Upload
others
View
7
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1. Optika IPopis stavebnice: Soubor experimentů Optika I je prováděn s použitím stavebnic dodávaných na
školy v 70.letech, z nichž mnohé slouží na školách dodnes. Jedna sestava je rozsáhlejší a je určena pro demonstrace vyučujícím (Učitelská souprava pro soubor experimentů Optika I. Stručný popis soupravy v [7]). Další, jednodušší a snadno přenosná, je uložená v dřevěném kufříku a slouží na frontální či laboratorní práce žáků (Žákovská souprava pro soubor experimentů Optika II). Před započetím práce se stavebnicí je nutné se dobře seznámit s uložením jednotlivých součástí, které mají své určené místo.
Jaké fyzikální jevy demonstrujeme?
1.1. Odraz světla na rovinném zrcadle [4] O 4; [6] S 3; [9] O 1, O 6; [10] O 8.
1.2. Změna chodu paprsků pomocí rovinných zrcadel [4] O 19; [6] S 4.
1.3. Ohnisko dutého a vypuklého zrcadla [4] O 26; [6] S 5; [9] O 2; [10] O 10.
1.4. Zobrazení dutým zrcadlem [4] O 27; [6] S 6; [10] O 15.
1.5. Zákon lomu [4] O 6, O 7; [6] S 9; [9] O 3; [10] O17.
1.6. Úplný odraz, mezní úhel [4] O 10; [6] S 9; [9] O 3; [10] O 18.
1.7. Lom světla při přechodu ze vzduchu do vody [4] O 9; [6] S 8; [9] O 8.
1.8. Úplný odraz v hranolech; odrazné hranoly [4] O 13; [6] S 10; [9] O 7; [10] O 20.
1.9. Rozklad světla hranolem [4] O 8, O 64; [6] S 27; [9] O 9;[10] O 26.
1.10. Zobrazení spojnou čočkou, čočková rovnice [4] O 32; [6] S 12; [10] O 30.
1.11. Krátkozraké oko [4] O 39; [6] S 16; [9] O 5; [10] O 34.
1.12. Dalekozraké oko; [4] O 39; [6] S 16; [9] O 5; [10] O 34.
Základní literatura:[11] Daberger, J.: Pokusy s demonstrační soupravou pro optiku na základní devítileté ško
le a školách II. cyklu - Příručka k soupravě. Praha, Učební pomůcky Národní podnik 1967. 1. vydání
Poznámka: Stejné nebo obdobné demonstrace jsou uvedeny v závorkách za jednotlivými fyzikálními jevy a odpovídají seznamu literatury.
1.1. Odraz světla na rovinném zrcadle
Zrcadlo je jedno ze základních optických zařízení využívající zákona odrazu světelných paprsků. U rovinného zrcadla můžeme demonstrovat také přímočarost šíření světla a princip záměnnosti paprsků.
Co všechno potřebujeme? Lampu, prodlužovací objímku, optickou lavici (tyto součásti jsou základními prvky i v dalších experi
mentech a proto nebudou dále uváděny), čočky f = 15 cm, f = 30 cm, jezdec, držák čoček s rámečkem, dvoubarevný filtr, držák clon, clonu se třemi štěrbinami, stínítko, model rovinného zrcadla.
- 6 -
Jak na to?
1.1. Odraz světla na rovinném zrcadle
Model rovinného zrcadla přichytíme pomocí magnetického segmentu na stínítko, které mírně natočíme kolem svislé osy. Pomocí lampy a clony se třemi štěrbinami získáme tři rovnoběžné paprsky světla, které necháme dopadat na rovinné zrcadlo pod různými úhly. Experiment demonstruje přímočaré šíření světla dopadajících i odražených paprsků, které jsou však stranově převrácené. Pro názornost je vhodné pomocí barevného filtru jednotlivé paprsky odlišit.
Pokud odstraníme obě čočky, získáme svazek rozbíhavých paprsků, které budou po odrazu rovněž rozbíhavé a stranově převrácené.
1.2. Změna chodu paprsků pomocí rovinných zrcadel
Rovinná zrcadla a jejich kombinace jsou využívána v praxi pro změnu chodu světelných paprsků u řady přístrojů, například u periskopu, episkopu, projektoru, atd.
Co všechno potřebujeme? Čočku f = 15 cm, jezdec, držák čoček s rámečkem, dvoubarevný filtr, držák clon, clonu se třemi
štěrbinami, stínítko, dva modely rovinného zrcadla.
