Zpracoval: PaedDr. Václav Heller Přírodovědecká fakulta UJEP v Ústí nad Labem 2005
- 2 -
OBSAH Obsah... 3 Úvod... 4 1. Optika I... 6 2. Optika II... 16 3. Optika III... 25 4. Výboje v plynech... 37 5. Studium vlastností vlnění na vodní hladině... 43 6. Demonstrace makromodelů látek ve fyzice pomocí vzduchového stolu... 51 7. Pokusy se zpětným projektorem... 63 8. Aerodynamický tunel; Fyzikální pokusy s improvizovanými prostředky... 70 9. Demonstrace setrvačných sil; Brownův pohyb... 78 10. Pouţitá literatura... 86-3 -
Úvod Experiment má ve fyzice své nezastupitelné místo. V procesu výuky fyziky na různých typech škol tuto funkci zaujímají demonstrační pokusy. Ty by měly tvořit nedílnou součást výuky organicky spojené s daným výkladem učební látky. Demonstrační pokus se tak stává důleţitým zdrojem poznání pro ţáky. Proto obsahu a metodice jejich provádění by měl vyučující věnovat mimořádně velkou pozornost. Ve studijním programu přípravy budoucích učitelů fyziky zaujímají praktika školních pokusů významné místo. Cílem praktik školních pokusů je: a) seznámení s pomůckami určených k jednotlivým experimentům, s demonstračními soupravami dodávanými školám a obeznámení s měřícími přístroji uţívaných na školách, b) spojení teoretických poznatků z odborné fyziky a didaktiky fyziky, c) metodicky a technicky zvládnout realizaci demonstrací formou samostatného výstupu, d) osvojení si řady zásad techniky při provádění experimentů na praktických příkladech, e) moţnosti vedení záznamů a evidence demonstračních experimentů pomocí protokolu, záznamové karty nebo počítačového programu. Praktika školních pokusů probíhají ve čtyřech cyklech (A, B, C, D) tvořící určitý, nikoliv vyčerpávající, průřez demonstračními experimenty z různých tématických celků fyziky. Obsah jednotlivých cyklů není neměnný, je průběţně doplňován, obměňován a přizpůsobován rozvoji didaktické techniky a nabídkám nových učebních pomůcek. Trochu teorie Úvodem si připomeňme některé teoretické aspekty a praktické zásady při vlastní demonstraci, která by měla být jednou ze základních vyučovacích metod výuky fyziky. Ve fyzikální vědě jsou experimenty uskutečňovány za účelem hledání a nalézání dosud neznámých fyzikálních zákonitostí a vztahů. Ve školní praxi provádíme nejčastěji experimenty ověřovací, při nichţ z hlediska vyučujícího je dokazována a ověřována platnost jiţ vysloveného zákona. Ve vyučovacím procesu, při němţ vyučující předává ţákům poznatky vědě jiţ známé, mívají experimenty pro ţáky často charakter heuristický, tedy objevný. Tuto skutečnost pak můţe učitel vyuţít jako motivujícího činitele při výuce. Fyzikální experimenty lze dělit z různých hledisek. Uveďme jedno z mnohých, jak je například uvedeno v 10 : 1. demonstrační pokusy učitele, 2. frontální pokusy ţáků, 3. laboratorní práce ţáků, 4. fyzikální praktikum, 5. mimoškolní pokusné práce ţáků. Demonstrační experiment lze ve vyučování zařadit hned do několika etap vyučovací hodiny: - do etapy výkladu nového učiva, - do etapy prohlubování a opakování učiva, - zřídka je experiment jako součást kontroly vědomostí ţáků. Pro demonstraci experimentů je nutné si osvojit techniku jejich provádění a dodrţovat obecně metodické zásady: fyzikální experiment není cílem, ale prostředkem předávání vědomostí učitele ţákům, demonstrační experiment by měl být průkazný, jasný, přesvědčivý, názorný a ze všech míst ve třídě viditelný, sloţitější demonstrace je vhodné rozčlenit na dílčí sloţky, z nichţ je nutné kaţdou z nich řádně ţákům osvětlit, - 4 -
na úvod demonstrace je nutné oznámit ţákům cíl pokusu, případně zaměřit jejich pozornost konkrétním směrem, při provádění experimentu je vhodné popsat pouţité přístroje a objasnit jejich funkci, pokud je to potřebné, objasnit a doplnit experiment nákresem nebo jinými grafickými prostředky, pokud to bezpečnost ţáků ţádným způsobem neohrozí, je vhodné přiměřeně zapojit do demonstračního experimentu ţáky, vyučující by si měl vţdy ověřit, zda ţáci pochopili podstatu a výsledek experimentu, vyučující by měl s ţáky vţdy provést vyhodnocení experimentu, je bezpodmínečně nutné, aby vyučující si experiment připravil a vyzkoušel. Přehled okruhů demonstračních experimentů - praktika A 1. Optika I 2. Optika II 3. Optika III 4. Výboje v plynech 5. Demonstrace vlastností vlnění 6. Demonstrace makromodelů látek ve fyzice pomocí vzduchového stolu 7. Pokusy se zpětným projektorem 8. Aerodynamický tunel; Fyzikální pokusy s improvizovanými prostředky 9. Demonstrace setrvačných sil; Brownův pohyb V následujících popisech jednotlivých experimentů je uvedena základní fyzikální podstata příslušného jevu a sestavení daného demonstračního experimentu. Podrobnější popis a obměny lze nalézt v příslušné literatuře. - 5 -
