\), faza, polaryzacja, kierunek)\n\n\\[E_{\\text{foton}} = hf = \\Delta E_{\\text{poziomów atomowych}}\\]\n\nLaser (**L**ight **A**mplification by **S**timulated **E**mission of **R**adiation) opiera się właśnie na **emisji wymuszonej** - stąd bezpośrednio wynikają wszystkie cztery cechy wiązki opisane w zadaniu.\n\n## Orientacyjny schemat punktowania (odtworzony przez AI - NIE oficjalny klucz CKE)\n\n> 📋 **Orientacyjny schemat punktowania (nieoficjalny, odtworzony przez AI) (zadanie 17.2, max 1 pkt):**\n> - **1 pkt** - uczeń zaznaczył opcję z odpowiedzią „laser\" (lub równoważną: urządzenie laserowe, laser gazowy/rubinowy itp.)\n> - **0 pkt** - odpowiedź niepoprawna lub brak odpowiedzi\n\n## Wzory z karty CKE\n\n> 📖 **Karta wzorów CKE - sekcja FIZYKA (fizyka kwantowa):**\n> - Energia fotonu: \\(E = hf = \\frac{hc}{\\lambda}\\), gdzie \\(h = 6{,}626 \\times 10^{-34}\\ \\text{J·s}\\)\n> - Zasada zachowania energii dla emisji: \\(\\Delta E = E_2 - E_1 = hf\\)\n>\n> W tym zadaniu wystarczy znajomość pojęcia **emisji wymuszonej** i właściwości lasera - wzory służą do uzasadnienia „jednakowej energii fotonów\" (\\(E = hf\\) = const gdy \\(f\\) = const).\n\n## Dlaczego inne odpowiedzi są błędne\n\n(Typowe opcje distraktory w zadaniach tego typu)\n\n| Wariant | Typowy błąd ucznia |\n| Żarówka / lampa halogenowa | Mylenie „jasnego\" z „spójnym\" - jasność ≠ koherencja; żarówka emituje szerokie widmo termiczne, fotony o losowych fazach |\n| Lampa rtęciowa (widmo liniowe) | Myślenie: „ma linie widmowe = monochromatyczna = jak laser\" - błąd: monochromatyczność to konieczny, ale **niewystarczający** warunek; brakuje koherencji fazowej i polaryzacji |\n| Świecące diody LED | Nowoczesne LED mają wąskie pasmo, ale emisja jest **spontaniczna** → losowe fazy → brak koherencji; LIDAR i diody laserowe to inna kategoria (LD, nie LED) |\n\n## Typowe pułapki\n\n> ⚠️ **Uwaga:** Najczęstszy błąd - utożsamianie **monochromatyczności** z pełnym zestawem cech lasera. Lampa sodowa jest monochromatyczna, ale **nie jest spójna** → nie może być użyta do interferometrii ani holografii.\n\n> ⚠️ **Uwaga:** Słowo „faza\" w treści zadania to sygnał alarmowy - jedynym źródłem kontrolującym fazę emitowanych fotonów jest **emisja wymuszona** w laserze.\n\n> ⚠️ **Uwaga:** Nie mylić lasera z **maserem** (mikrofale zamiast światła widzialnego) - zasada działania identyczna, ale zakres promieniowania różny. W kontekście „wiązki światła\" zawsze chodzi o laser.","image":"img/fizyka-2017-maj-matura-rozszerzona/zad-17.2.webp","solution_image":null,"topics":"Fizyka współczesna","page_from":16,"source":"ocr","answer_source":"ocr","answer_text_source":"ocr","solution_source":"maturazai","text_source":"ocr","source_label":"Fizyka · Matura · maj 2017 (rozszerzona)","subject_label":"Fizyka","category_label":"Matura","text_html":"

Zadanie 17.2. (0-1)
Zaznacz poprawne dokończenie zdania.
Wiązkę światła, składającą się z fotonów o jednakowej energii, fazie, polaryzacji i kierunku
ruchu, można wytworzyć w
A. spektroskopie.
B. laserze.
C. mikroskopie.
D. fotokomórce.
MFA_1R

","answer_text_html":"

Zadanie 17.2. (0-1)
Wymagania ogólne
Wymaganie szczegółowe
II. Analiza tekstów
popularnonaukowych i ocena ich treści.
7.10) (G) Zdający opisuje światło białe jako
mieszaninę barw, a światło lasera jako światło
jednobarwne.
Schemat punktowania
1 p. - zaznaczenie poprawnej odpowiedzi.
0 p. - brak spełnienia powyższego kryterium.
Poprawna odpowiedź
B

","solutions":[{"source":"maturazai","label":"maturazai.pl (AI)","kind":"text","html":"

Poprawna odpowiedź

\n

B. laserze.

\n

Laser jest jedynym z wymienionych urządzeń wytwarzającym wiązkę promieniowania spójnego, monochromatycznego, spolaryzowanego i skierowanego (skolimowanego) - czyli złożonego z fotonów o jednakowej energii, fazie, polaryzacji i kierunku ruchu.

