Seznam některých pokusů, prováděných na přednáškách z předmětu Optika a atomistika

Transkript

1 Seznam některých pokusů, prováděných na přednáškách z předmětu Optika a atomistika Seznam bude průběžně doplňován U každého pokusu je uvedeno číslo přednášky, ve které s největší pravděpodobností pokus proběhne, nebo proběhl.

2 2a Odrazné hranoly Pomůcky: optická lavice, HeNe laser, odrazný hranol na otočném držáku Paprsek laseru dopadá na odrazný hranol, který je umístěn v rotujícím držáku. Je vidět, že malé pootočení hranolu nemá vliv na chod odraženého paprsku. Výška nastavení držáku by měla být taková, aby paprsek laseru částečně zasahoval na horní plochu držáčku. Potom je pokus lépe viditelný.

3 2b Polarizace odrazem Pomůcky: polarizovaný He-Ne laser, polarizátor, dvě skleněné destičky v otočných držácích Polarizovaný laser se v držáku natočí tak, aby lineární polarizice paprsku svírala uhel 45 se vertikálou. V tomto případě si můžeme paprsek představit jako superpozici dvou paprsků o paralelní a kolmé polarizaci stejné intenzity. Po odrazech na první i druhé destičce dojde k částečné polarizaci světla. Výsledný polarizační stav je detekován analyzátorem, který v dané poloze propustí na stínítko paprsek (nebo zabrání průchodu tohoto paprsku). K demonstraci je možné použít i dvě desky z černého skla.

4 2c Kruhová polarizace, čtvrtvlnová a půlvlnová destička Pomůcky: Optická lavice, polarizovaný He-Ne laser, 2 čtvrtvlnové destičky, polarizátor, stínítko Čtvrtvlnová destička, vyrobena pro danou vlnovou délku, mění lineárně polarizované světlo na kruhově polarizované a naopak. Polarizační filtr natočíme do zkřížené polohy tak, aby lineárně polarizované světlo z laseru neprocházelo na stínítko. Natočíme-li čtvrtvlnovou destičku tak, že její rychlá/pomalá osa je rovnoběžná s polarizací laseru, světlo nemůže projít polarizačním filtrem. Otáčením destičky dostáváme elipticky polarizované světlo, které už filtrem částečně prochází. Vložíme-li do paprsku ještě druhou čtvrtinovou destičku, můžeme ji otočit tak, že kompenzuje fázový rozdíl první destičky (rychlá osa první destičky je rovnoběžná s pomalou osou druhé destičky). Ve zkřížené poloze světlo neprochází. Pokud natočíme obě destičky tak, že obě rychlé osy jsou rovnoběžné, dostaneme půlvlnovou destičku. Světlo z ní bude lineárně polarizované se stočenou rovinou polarizace o úhel, rovný dvojnásobku úhlu, který svírá rychlá/pomalá osa s rovinou polarizace. Jev můžeme demonstrovat pomocí vzájemného natáčení destiček (identického pro obě) oproti natočenému polarizátoru.

5 3a Youngův experiment pro různé vlnové délky světla Pomůcky: modrá, zelená a červená LED dioda, výkonová alespoň cca 0,2 W, širokoúhlová, v držáčku nad sebou, obrazec se 3 různými dvojštěrbinami Světlo z LED diod je zastíněno tak, aby tvořilo pás s různými barvami, viz obrázek. Studenti dostanou kolovat obrazec se 3 různými dvojštěrbinami, koukají se postupně skrze ně na tento světelný zdroj. Kolem světelného zdroje vidí ještě další proužky, způsobené interferencí. Jejich vzdálenost roste s vlnovou délkou světla, největší je tedy pro světlo z červené LED. Pro bližší štěrbiny je vzdálenost proužků větší. Vzdálenost mezi proužky roste také se vzdáleností od zdroje.