1. Optika I Popis stavebnice: Soubor experimentů Optika I je prováděn s pouţitím stavebnic dodávaných na školy v 70.letech, z nichţ mnohé slouţí 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 uloţená v dřevěném kufříku a slouţí na frontální či laboratorní práce ţáků (Ţákovská souprava pro soubor experimentů Optika II). Před započetím práce se stavebnicí je nutné se dobře seznámit s uloţením 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 škole 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 vyuţívající zákona odrazu světelných paprsků. U rovinného zrcadla můţeme demonstrovat také přímočarost šíření světla a princip záměnnosti paprsků. Lampu, prodluţovací objímku, optickou lavici (tyto součásti jsou základními prvky i v dalších experimentech a proto nebudou dále uváděny), čočky f = 15 cm, f = 30 cm, jezdec, drţák čoček s rámečkem, dvoubarevný filtr, drţák clon, clonu se třemi štěrbinami, stínítko, model rovinného zrcadla. - 6 -
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 rovnoběţné paprsky světla, které necháme dopadat na rovinné zrcadlo pod různými úhly. Experiment demonstruje přímočaré šíření světla dopadajících i odraţených 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 rovněţ rozbíhavé a stranově převrácené. 1.2. Změna chodu paprsků pomocí rovinných zrcadel Rovinná zrcadla a jejich kombinace jsou vyuţívána v praxi pro změnu chodu světelných paprsků u řady přístrojů, například u periskopu, episkopu, projektoru, atd. Čočku f = 15 cm, jezdec, drţák čoček s rámečkem, dvoubarevný filtr, drţák clon, clonu se třemi štěrbinami, stínítko, dva modely rovinného zrcadla. Stejně jako v předcházejícím případě vytvoříme svazek tří rovnoběţných 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). 5.5. Změna chodu paprsků dvěma rovnoběţnými 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. Ohnisko dutého zrcadla - 8 -
Jezdec, drţák čoček s rámečkem, drţák clon, clonu se třemi (pěti) štěrbinami, jezdec, stínítko, zařízení k modelu zrcadla proměnné křivosti, pruţné zrcadlo, terčík F. Tři (pět) rovnoběţných 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 jejichţ prodlouţení za zrcadlo získáme průsečík těchto paprsků a tedy i ohnisko, které není skutečné, označujeme ho jako zdánlivé. Poznámka: K označení význačných bodů zobrazování slouţí 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 leţet v rovině dopadu. Chování světelných paprsků na rozhraní dvou různých optických prostředí popisuje zákon lomu (Snellův zákon): sin sin Krátkou optickou lavici, čočku f = 10 cm, drţák clon, clonu s jednou štěrbinou (orientovanou vodorovně), drţák optické desky, optickou desku, model kruhového půlválce. n2 n 1 a) Lom světla ke kolmici 1.6. 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 n 1 1) do prostředí opticky hustšího v tomto prostředí láme a to ke kolmici. - 9 -
b) Lom světla od kolmice Při obrácení polokruhové desky tak, ţe 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 můţeme 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 měření Úhel dopad Úhel lomu sin sin sin sin 1.8. Tabulka hodnot - zákon lomu Poznámka: Experimentem lze rovněţ ukázat přímočaré šíření paprsků při kolmém dopadu na půlkruhovou desku a také skutečnost, ţe i při lomu světla dochází současně k jeho částečnému odrazu. 1.6. Úplný odraz, mezní úhel V návaznosti na předešlý experiment lze ukázat, ţe jestliţe necháme dopadat světelný paprsek v půlkruhové desce postupně stále pod větším úhlem dopadu, nastane situace, kdy lomený paprsek probíhá souběţně s rozhraním skla a vzduchu. Světlo jiţ 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 odráţí. Viz předcházející pokus Ponecháme celou sestavu jako u předcházejícího pokusu, pouze dále zvětšujeme úhel dopadu světelného paprsku uvnitř půlkruhové desky. Mezní úhel pro rozhraní sklo - vzduch je přibliţně 41, plexisklo - vzduch 42. - 10 -