Jak na to?Stejně jako v předcházejícím případě vytvoříme svazek tří rovnoběžných paprsků, které necháme
dopadat na dvě zrcadla uspořádaných v následujících polohách:
a) Zrcadla jsou vzájemně rovnoběžná a úhel dopadu paprsků je 45° - dvojím odrazem získáme původní pořadí paprsků (princip periskopu).
1.2. Změna chodu paprsků dvěma rovnoběžnými zrcadly
- 7 -
b) Zrcadla jsou vzájemně k sobě kolmá a úhel dopadu paprsků je 45° - chod světelných paprsků změníme o 180° a opět získáme dvojím odrazem původní pořadí paprsků.
1.3. Změna chodu paprsků dvěma navzájem kolmými zrcadly
c) Zrcadla spolu svírají úhel 45° a úhel dopadu paprsků je 45° - chod světelných paprsků změníme o 90° a dvojím odrazem získáme původní pořadí paprsků.
1.4. Změna chodu paprsků dvěma zrcadly svírající 45°
1.3. Ohnisko dutého a vypuklého zrcadla
Také princip kulového zrcadla vychází z platnosti zákona odrazu. Kulové zrcadlo je částí kulové plochy. Dochází-li k odrazu světelných paprsků na její vnitřní stěně, označujeme zrcadlo jako duté. Při odrazu světla na vnější straně této plochy se jedná o vypuklé zrcadlo.
1.5. Ohnisko dutého zrcadla
- 8 -
Co všechno potřebujeme? Jezdec, držák čoček s rámečkem, držák clon, clonu se třemi (pěti) štěrbinami, jezdec, stínítko, za
řízení k modelu zrcadla proměnné křivosti, pružné zrcadlo, terčík „F“.
Jak na to?Tři (pět) rovnoběžných paprsků necháme dopadat na duté zrcadlo tak, aby prostřední paprsek
splýval s optickou osou zrcadla.
a) U dutého zrcadla - po odrazu paprsků získáme sbíhavé paprsky (kromě paprsku splývajícího s osou), které se protínají v jediném bodě - ohnisku. U dutého zrcadla je to ohnisko skutečné.
b) U vypuklého zrcadla - získáváme paprsky rozbíhavé, po jejichž prodloužení za zrcadlo získáme průsečík těchto paprsků a tedy i ohnisko, které není skutečné, označujeme ho jako zdánlivé.
Poznámka: K označení význačných bodů zobrazování slouží magnetické terčíky (F, F´, S), které umisťujeme na kovové stínítko.
1.5. Zákon lomu
Při průchodu světla na rozhraní dvou odlišných optických prostředí světlo změní svůj původní směr, dochází k jeho lomu - disperzi. Chování světla závisí na skutečnosti, zda světlo přechází z prostředí opticky řidšího do opticky hustšího či naopak. V prvém případě nastává lom světla ke kolmici, ve druhém případě k lomu od kolmice. Lomený paprsek přitom zůstává ležet v rovině dopadu. Chování světelných paprsků na rozhraní dvou různých optických prostředí popisuje zákon lomu (Snellův zákon):
1
2
sinsin
nn=
βα
Co všechno potřebujeme? Krátkou optickou lavici, čočku f = 10 cm, držák clon, clonu s jednou štěrbinou (orientovanou vodo
rovně), držák optické desky, optickou desku, model kruhového půlválce.
Jak na to?
a) Lom světla ke kolmici
Jediný paprsek necháme dopadat na rovnou plochu polokruhové skleněné (plexisklové) desky fixované pomocí magnetu na úhloměrném kotouči. Světelný paprsek se v důsledku přechodu z prostředí opticky řidšího (vzduch n1 ≅ 1) do prostředí opticky hustšího v tomto prostředí láme a to ke kolmici.
1.6. Lom světla ke kolmici
- 9 -
b) Lom světla od kolmice
Při obrácení polokruhové desky tak, že světelný paprsek dopadá nejprve na její oblou část, pozorujeme oblast přechodu světelného paprsku ze skla do vzduchu, kde nastává jev opačný, lom od kolmice, neboť v tomto případě procházejí světelné paprsky z prostředí opticky hustšího do prostředí opticky řidšího.
Oba experimenty můžeme demonstrovat kvalitativně i kvantitativně odečtením hodnot úhlů na úhloměrném kotouči a následným tabelárním zpracováním k ověřením platnosti zákona.
1.7. Lom světla od kolmice
Číslo měřeníαdopaduÚhel
1.8. Tabulka hodnot - zákon lomu
Poznámka: Experimentem lze rovněž ukázat přímočaré šíření paprsků při kolmém dopadu na půlkruhovou desku a také skutečnost, že i při lomu světla dochází současně k jeho částečnému odrazu.