6 3b Michelsonův interferometr Pomůcky: laserová dioda, malá optická deska, 2 zrcadla s držáčky, polopropustná dělící destička, čočka s f=5cm, stínítko, silná planparalelní skleněná destička s držákem, svíčka Paprsek z laserové diody dopadne na polopropustnou destičku a rozdělí se do dvou ramen. Po odraze na zrcátkách se zase spojí a část se šíří směrem ke stínítku, kde vytvoří výsledný interferenční obrazec. Ten je možné rozšířit spojnou čočkou s krátkou ohniskovou vzdáleností. Potom lze dobře pozorovat interferenční proužky. Pokud se podaří dobře nastavit zrcátka uvidíme soustředné kružnice. Pokud zakryjeme svazek v jednom rameni interferometru, tak interferenční obrazec zmizí. Vložíme planparalelní skleněnou destičku, pevně uchycenou. Při její malé rotaci se mění optická dráha paprsku v jedné větvi a proto se posouvají i interferenční proužky. Vložení tepelného zdroje do blízkosti paprsku způsobí změny indexu lomu a tím i chvění interferenčního obrazce. Interferometr také citlivě reaguje na chvění.

7 3c Fabry-Perotův interferometr Pomůcky: He-Ne laser, optická lavice, mikroskopový objektiv 10x, Fabry-Perotův interferometr Paprsek z He-Ne laseru je rozšířen mikroskopovým objektivem (10x) a dopadá na Fabry-Perotův interferometr. Mnohonásobné odrazy způsobí, že se na stínítku, asi 5 m za interferometrem objeví soustředné kružnice.

8 3d Newtonovy kroužky Pomůcky: optická lavice, přípravek na získání Newtonových kroužků, bílá LED dioda, 2 čočky f= 33 cm a f= 5 cm, stínítko Skleněná deska a plankonvexní čočka s velkým poloměrem křivosti jsou spojeny v kruhovém držáčku. Ve vzduchové mezeře mezi těmito plochami jsou pozorovatelné interferenční proužky, v ideálním případě soustředné barevné kružnice. Třemi šrouby je možné měnit přítlačnou sílu a tím i mezeru mezi skleněnými plochami. To se projeví deformací interferenčního obrazce. Pro sledování interference v bílém světle je vhodné umístit LED diodu tak, aby její svítící čip byl v ohnisku spojné čočky. Téměř rovnoběžné paprsky pak osvítí tyto desky, vytvoří Newtonovy kroužky. Ty se potom zobrazí čočkou s velkou ohniskovou vzdáleností na vzdálené stínítko.

9 4a Difrakce na štěrbině, kruhovém otvoru, na malé kuličce a dalších objektech Pomůcky: lavice, He- Ne laser, držák difrakčních objektů, difrakční objekty, stínítko Světlo z He-Ne laseru prochází různými obrazci, umístěnými v držáku, a po difrakci světla se pozoruje difrakční obraz na stínítku. K dispozici jsou štěrbina, dvojštěrbina, mřížka s 20 vrypy na 1 mm, tkanina s rozměry osnovy a útku kolem jedné desetiny mm, kruhové otvory s různými průměry, tmavé body v průhledném filmu. Pokud jsou difrakční struktury Fourierovým obrazem určitého elementu, např. nápisu, fotografie, objeví se elementy jako difrakční obrazce na stínítku (viz obrázek). Optickou difrakcí lze prakticky provést Fourierovu transformaci.

10 4 b Difrakční limita Pomůcky: lavice, LED dioda, deska s dvěmi 0.5 mm otvory, vzdálenými 1 mm od sebe, LED dioda clona, kamera Světlo z LED diody prochází dvěmi kruhovými otvory o průměru 0.5 mm, vzdálenými od sebe 1 mm. Zmenšujeme clonu 1. To omezí sférickou vady objektivu a obraz se začne zostřovat. Po zmenšení průměru clony asi na 2 mm už k dalšímu zaostřování nedochází. Úplnému zaostření zabrání difrakční limita. Rozlišovací schopnost objektivu charakterizuje schopnost odlišit 2 objekty, které jsou blízko sebe. Rozlišení je ovlivněno dvěmi fyzikálními příčinami: vadami zobrazení a difrakcí světla. Pokud jsou dva bodové objekty blízko sebe, jejich obrazy se překryjí. Pozn: deska s otvory musí být od kamery vzdálena 2-3 metry.