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, coţ v má v praxi celou řadu důsledků. Čočku f = 15 cm, drţák clon, clonu s jednou štěrbinou (orientovanou vodorovně), dva jezdce, stolek, kyvetu s vodou, sklápěcí drţák zrcadla (8 x 10 cm), pomocné stínítko. Světelný paprsek necháme z lampy nejprve dopadnout na vhodně nakloněné zrcadlo, od něhoţ 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. Čočku f = 15 cm, 2 ks jezdců, drţák čoček s rámečkem, stínící desku, drţák clon, clonu se třemi štěrbinami, stínítko, model pravoúhlého hranolu, dvoubarevný filtr. Pomocí příslušenství získáme tři rovnoběţné paprsky, které pro větší názornost odlišíme dvoubarevným filtrem. a) Po dopadu kolmo na jednu z odvěsen se světelné paprsky v hranolu šíří přímočaře aţ k jeho přeponě, kde dochází k totálnímu odrazu. Vzhledem k parametrům hranolu je svazek paprsků na výstupu odchýlen od původního směru o 90, zůstávají rovnoběţné, ale jsou stranově převrácené. 1.11. Úplný odraz v hranolu b) Necháme-li dopadat paprsky světla kolmo na přeponu hranolu, po průchodu mají na výstupu opačný 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, ţe 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 vyuţívá u celé řady optických přístrojů a slouţí především ke změně chodu směru paprsků. 1.13. Úplný odraz v hranolu 1.9. Rozklad světla hranolem Podstatou rozkladu světla hranolem je skutečnost, ţe světla různých barev mají různé úhly lomu v tomtéţ 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. Prodlouţenou optickou lavici, stojánek optické lavice, čočku f = 6 cm, čočku f = 15 cm, dva jezdce, drţák čoček, stolek, úhloměrný kotouč, spojovací můstek, stínítko, hranol z flintového skla. Optické lavice vzájemně pootočíme přibliţně o úhel 30. Zdroj světla a hranol jsou na opačných koncích kratší optické lavice, stínítko umístíme na konec delší lavice téměř rovnoběţně 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 nichţ je podobně jako u hranolů vyuţívána schopnost lámat světlo. Na rozdíl od hranolů procházející světelné paprsky soustřeďuje - spojky nebo rozptyluje - rozptylky. Obraz získaný čočkou se řídí zobrazovací rovnicí: 1 a Prodlouţenou optickou lavici, 2 ks jezdců, čočku f = 6 cm, f = 15 cm, drţák clon, matnici 5 x 5 cm, clonu se štěrbinou 1, drţák čoček, drţák desek, pomocné stínítko, terčíky F, F, a, a, stínítko. 1 a 1 f Předmět představuje clona s vyříznutou číslicí 1, která je nasazena přímo na lampě a její vzdálenost od čočky představuje předmětovou vzdálenost a. Pomocí posuvného stínítka můţeme 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 moţností, při nichţ se měníme vzdálenost čočky od předmětu a postupně demonstrujeme moţné parametry obrazu. 1.16. Zobrazení spojnou čočkou Návrh tabulky: Předmět Obraz Velikost y cm Vzdálenost od čočky a cm Vzdálenost od čočky a cm Vzpřímený obrácený Zvětšený zmenšený Skutečný zdánlivý 1.17. Tabulka hodnoty a parametry obrazu - 14 -
1.11. Krátkozraké oko Vlivem sníţené akomodace oka vznikají vady oka. Krátkozrakost je oční vada, kdy se obraz předmětu nevytvoří na oční sítnici nýbrţ před ní. Důsledkem toho krátkozraký člověk vidí vzdálené předměty neostře. Vada se dá kompenzovat vloţením rozptylky mezi oko a předmět. Krátkou optickou lavici, drţák desek, matnici 8 x 10 cm, matnici 5 x 5 cm, jezdec, drţák čoček, čočku f = 15 cm; f = 15 cm; f = - 20 cm, drţák clon, clonu se štěrbinou 1. 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 štěrbinou 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, nýbrţ za ní. Důsledkem toho dalekozraký člověk vidí blízké předměty neostře. Vada se dá kompenzovat vloţením spojky mezi oko a předmět. Vše jako u předcházející demonstrace, navíc čočku f = 30 cm. Obdobné sestavení jako u předcházejícího experimentu. Dalekozraké oko znázorníme tím, ţe 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 obdrţíme ostrý obraz. - 15 -
