Falą nazwiemy każde rozprzestrzeniające się w ośrodku lub przestrzeni zaburzenie, przenoszące energię z jednego miejsca do drugiego bez transportu materii. Cząsteczki ośrodka, w którym rozchodzą się fale mechaniczne, oscylują wokół położenia równowagi.
Podstawowe pojęcia związane z falami to przede wszystkim długość fali [λ], którą stanowi odległość między stale powtarzającym się fragmentem fali. λ wyrażana jest wzorem:
λ = v*T = v/f = 2Õ*v/w
gdzie:
v - prędkość fali
T - okres fali
f - częstotliwość fali
ω - częstość kołowa
Okresem fali nazywamy to odcinek czasu (wyrażony w sekundach) potrzebny na powtórzenie się wzoru oscylacji, czyli pomiędzy kolejnymi szczytami. Wyrażany jest wzorem:
T= λ/v = 1/f = 2Õ/w
gdzie:
λ - długość fali
v - prędkość rozchodzenia się fali,
f - częstotliwość
ω- częstość
Faza fali jest to wielkość mierząca przesunięcie fali. Jeżeli fale docierają do jakiegoś punktu odległego od źródła drgań o odległość d, opisane są wzorem:
y(t)= A*sin(w*t)
gdzie:
A - amplituda fali
ω- pulsacja
t- czas
Amplitudą mierzymy siłę oscylacji. W przypadku fal, jest to różnica wysokości między szczytem i doliną fali podzieloną przez dwa. Jeżeli miarą oscylacji jest y i są one sinusoidalne, to da się je określić funkcją:
y(t)= A*sin(w*t)
Jak wiadomo, światło jest strumieniem małych porcji energii, zwanych fotonami, które zachowują się jednocześnie jak fale i jak cząstki- dualizm korpuskularno- falowy. Stanowi to rodzaj fal elektromagnetycznych, które ulegają zjawiskom dyfrakcji, interferencji i polaryzacji. Zjawiska te zostaną przeanalizowane na przykładzie światła.
Dyfrakcją światła nazywamy odchylenie kierunku rozchodzenia się światła od pierwotnego kierunku (w momencie, gdy przechodzi ono przez szczeliny lub natrafia na przeszkody). Promienie świetlne, przechodzące przez wąską szczelinę, ulegają ugięciu się na boki co powoduje rozszerzenie się wiązki światła. Dyfrakcja zachodzi dla wszystkich rodzajów fal, przy czym szerokość szczeliny powinna mniej więcej odpowiadać długość fali. Jeżeli przepuścimy przez siatkę dyfrakcyjną białe światło, odbije się ono od siatki lub przejdzie przez nią uginając się przy tym oraz tworząc kilka rzędów widma. Jeżeli te ugięte promienie nałożą się na siebie (interferują), powstaną kolorowe pasma, podobnie jak w pryzmacie, ale w odwrotnej kolejności. Przykładem mogą być kolory widoczne na płycie kompaktowej. Jest to właśnie widmo dyfrakcyjne, które powstaje w wyniku odbicia światła od drobnych nacięć na powierzchni płyty.
Interferencja światła polega na dodawaniu dwóch promieni świetlnych. Podobnie jak w przypadku energii potencjalnej w ruchu falowym, energia elektryczna promienia świetlnego rośnie i maleje naprzemiennie. Gdy drgania w obu tych falach są zgodne mówimy, że są one w fazie. Wtedy mamy do czynienia z interferencją konstruktywną (następuje wtedy dodawanie energii). W przypadku, gdy fale są w przeciwfazie, energie odejmują się wzajemnie- interferencja destruktywna. Podobnie jak dyfrakcja, interferencja zachodzi dla wszystkich rodzajów fal. W przypadku fal świetlnych, zjawisko to powoduje powstawanie na przemian jasnych i ciemnych pasm, czego skutkiem mogą być kolory baniek mydlanych (dwa rozszczepione promienie interferują ze sobą tak, że niektóre kolory stają się jaśniejsze, a inne przygaszone).
Ciekawym zjawiskiem jest także efekt Dopplera, czyli zmiana częstotliwości oraz długości fali, jaką rejestruje obserwator poruszający się względem źródła fali (ruchome źródło światła). Podczas jednego okresu fali T0, źródło przebywa drogę:
s = v*T0,
gdzie:
s - droga
v - prędkość źródła względem obserwatora,
T0 - okres fali generowanej przez źródło.
Falą elektromagnetyczną nazywamy takie zaburzenia pola elektromagnetycznego, które może rozchodzić się w próżni lub w innym ośrodku materialnym. Wywołane jest przez zmianę rozkładu ładunków elektrycznych, a poruszając się osiąga prędkość światła. Wyróżniamy kilka klas tego rodzaju fal.