11 5 Transmisní a reflexní hologram Pomůcky: He-Ne laser, optická lavice, mikroskopový objektiv 40x s držákem transmisní a reflexní hologram Paprsek He-Ne laseru je rozšířen mikroskopovým objektivem 40x, takže tvoří asi 30 kužel. To umožní sledovat hologram v zatemnělé místnosti lidmi bez nebezpečí porušení zraku. Pokus je vhodný pro menší skupinky lidí, či ho lze zařadit na závěr přednášky, kvůli zatemňování. Reflexní hologram je osvětlen světlem z bílé LED diody. Naklání se různými směry a tím je pomocí vizualizéru promítán jeho obraz jakoby z různých úhlů pohledu.

12 6 Dvojlomný krystal Pomůcky: krystal kalcitu, polarizátor, rotační držák, polarizátor v rotačním držáku V materiálech, jako je například kalcit, se šíří světlo různých polarizací různými rychlostmi. To vede i ke směrovému rozdělení papsrků různých polarizací, nastává dvojlom a jsou vidět dva paprsky či obrazy. Při rotaci krystalu jeden paprsek (řádný) zůstává na místě, druhý (mimořádný) rotuje. Oba paprsky mají vzájemně kolmé polarizacemi jak se můžeme přesvědčit polarizačním filtrem. Jev je nejlepší promítat pomocí zpětného projektoru nebo vizualizátoru.

13 6 Rozptyl světla Pomůcky: Plexisklová nádržka 10x10x 50 cm 3, Bílá LED dioda, thiosíran sodný, kyselina sírová, čočka f=5 cm, polarizační fólie, stínítko Rayligtův rozptyl na vysrážených částicích síry simuluje modrou barvu oblohy a červený západ slunce. Bílá LED dioda je umístěna tak, že její svítící čip je v ohnisku spojné čočky. Tím se získají téměř rovnoběžné paprsky, které procházejí nádobou s roztokem thiosíranu sodného na stínítko. Asi 75 gramů thiosíranu sodného se rozpustí na začátku přednášky. 10 ml koncentrované kyseliny sírové se přidá do 200 ml vody a tato kyselina se nalije do roztoku na začátku pokusu. Reakce vede k vysrážení částic síry, které rozptylují převážně modré světlo, takže rozptýlené paprsky asi po 3 minutách budou modré. Toto modré světlo je polarizované, jak se můžeme přesvědčit pomocí otáčení polarizační fólie. Propuštěné světlo se bude zbarvovat od žluté, přes oranžovou po červenou. Celá reakce proběhne během 5 minut.

14 7 Vedení paprsku v prostředí s gradientem indexu lomu Pomůcky: Plexisklová nádržka 10x10x 50 cm 3, červený 5 mw laser, držák laseru, asi 0.5 kg cukru Krystal Přibližně 1 cm tlustá vrstva krystalického cukru se nasype na dno plexisklové nádrže. Pozvolna a opatrně se přidává voda tak, aby se téměř neporušila vrstva cukru. Celková výška hladiny by měla být asi 6-7 cm. Potom je nutné nechat nádobku ustát po dobu asi dvou dní. Cukr se mezi tím pomalu rozpouští za vzniku gradientu koncentrace cukru a tím i gradientu indexu lomu roztoku. Laser (nejlépe zelené či červené 5mW laserové ukazovátko) se přiloží ke spodní části nádoby. Pokud na dně už není rozpuštěný cukr, dochází k odrazu ode dna a k pozvolné změně směru šíření paprsku směrem k povrchu roztoku. Při nastavení správného úhlu vstupu paprsku do nádržky je možné vidět několikanásobný odraz. Světlo laseru je vedeno obdobně jako v optických vláknech s gradientem indexu lomu.