1.6. Úplný odraz, mezní úhel
V návaznosti na předešlý experiment lze ukázat, že jestliže necháme dopadat světelný paprsek v půlkruhové desce postupně stále pod větším úhlem dopadu, nastane situace, kdy lomený paprsek probíhá souběžně s rozhraním skla a vzduchu. Světlo již půlkruhovou deskou neprochází, dochází k jeho úplnému (totálnímu) odrazu. Příslušný úhel dopadu světelného paprsku, kdy tato situace nastává, se nazývá mezní úhel. Při dalším zvětšování úhlu dopadu se světelný paprsek pouze odráží.
Co všechno potřebujeme? Viz předcházející pokus
Jak na to?Ponecháme celou sestavu jako u předcházejícího pokusu, pouze dále zvětšujeme úhel dopadu
světelného paprsku uvnitř půlkruhové desky. Mezní úhel pro rozhraní sklo - vzduch je přibližně 41°, plexisklo - vzduch 42°.
- 10 -
βlomuÚhel
αsin βsinβα
sinsin
1.9. Úplný odraz, mezní úhel
1.7. Lom světla při přechodu ze vzduchu do vody
Při průchodu světelného paprsku ze vzduchu do vody se jedná opět o situaci, kdy světlo prochází z prostředí opticky řidšího do prostředí opticky hustšího a ve vodě tedy nastává lom ke kolmici, což v má v praxi celou řadu důsledků.
Co všechno potřebujeme? Čočku f = 15 cm, držák clon, clonu s jednou štěrbinou (orientovanou vodorovně), dva jezdce,
stolek, kyvetu s vodou, sklápěcí držák zrcadla (8 x 10 cm), pomocné stínítko.
Jak na to?Světelný paprsek necháme z lampy nejprve dopadnout na vhodně nakloněné zrcadlo, od něhož se
šíří směrem k vodní hladině v kyvetě. Zde se paprsek odchyluje od původně přímočarého směru a na rozhraní dvou různých optických prostředí (vzduch, voda), se láme ke kolmici.
1.10. Lom světla ve vodě
- 11 -
1.8. Úplný odraz v hranolech; odrazné hranoly
Úplný odraz světla nastává také u skleněných hranolů. Hranol má nejčastěji tvar pravoúhlého rovnoramenného trojúhelníku. Světelné paprsky necháme dopadat na hranol v různých směrech a pozorujeme chod paprsků hranolem a jejich charakter po průchodu.
Co všechno potřebujeme? Čočku f = 15 cm, 2 ks jezdců, držák čoček s rámečkem, stínící desku, držák clon, clonu se třemi
štěrbinami, stínítko, model pravoúhlého hranolu, dvoubarevný filtr.
Jak na to?Pomocí příslušenství získáme tři rovnoběžné paprsky, které pro větší názornost odlišíme dvouba
revným filtrem.
a) Po dopadu kolmo na jednu z odvěsen se světelné paprsky v hranolu šíří přímočaře až k jeho přeponě, kde dochází k totálnímu odrazu. Vzhledem k parametrům hranolu je svazek paprsků na výstupu odchýlen od původního směru o 90°, zůstávají rovnoběžné, ale jsou stranově převrácené.
1.11. Úplný odraz v hranolu
b) Necháme-li dopadat paprsky světla kolmo na přeponu hranolu, po průchodu mají na výstupuopačný směr oproti původnímu a vzhledem k dvojnásobnému odrazu uvnitř hranolu jsou paprsky v původní pořadí.
1.12. Úplný odraz v hranolu
- 12 -
c) Umístíme-li hranol tak, že podstavu bude tvořit jeho přepona a necháme-li dva ze tří paprsků dopadat na jednu z odvěsen, vycházející paprsky po průchodu hranolem mají původní směr, ale stranově jsou převrácené.
Úplného odrazu světla v hranolech se využívá u celé řady optických přístrojů a slouží především ke změně chodu směru paprsků.
1.13. Úplný odraz v hranolu
1.9. Rozklad světla hranolem
Podstatou rozkladu světla hranolem je skutečnost, že světla různých barev mají různé úhly lomu v tomtéž optickém prostředí. Průchodem světla optickým hranolem dochází k vícenásobné disperzi a bílé světlo je rozkládáno do barevného spektra. Nejvíce se láme světlo fialové, nejméně světlo červené.
Co všechno potřebujeme? Prodlouženou optickou lavici, stojánek optické lavice, čočku f = 6 cm, čočku f = 15 cm, dva jezd
ce, držák čoček, stolek, úhloměrný kotouč, spojovací můstek, stínítko, hranol z flintového skla.