2. Optika II Popis stavebnice: jedná se o ţákovskou verzi předcházející stavebnice, umístěné v lehce přenosném dřevěném kufříku. Experimenty, které jsou uspořádány v příručce, jsou určeny především pro ţáky a jejich frontální práci, ale je moţno je téţ vyuţít v rámci laboratorních prací. Příručka k soupravě obsahuje seznam potřebných součástí, návod sestavení pokusů, metodický popis při experimentování a formulace závěrů. Přestoţe je řada pokusů obdobných jako v části Optika I, měl by vyučující být obeznámen s obsahem, moţnostmi a problematikou práce se ţákovskými soupravami. Jeho obeznámení se soupravou, následná řídící a organizační činnost při práci ţáků s ní je nezbytná. Jaké fyzikální jevy demonstrujeme? 2.1. Zobrazování zrcadlem dutým [4] O 27; [6] S 6; [10] O 15. 2.2. Zjištění úhlu mezného a úplný odraz v půlválcové desce [4] O 10; [6] S 9; [9] O 3; [10] O 18. 2.3. Úplný odraz ve vodě 4] O 12; 6] S 8. 2.4. Průchod světla hranolem 4] O 8; 6] S 10; 9] O 4; 10] O 24. 2.5. Rozklad světla hranolem, spektrum 4] O 8; 6] S 27; 9] O 9; 10] O 26. 2.6. Lom světla spojkou 4] O 31; 9] O 5; 10] O 28. 2.7. Optická mohutnost spojky 4] O 34; 9] O 29. 2.8. Zobrazování spojkou 4] O 32; 6] S 12; 10] O 30. 2.9. Zobrazování rozptylkou 4] O 36. 2.10. Model dírkové komory 10] O 3. 2.11. Model fotografického přístroje 10] O 31. 2.12. Model diaprojektoru 10] O 36. 2.13. Model mikroskopu 4] O 40; 6] S 17; 10] O 38. 2.14. Model hvězdářského dalekohledu 4] O 40; 6] S 18; 9] str. 156-7; 10] O 39. 2.15. Model Galileova dalekohledu 4] O 40; 6] S 18; 9] str. 157; 10] O 39. Základní literatura: 12 Ondráček J.: Pokusy se ţákovskou soupravou pro vyučování optice na základní devítileté škole - Příručka k soupravě. Praha, Učební pomůcky Národní podnik 1967. 2.1. Zobrazování dutým zrcadlem Zdroj světla, kondenzorový nástavec (stabilní součásti všech experimentů, proto nebudou dále uváděny), 3 ks stojanů, clonu s písmenem K, malou matnici, duté zrcadlo, projekční desku s bílým papírem, měřítko. Zdroj, na němţ je kondenzor - spojná soustava čoček soustřeďující světlo na promítaný předmět, clona s písmenem K vytvářející svítící předmět pro duté zrcadlo. To je poněkud pootočeno vůči - 16 -
zdroji a na stínítko (rovněţ mírně pootočeno), je zrcadlem promítán obraz písmene K. Zrcadlo umístíme do vzdálenosti přibliţně 70 cm od lampy (předmětová vzdálenost). Při ní vzniká na stínítku obraz skutečný, převrácený a zmenšený. Postupně při přibliţování předmětu k zrcadlu lze pozorovat další parametry obrazu. V příručce k soupravě je uvedena tabulka, pomocí níţ lze přehledně zpracovat experimentálně získané hodnoty. 2.1. Zobrazování dutým zrcadlem 2.2. Zjištění mezného úhlu a úplný odraz v půlválcové desce Optickou lavici (stabilní součást dalších experimentů, proto nebude dále uváděna), 2 ks stojanů, svorku k optické lavici, clonu s jednou štěrbinou, desku půlválcovou, projekční desku s kruhovou stupnicí. Sestavíme optickou lavici a na zdroj světla nasadíme kondenzorový nástavec se clonou s jednou štěrbinou ve vodorovné poloze. Na optickou lavici připevníme svorkou projekční desku s kruhovou stupnicí a na ní pomocí magnetu přichytíme půlválcovou desku tak, aby její oblá strana směřovala ke zdroji. V půlválcové desce pozorujeme chod paprsků, hlavně pak směr vystupujícího paprsku, který se v souladu se zákonem lomu odchyluje od kolmice. 2.2. Mezný úhel a úplný odraz světla - 17 -
2.3. Úplný odraz ve vodě 2 ks stojanů, svorku k optické lavici, clonu s jednou štěrbinou, stolek, prodluţovací tyč, kyvetu s vodou, bílou desku. Sestavíme optickou lavici, na jejíţ jeden konec umístíme zdroj světla směřující poněkud vzhůru směrem ke kyvetě, která je umístěna přibliţně uprostřed stolku upevněném pomocí prodluţovací tyče k optické lavici. Kyveta je naplněna do 3/4 vodou a na její zadní stěně je bílá deska kvůli lepší viditelnosti procházejícího paprsku. Paprsek tak dopadá na vodní hladinu zespoda a nejprve musí projít boční stranou kyvety. Za této situaci pozorujeme chování světelného paprsku dopadajícího z opticky hustšího prostředí (vody) do vzduchu. Úhel dopadu světelného paprsku měníme posouváním stolku s kyvetou a demonstrujeme lom od kolmice. 2.3. Úplný odraz ve vodě 2.4. Průchod světla hranolem 2 ks stojanů, svorku k optické lavici, clonu s jednou štěrbinou, projekční desku s bílým papírem, pravoúhlý optický hranol. Sestavíme optickou lavici, na jejíţ jeden konec umístíme zdroj s kondenzorovým nástavcem. Přibliţně doprostřed optické lavice pomocí svorky upevníme projekční desku a na ni přichytíme optický hranol. Světelný paprsek necháme procházet hranolem v různých polohách a sledujeme jeho lom při průchodu a výstupu z hranolu. 2.4. Průchod světla hranolem - 18 -