15 8a Optická soustava Keplerova dalekohledu Pomůcky: optická lavice, objektiv f= 33cm, okulár f= 5cm, kamera, předmět (písmeno A) prosvícený LED diodou Hvězdářský dalekohled je používaný na zobrazování vzdálených předmětů. Jednoduchý čočkový dalekohled se skládá ze dvou spojek. První z nich, objektiv, má dlouhou ohniskovou vzdálenost. Zobrazuje vzdálený objekt do své ohniskové roviny. Předmět se umístí do větší vzdálenosti 5-10 m od optické lavice. Objektiv vytvoří skutečný obraz, který je možno vidět na vloženém stínítku. Na optické lavici je možno odečíst polohy čoček a tím i jejich ohniskovou vzdálenost. Kamera (vhodné pro promítání ve velké posluchárně) obraz přenese na monitor počítače, a následně na dataprojektor.

16 8b Optická soustava Galileova dalekohledu Pomůcky: optická lavice, objektiv f= 33cm, okulár f= -15cm, kamera, předmět (písmeno A) prosvícený LED diodou Holandský (Galileův) dalekohled. liší se od Keplerova dalekohledu tím, že jako okuláru použito rozptylky. Obraz pozorovaný Galileovým dalekohledem je přímý, dalekohled je kratší, nežli Keplerův. Předmět (viz obrázek) se umístí do větší vzdálenosti 5-10 m od optické lavice. Objektiv vytvoří skutečný obraz, který by bylo možno vidět na vloženém stínítku. Na optické lavici je možno odečíst polohy čoček a tím i jejich ohniskovou vzdálenost. Kamera (vhodné pro promítání ve velké posluchárně) obraz přenese na monitor počítače, a následně na dataprojektor.

17 8c Optická soustava mikroskopu Pomůcky: optická lavice, objektiv f= 12 cm, okulár f= 5 cm, kamera, předmět (písmeno A) prosvícený LED diodou Předmět se umístí blízko ohniska objektivu tak, aby vytvořil zvětšený skutečný obraz, který je možné vidět na vloženém stínítku. Na optické lavici je možno odečíst polohy čoček a určit i optický interval. Kamera (vhodné pro promítání ve velké posluchárně) obraz přenese na monitor počítače, a následně na dataprojektor.

18 8d Vady čoček Pomůcky: optická lavice, LED dioda, průsvitná čtvercová maska čočka f= 5 cm, průměr 45 mm, stínítko Jednoduché čočky nezobrazují předmět ideálně. Proto bývá obraz zkreslen. Pro čočky, které jsou tlusté či mají malý poloměr křivosti je typické soudkové zkreslení. Pro příliš tenké s velkým poloměrem křivosti je typické poduškovité zkreslení. Pro jednoduché čočky lze změnou vzdálenosti masky a čočky změnit soudkové na poduškovité zkreslení.

19 9 Purkyněho jev Pomůcky: dataprojektor, promítající obraz červeného a modrého kruhu, nastavitelné clona Obraz červeného a modrého kruhu na černém pozadí je promítán dataprojektorem. Vnímaná intenzita světla z obou kruhů je přibližně stejná. Přiložením clony co možná nejblíže k objektivu dataprojektoru a jejím zavíráním lze měnit celkovou intenzitu. Při malé intenzitě je patrný pouze modrý kruh, který je vnímán tyčinakmi. Červený kruh vymizí.

20 10 Demonstrace a studium fotoelektrického jevu Pomůcky: komerční fotočlánek, elektromotorek, zdroje světla halogenová žárovka a barevné výkonové LED diody Fotony, emitované zdroji světla, mohou uvolnit elektrony uvnitř polovodiče. Elektrony jsou dodanou energií excitovány z valenčního do vodivostního pásu, čímž dojde ke zvýšení vodivosti materiálu, nebo přímo ke vzniku elektromotorické napětí. Takto přeměněná energie může například roztočit malý elektromotorek. Účinnost závisí nejenom na intenzitě, i ale na vlnové délce -energii fotonů. Je různá pro červenou, zelenou a modrou LED diodu.