Jak na to?Optické lavice vzájemně pootočíme přibližně o úhel 30°. Zdroj světla a hranol jsou na opačných
koncích kratší optické lavice, stínítko umístíme na konec delší lavice téměř rovnoběžně s kratší částí. Po osvětlení lámavé stěny hranolu ze svisle umístěné štěrbiny se na stínítku objeví barevné spektrum.
1.14. Rozklad světla hranolem
1.15. Způsob vedení paprsku pro zobrazení světelného spektra
- 13 -
1.10. Zobrazení spojnou čočkou; čočková rovnice
Čočky jsou optické prvky u nichž je podobně jako u hranolů využívána schopnost lámat světlo. Na rozdíl od hranolů procházející světelné paprsky soustřeďuje - spojky nebo rozptyluje - rozptylky.
Obraz získaný čočkou se řídí zobrazovací rovnicí:
faa1
´11 =+
Co všechno potřebujeme? Prodlouženou optickou lavici, 2 ks jezdců, čočku f = 6 cm, f = 15 cm, držák clon, matnici
5 x 5 cm, clonu se štěrbinou „1“, držák čoček, držák desek, pomocné stínítko, terčíky „F“, „F´“, „a“, „a´“, stínítko.
Jak na to?Předmět představuje clona s vyříznutou číslicí „1“, která je nasazena přímo na lampě a její vzdá
lenost od čočky představuje předmětovou vzdálenost „a“. Pomocí posuvného stínítka můžeme určit ohnisko a tím i ohniskovou vzdálenost příslušné čočky. Dalším posunutím stínítka zachytíme ostrý obraz předmětu. Pak vzdálenost stínítka od čočky je jeho obrazovou vzdálenost „a´“. Naměřením několika hodnot lze ověřit platnost zobrazovací rovnice, případně určit či ověřit ohniskovou vzdálenost čočky a její zvětšení.
Experiment poskytuje celou řadu dalších možností, při nichž se měníme vzdálenost čočky od předmětu a postupně demonstrujeme možné parametry obrazu.
1.16. Zobrazení spojnou čočkou
Návrh tabulky:
Předmět Obraz
Velikosty [cm]
Vzdálenost od čočky
a [cm]
Vzdálenostod čočkya´ [cm]
Vzpřímenýobrácený
Zvětšenýzmenšený
Skutečnýzdánlivý
1.17. Tabulka – hodnoty a parametry obrazu
- 14 -
1.11. Krátkozraké oko
Vlivem snížené akomodace oka vznikají vady oka. Krátkozrakost je oční vada, kdy se obraz předmětu nevytvoří na oční sítnici nýbrž před ní. Důsledkem toho krátkozraký člověk vidí vzdálené předměty neostře. Vada se dá kompenzovat vložením rozptylky mezi oko a předmět.
Co všechno potřebujeme? Krátkou optickou lavici, držák desek, matnici 8 x 10 cm, matnici 5 x 5 cm, jezdec, držák čoček, čoč
ku f = 15 cm; f = 15 cm; f = - 20 cm, držák clon, clonu se štěrbinou „1“.
Jak na to? U krátkozrakého oka je lámavost oční čočky příliš velká. Proto se obraz předmětů zobrazuje před
sítnicí. Nejprve sestavíme model zdravého oka. Předmět v podobě matnice (5 x 5 cm) a clony se štěrbi
nou „1“ umístěných přímo na lampě necháme dopadat přes čočku f = 15 cm. Na sítnici oka, kterou v modelové situaci představuje matnice (8 x 10 cm), najdeme ostrý obraz předmětu. Obraz je zmenšený a převrácený. Vadu krátkozrakého oka simulujeme nahrazením čočky f = 15 cm čočkou o větší lámavosti f = 10 cm. Neostrý obraz odstraníme zařazením rozptylky f = - 20 cm před oční čočku.
1.18. Model krátkozrakého oka
1.12. Dalekozraké oko
Dalekozrakost je oční vada, kdy se obraz předmětu nevytvoří na oční sítnici, nýbrž za ní. Důsledkem toho dalekozraký člověk vidí blízké předměty neostře. Vada se dá kompenzovat vložením spojky mezi oko a předmět.
Co všechno potřebujeme?Vše jako u předcházející demonstrace, navíc čočku f = 30 cm.
Jak na to?Obdobné sestavení jako u předcházejícího experimentu. Dalekozraké oko znázorníme tím, že
matnici posuneme asi o 7 cm směrem k oční čočce. Opět dostáváme na matnici neostrý obraz. Vadu odstraníme zařazením spojky před oční čočku, která lámavost soustavy zvýší a na sítnici obdržíme ostrý obraz.
- 15 -