2.5. Rozklad světla hranolem, spektrum 3 ks stojanů, 2 ks svorek k optické lavici, clonu s 1 štěrbinou, čočku f = + 10 cm, stolek, optický hranol, projekční desku s bílým papírem, desku s barevným sklem, měřítko. Sestavíme optickou lavici, na její začátek upevníme zdroj světla s kondenzorovým nástavcem a clonou se štěrbinou orientovanou svisle. Do vzdálenosti asi 10 cm od zdroje upevníme pomocí svorky čočku f = 10 cm a do vzdálenosti asi 20 cm vodorovný stolek na nějţ umístíme hranol. Mimo optickou lavici umístíme do stojanu šikmo natočenou projekční desku. Světlo ze svislé štěrbiny necháme dopadat na boční stěnu hranolu a pomalu jím otáčíme, dokud se nám na projekční ploše neobjeví barevné spektrum. 2.5. Rozklad světla hranolem 2.6. Lom světla spojkou 2 ks stojanů, svorku k optické lavici, clonu se třemi štěrbinami, projekční desku s kruhovou stupnicí, model spojky. Sestavíme optickou lavici, na její počátek umístíme zdroj s kondenzorovým nástavcem a clonou se třemi štěrbinami orientovanými vodorovně. Projekční desku upevníme přibliţně uprostřed pomocí svorky k optické lavici. Na projekční desku umístíme kruhovou stupnici a přichytíme model čočky. Svazek tří rovnoběţných paprsků necháme dopadat na dvojvypuklou spojku tak, aby střední paprsek procházel její optickou osou. Po průchodu paprsků čočkou se sbíhají v ohnisku. 2.6. Lom světla spojkou - 19 -
2.7. Optická mohutnost spojky 2 ks stojanů, 3 ks svorek, clonu se třemi štěrbinami, spojku f = + 15 cm, f = + 10 cm, f = + 5 cm, projekční desku s bílým papírem, měřítko. Do levého stojanu optické lavice umístíme zdroj světla s kondenzorovým nástavcem a clonou. Do vzdálenosti asi 10 cm od zdroje upevňujeme pomocí svorky postupně všechny čočky, na které necháme dopadat paprsky tak, aby prostřední z nich se vţdy kryl s optickou osou čoček. Zjistíme polohu ohniska kaţdé z čoček a pomocí měřítka určíme jejich ohniskovou vzdálenost. Převrácená hodnota ohniskové vzdálenosti v metrech udává optickou mohutnost čočky. 2.7. Optická mohutnost spojky 2.8. Zobrazování spojkou 3 ks stojanů, 3 svorky, clonu se štěrbinou K, malou matnici, spojku f = + 10 cm, projekční desku s bílým papírem, měřítko. Do levého stojanu optické lavice umístíme zdroj světla s kondenzorem a clonou se štěrbinou K. Na optické lavici - asi 30 cm od zdroje světla - umístíme pomocí stojanu a svorky čočku f = + 10 cm. Svorku s projekční deskou posunujeme po optické lavici dokud se na ní neobjeví ostrý obraz písmene K. Obraz předmětu je skutečný, výškově a stranově převrácený, zmenšený. Při posunutí zdroje do vzdálenosti 20 cm od čočky získáme na projekční desce skutečný obraz, výškově a stranově převrácený, stejně velký jako je předmět. Posuneme-li zdroj světla do vzdálenosti 13-17 cm od čočky, je obraz skutečný, výškově a stranově převrácený, zvětšený. Ve vzdálenosti zdroje méně neţ 10 cm jiţ obraz na stínítku nezachytíme, je tedy neskutečný, vzpřímený a zvětšený. V příručce k soupravě je tato úloha rozsáhlejší, vhodná pro fyzikální praktikum ţáků, při němţ zaznamenávají do tabulek dosaţené výsledky, kreslí schémata a vzájemně porovnávají čočky. 2.8. Zobrazování spojkou - 20 -
2.9. Zobrazování rozptylkou 2 ks svorek, clonu se štěrbinou K, malou matnici, rozptylku f = - 10 cm, projekční desku s bílým papírem. Na zdroj umístíme s clonou K i malou matnici a takto připravený zdroj připevníme na levou stranu optické lavice. Dále na optickou lavici uchytíme rozptylku a projekční desku. Obraz předmětu se nám nepodaří na stínítku zachytit, rozptylka vytváří obraz vţdy neskutečný (zdánlivý). Ten lze spatřit jedině jestliţe se na předmět podíváme jinou rozptylkou. Pak je obraz vţdy přímý a zmenšený. 2.10. Model dírkové komory Předchůdcem fotografického přístroje byla dírková komora. V ní se vytvářejí pomocí dírkové clony obrazy svítících předmětů, které lze pak zachytit na matnici. 2 ks stojanů, 2 ks svorek, 2 ks drţáků plochých součástí, clonu s písmenem K, clonu s otvorem o průměru 1 mm, velkou matnici. Na sestavenou optickou lavici umístíme zdroj, na kterému je clona s písmenem K. Asi 10 cm od zdroje upevníme do optické lavice pomocí drţáku plochých součástí dírkovou clonu. Po zapnutí zdroje se na této cloně objeví stranově obrácené písmeno K. Seřídíme clonu tak, aby světelný paprsek procházel u písmene K jeho středem, tedy spojnicemi tří čar tvořící písmeno K. Velkou matnicí umístěnou na opačné straně optické lavice posunujeme do té doby, dokud se nám na ní neobjeví ostrý obraz, výškově a stranově převrácený. Při větším otvoru dírkové clony by obraz byl jasnější ale méně ostrý, při menším otvoru ostřejší ale méně jasný. Pokud bychom dírkovou clonu nahradili čočkou (f = + 10 cm), získáme mnohem zřetelnější obraz na matnici, coţ je principem fotografického přístroje. 