\n

Sposób 1 - Analiza cech wiązki i dopasowanie do źródła

\n

Wiązka opisana w zadaniu ma cztery kluczowe cechy:

\n

| Cecha wiązki | Opis fizyczny | Termin techniczny |
| Fotony o jednakowej energii | E=hf - ta sama częstotliwość, ta sama długość fali | monochromatyczność |
| Jednakowa faza | Stała różnica faz między fotonami, trwała korelacja fazowa | spójność (koherencja) |
| Jednakowa polaryzacja | Wektor E→ fali EM drgający w jednej płaszczyźnie | polaryzacja liniowa |
| Jednakowy kierunek ruchu | Wiązka równoległa, nierozbieżna | kolimacja |

\n

Tylko laser wytwarza wiązkę spełniającą wszystkie cztery warunki jednocześnie.

\n

Mechanizm fizyczny lasera:

\n
  1. Inwersja obsadzeń - więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w podstawowym (wymaga pompowania energią)
  2. Wymuszona emisja (Einstein, 1917) - padający foton o energii E=hf wyzwala emisję drugiego fotonu o identycznej energii, fazie, polaryzacji i kierunku
  3. Rezonator optyczny (dwa lustra) - fotony wielokrotnie przechodzą przez ośrodek aktywny, wzmacniając wiązkę
  4. Selekcja kierunku - rezonator przepuszcza tylko fotony poruszające się wzdłuż osi, pozostałe opuszczają ośrodek bez wzmocnienia
\n

Wynik: spójna, monochromatyczna, spolaryzowana, skolimowana wiązka - dokładnie to, co opisuje zadanie.

\n

Sposób 2 - Eliminacja pozostałych źródeł światła

\n

Porównanie źródeł emitujących światło:

\n

| Źródło | Monochromatyczne? | Spójne (koherentne)? | Spolaryzowane? | Skolimowane? |
| Żarówka (żarnik) | ❌ ciągłe widmo termiczne | ❌ emisja spontaniczna, losowe fazy | ❌ losowa polaryzacja | ❌ izotropowe |
| Lampa rtęciowa / sodowa | ✅ (linie widmowe) | ❌ losowe fazy, brak korelacji | ❌ | ❌ |
| Dioda LED | ✅ wąskie pasmo, ale nie pkt | ❌ emisja spontaniczna | ❌ | ❌ |
| Laser | ✅ bardzo wąska linia | ✅ emisja wymuszona → spójność | ✅ | ✅ |

\n

Żadne inne z typowych źródeł nie spełnia warunku jednakowej fazy - faza jest kluczowym wyróżnikiem lasera. Emisja spontaniczna (np. w żarówce) produkuje fotony o losowych fazach → brak koherencji.

\n

Sposób 3 - Rozumowanie przez definicję emisji wymuszonej Einsteina

\n

Z karty wzorów / fizyki kwantowej:

\n

Einstein (1917) wyróżnił trzy procesy:

\n\n
Efoton=hf=ΔEpoziomów atomowych
\n

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) opiera się właśnie na emisji wymuszonej - stąd bezpośrednio wynikają wszystkie cztery cechy wiązki opisane w zadaniu.

\n

Orientacyjny schemat punktowania (odtworzony przez AI - NIE oficjalny klucz CKE)

\n
📋 Orientacyjny schemat punktowania (nieoficjalny, odtworzony przez AI) (zadanie 17.2, max 1 pkt):
- 1 pkt - uczeń zaznaczył opcję z odpowiedzią „laser" (lub równoważną: urządzenie laserowe, laser gazowy/rubinowy itp.)
- 0 pkt - odpowiedź niepoprawna lub brak odpowiedzi
\n

Wzory z karty CKE

\n
📖 Karta wzorów CKE - sekcja FIZYKA (fizyka kwantowa):
- Energia fotonu: E=hf=hcλ, gdzie h=6,626×10−34 J·s
- Zasada zachowania energii dla emisji: ΔE=E2−E1=hf

W tym zadaniu wystarczy znajomość pojęcia emisji wymuszonej i właściwości lasera - wzory służą do uzasadnienia „jednakowej energii fotonów" (E=hf = const gdy f = const).
\n

Dlaczego inne odpowiedzi są błędne

\n

(Typowe opcje distraktory w zadaniach tego typu)

\n

| Wariant | Typowy błąd ucznia |
| Żarówka / lampa halogenowa | Mylenie „jasnego" z „spójnym" - jasność ≠ koherencja; żarówka emituje szerokie widmo termiczne, fotony o losowych fazach |
| Lampa rtęciowa (widmo liniowe) | Myślenie: „ma linie widmowe = monochromatyczna = jak laser" - błąd: monochromatyczność to konieczny, ale niewystarczający warunek; brakuje koherencji fazowej i polaryzacji |
| Świecące diody LED | Nowoczesne LED mają wąskie pasmo, ale emisja jest spontaniczna → losowe fazy → brak koherencji; LIDAR i diody laserowe to inna kategoria (LD, nie LED) |

\n

Typowe pułapki

\n
⚠️ Uwaga: Najczęstszy błąd - utożsamianie monochromatyczności z pełnym zestawem cech lasera. Lampa sodowa jest monochromatyczna, ale nie jest spójna → nie może być użyta do interferometrii ani holografii.
\n
⚠️ Uwaga: Słowo „faza" w treści zadania to sygnał alarmowy - jedynym źródłem kontrolującym fazę emitowanych fotonów jest emisja wymuszona w laserze.
\n
⚠️ Uwaga: Nie mylić lasera z maserem (mikrofale zamiast światła widzialnego) - zasada działania identyczna, ale zakres promieniowania różny. W kontekście „wiązki światła" zawsze chodzi o laser.
"}]}