2.9. Model dírkové komory 2.11. Model fotografického přístroje 2 ks stojanů, 4 svorky k optické lavici, clonu se štěrbinou K, malou matnici, spojky f = + 15 cm, f = + 5 cm, rozptylku f = - 10 cm, velkou matnici, drţák plochých součástí. - 21 -
Sestava je obdobná předcházejícímu experimentu. Místo dírkové clony umístíme na optickou lavici nejprve spojnou čočku f = + 5 cm. Velkou matnicí posunujeme, dokud se nám na ní neobjeví ostrý obraz písmene K. Čočka představuje objektiv, matnice film fotografického přístroje. Obraz je skutečný, stranově a výškově převrácený, zmenšený. Před čočku umístíme další čočky f = + 15 cm a f = - 10 cm těsně k sobě, a celou soustavou posunujeme, dokud opět nezískáme ostrý obraz na sítnici. Soustava čoček tvoří objektiv, který odstraňuje zkreslení a barevné okraje obrazu. Jeho celková mohutnost, i kdyţ obsahuje rozptylku, se vţdy chová jako spojka. 2.10. Model fotografického přístroje 2.12. Model diaprojektoru Diaprojektor (diaskop) je přístroj, kterým se promítají průhledné obrázky. 3 ks stojanů, 2 ks svorek, čočku f = + 10 cm, drţák plochých součástí, diapozitiv, projekční desku s bílým papírem. Sestavíme optickou lavici, na jejíţ jeden konec umístíme zdroj, na opačný čočku, tvořící promítací objektiv. Těsně před zdroj umístíme pomocí drţáku plochých součástí diapozitiv. Po zapnutí světla posuvem diapozitivu po optické lavici zajistíme ostrost obrazu na projekční desce. Obraz je zvětšený, skutečný, stranově a výškově převrácený. Abychom obdrţeli obraz vzpřímený, musíme diapozitiv umístit výškově a stranově obráceně. 2.11. Model diaprojektoru - 22 -
2.13. Model mikroskopu Mikroskop je optický přístroj zvětšující zorný úhel. To nám umoţňuje pozorovat detaily malých předmětů. 3 ks stojanů, čočku f = + 5 cm, čočku f = + 10 cm, drţák plochých součástí, bílou desku, drobný text. Na jeden konec optické lavice umístíme pomocí drţáků plochých součástí drobný text. Jako oporu pouţijeme bílou desku. Před text, do vzdálenosti asi 7 cm, umístíme na optickou lavici objektiv. Ten tvoří spojka s malou ohniskovou vzdáleností f = + 5 cm. Na opačný konec optické lavice pomocí svorky umístíme další čočku f = + 10 cm, tvořící okulár, kterým pozorujeme předmět. Předmět je nutno dostatečně osvítit, coţ provedeme zdrojem umístěným v samostatném stojanu mimo optickou lavici, poblíţ pozorované předlohy. Polohu okuláru upravíme tak, aby byl obraz předmětu ostrý. Obraz je zdánlivý, převrácený a zvětšený. 2.12. Model mikroskopu 2.14. Model hvězdářského dalekohledu Dalekohled je optický přístroj zvětšující zorný úhel. Sestava pouţitých čoček nám umoţňuje pozorovat vzdálené předměty. Hvězdářský (Keplerův) dalekohled se skládá ze soustavy dvou spojek. 3 ks stojanů, 2 ks svorek, clonu se štěrbinou K, čočku f = + 15 cm, čočku f = + 10 cm, drţák plochých součástí. Zdroj, na kterém je štěrbina K tvořící pozorovaný předmět, umístíme mimo optickou lavici. Na optickou lavici umístíme spojku f = + 15 cm tvořící objektiv. Ten je vzdálen od zdroje asi 35 cm. Na druhý konec optické lavice umístíme čočku f = + 10 cm, tvořící okulár, kterým můţeme přímo pozorovat obraz vytvořený objektivem. Obraz je skutečný, zvětšený, stranově a výškově převrácený. 2.13. Model hvězdářského dalekohledu - 23 -
2.15. Model Gallileova dalekohledu Gallileiův (holandský) dalekohled se principiálně skládá ze spojky a rozptylky. Spolu s Keplerovým dalekohledem jsou oba tvořeny čočkami, proto jsou řazeny do skupin čočkových dalekohledů, (refraktorů), na rozdíl od dalekohledů pouţívajících také zrcadla (Newtonův dalekohled). 3 ks stojanů, 2 ks svorek, clonu se štěrbinou s K, čočku f = + 15 cm, čočku f = - 10 cm. Zdroj se štěrbinou, tvořící pozorovaný předmět, umístíme mimo optickou lavici. Na optickou lavici pomocí svorek připevníme směrem k pozorovanému předmětu čočku f = + 15 cm tvořící objektiv. Poblíţ objektivu umístíme okulár tvořený čočkou f = - 10 cm. Okulárem posunujeme po optické lavici dokud nezískáme ostrý obraz, který je zdánlivý, přímý a zvětšený. 2.14. Model Gallileova dalekohledu - 24 -
3. Optika III Popis soupravy: Souprava Haftoptik s níţ je prováděn soubor experimentů Optika III je určena k demonstraci optických jevů pomocí segmentů se silnými magnety. Ty umoţňují jejich fixaci na svislé kovové tabuli. Takovéto uspořádání umoţňuje demonstrace dobře viditelné pro ţáky. Výhodou sestavy je snadná manipulace se všemi prvky. Protoţe jednotlivé součásti mají zároveň malé rozměry, můţe se při experimentech pouţít současně více zdrojů světla, coţ demonstrace zefektivňuje. Současně je moţné přiloţenou tabuli vyuţívat k řadě grafických konstrukcí důleţitých pro některé optické jevy a jejich kvantifikaci. Jaké fyzikální jevy demonstrujeme? 3.1. Přímočaré šíření světla 10 O 1. 3.2. Vznik stínu [4 O 3; 6 S 1 ; 10 O 4, O 5. 3.3. Zatmění Slunce a Měsíce 10 O 7. 3.4. Odraz světla [4 O 4; [6 S 3; [9 O 1, O 6; [10 O 8. 3.5. Zákon odrazu [4 O 4; [6 S 3; [9 O 1, O 6; [10 O 8. 3.6. Odraz světla na dutém zrcadle [4 O 26; [6 S 5; [9 O 2; [10 O 10. 3.7. Zobrazováním dutým zrcadlem [4 O 27; [6 S 6; [10 O 15. 3.8. Příčné zvětšení a zobrazovací rovnice [4 O 28. 3.9. Konstrukce virtuálního obrazu [4 O 27; [6 S 6; [10 O 15. 3.10. Zobrazování vypuklým zrcadlem [4 O 29; [10 O 16. 3.11. Lom světla [4 O 6; [6 S 9; [9 O 3; [10 O 17, O 18. 3.12. Lom na planparalelní desce a hranolu [4 O 8, O 11; [6 S 10; [9 O 4; [10 O 24. 3.13. Chod paprsků čočkou 4 O 31; 6 S 11; 9 O 5; 10 O 28. 3.14. Zobrazování spojkou 4 O 32; 6 S 12; 10 O 30. 3.15. Příčné zvětšení a zobrazovací rovnice čočky 4 O 32, O 33. 3.16. Otvorová vada čočky 4 O 35; 6 S 13. 3.17. Hvězdářský dalekohled 4 O 40; 6 S 18; 9 str. 156-7; 10 O 39. Základní literatura: 13 Pokusy se soupravou Paprsková optika, Praha, Komenium 1975 3.1. Přímočaré šíření světla Zdroj světla (stabilní součást všech experimentů, proto nebude dále uváděn), clonu se štěrbinou, 2 ks malých clon. Experiment prokazuje přímočaré šíření světla. Pomocí zdroje světla získáme rozbíhavý svazek paprsků, jemuţ do trasy přímočarého šíření postavíme dvě malé clony. Svazek paprsků za clonou je - 25 -
opět rozbíhavý, za překáţku se světlo nešíří. V případě pouţití dvojité štěrbiny projde světlo pouze v případě, kdy jsou clony a zdroj světla v jedné přímce. 3.1. Přímočaré šíření světla 3.2. Vznik stínu 2 ks zdrojů světla, stínící těleso, planparalelní desku. Umístíme-li mezi zdroj světla a promítací plochu neprůhledné těleso, světlo se vzhledem ke své základní vlastnosti - přímočarému šíření, za ním nešíří. Za tělesem vznikne stín. Pokud pouţijeme k osvětlení tělesa dva zdroje, za předmětem vzniknou dva stíny, které se vzájemně překrývají. V tomto místě vzniká plný stín, v ostatních částech polostín. 3.2. Vznik stínu a polostínu 3.3. Zatmění Slunce a Měsíce Stínící tělesa (velká a malá polokoule). K zatmění jednoho tělesa dochází v případě, kdy jsou všechna v jedné přímce. - 26 -
a) Zatmění Slunce. Zdroj světla představuje Slunce. Mezi něj a velké stínící těleso představující Zemi, umístíme malé stínící těleso představující Měsíc. Pozorovateli na Zemi se děj jeví jako zatmění Slunce. 3.3. Zatmění Slunce b) Zatmění Měsíce. Mezi zdroj představující Slunce a malé stínící těleso znázorňující Měsíc, umístíme větší stínící těleso jako Zemi. Menší těleso - Měsíc, se dostává do stínu většího tělesa. Měsíc nepředstavuje vlastní zdroj světla, pouze sluneční světlo odráţí. Pozorovatel na Zemi Měsíc nevidí, protoţe ten není osvětlen, je ve stínu Země. 3.4. Zatmění Měsíce 3.5. Demonstrace zatmění Slunce pomocí soupravy Haftoptik - 27 -
3.4. Odraz světla Tělesem můţe světlo procházet, můţe jím být pohlcováno nebo těleso můţe světlo odráţet. Mnoţství odraţeného světla závisí na kvalitě odrazné plochy. Malou clonu, planparalelní desku, zelený filtr, rovinné zrcadlo. Jednoduchý experiment s odrazem světla od rovinného zrcadla doplníme tím, ţe místo zrcadla pouţijeme k odrazu také planparalelní desku a zelený filtr. Také tato tělesa budou odráţet světelné paprsky ovšem ne tak dokonale jako u zrcadla. 3.6. Odraz světla 3.5. Zákon odrazu Experimentem ověřujeme jeden ze základních zákonů optiky: velikost úhlu odrazu se rovná velikosti úhlu dopadu. Odraţený paprsek leţí ve stejné rovině jako paprsek dopadající. Rovinné zrcadlo, úhlovou stupnici, 4 ks feritů. Pomocí 4 feritů připevníme na tabuli úhlovou stupnici. Na ni umístíme rovinné zrcadlo tak, aby nulová osa stupnice tvořila kolmici k zrcadlu v místě dopadu paprsku. Provedeme několik měření obou úhlů a vyhodnocením zákon ověříme. 3.7. Zákon odrazu - 28 -
3.6. Odraz světla na dutém zrcadle Demonstrací prezentujeme základní parametry a pojmy dutého zrcadla - optická osa, vrchol zrcadla, ohnisko a význačné paprsky. Proměnné zrcadlo, značku pro ohnisko (F). Proměnné zrcadlo upravíme na duté a postupně na něj směřujeme význačné paprsky a registrujeme jejich chování po odrazu: Paprsek totoţný se směrem optické osy se odráţí zpět po stejní trajektorii; Paprsek rovnoběţný s optickou osou v paraxiálním prostoru zrcadla (5-8 cm od optické osy) se odráţí do ohniska. Místo v němţ odraţený paprsek protíná optickou osu označíme terčíkem F ; Paprsek který prochází ohniskem se odráţí rovnoběţně s optickou osou. Ve všech případech se uplatňuje zákon odrazu. 3.8. Odraz světla na dutém zrcadle 3.7. Zobrazováním dutým zrcadlem Experiment je obdobný předcházejícímu. Pomocí význačných paprsků hledáme obraz předmětu, který duté zrcadlo zobrazuje. Proměnné zrcadlo, měřítko, zobrazovaný předmět. Pouţijeme předmět ve tvaru svislé šipky. Její pata leţí na optické ose a na ní se také zobrazuje. Pomocí význačných paprsků hledáme obraz bodu umístěného ve vrcholu šipky. Postupně získáme charakteristiku obrazu při různých polohách předmětu: a f : obraz skutečný, převrácený, zmenšený, a = f : obraz skutečný, převrácený, stejně velký jako předmět, a f : obraz zdánlivý, přímý, zvětšený. 3.9. Zobrazováním dutým zrcadlem - 29 -
3.8. Příčné zvětšení a zobrazovací rovnice Opět stejné sestavení experimentu jako u předcházejícího. Důraz je zde kladen na velikost obrazu a určení zvětšení získaného dutým zrcadlem. Zvětšení je dáno poměrem: Z y y y : velikost předmětu, y : velikost obrazu. Z podobnosti trojúhelníků získáme zobrazovací rovnici pro zrcadlo: 1 f 1 a 1 a Proměnné zrcadlo, měřítko, značky (F; f; a; a ; y; y ). Umístíme předmět dále od vrcholu zrcadla, neţ je jeho ohnisková vzdálenost. Na tabuli zakreslíme konstrukci obrazu. Porovnáním výšky předmětu a jeho obrazu zavedeme pojem příčné zvětšení. 3.10. Příčné zvětšení a zobrazovací rovnice 3.9. Konstrukce virtuálního obrazu Virtuální (zdánlivý) obraz předmětu získáme, pokud předmět umístíme blíţe k vrcholu zrcadla neţ je jeho ohnisková vzdálenost. Proměnné zrcadlo, měřítko, značky. Předmět umístíme do příslušné vzdálenosti. Zdánlivý obraz nelze zachytit na stínítku, získáme ho pouze konstrukcí za zrcadlem. - 30 -
3.11. Konstrukce virtuálního obrazu 3.10. Zobrazování vypuklým zrcadlem Obraz vytvořený vypuklým zrcadlem je vţdy neskutečný (virtuální), proto jej nelze na stínítku zachytit. Tento experiment znázorňuje postup při konstrukci obrazu u vypuklého zrcadla. Proměnné zrcadlo, měřítko, značky. Zrcadlo upravíme na vypuklé. Předmět bude opět tvořit svislá šipka s patou na optické ose ve vzdálenosti přibliţně 2f od vrcholu zrcadla. Pomocí význačných paprsků získáme konstrukcí za zrcadlem obraz předmětu. 3.12. Zobrazování vypuklým zrcadlem 3.11. Lom světla Demonstrací představujeme chování světelného paprsku na rozhraní dvou různých optických prostředí: 2. Přechod světla z prostředí opticky řidšího do opticky hustšího. 3. Přechod světla z prostředí opticky hustšího do opticky řidšího. Současně ověřujeme platnost Snellova zákona (zákona lomu). - 31 -
Půlkruhovou desku, úhlovou stupnici, 4 ks feritů. a) Přechod světla z prostředí opticky řidšího do opticky hustšího realizujeme na přechodu světelného paprsku ze vzduchu do skla. Pomocí feritů připevníme na tabuli úhlovou stupnici tak, aby její nulová osa tvořila kolmici v místě dopadu světelného paprsku na rovinu půlkruhové desky. V daném případě dochází k lomu ke kolmici. Měníme úhel dopadu a na úhlové stupnici odečítáme úhel lomu ve skle. Ověřujeme zákon lomu za pouţití sinů úhlů a skutečnosti, ţe index lomu vzduchu je n 1 1 a index lomu půlkruhové desky n 2 = 1,52. 3.13. Lom světla ke kolmici b) Přechod světla z prostředí opticky hustšího do opticky řidšího provedeme tak, ţe necháme paprsek světla dopadat na oblou stěnu desky a pozornost věnujeme přechodu světla ze skla do vzduchu. Úhel dopadu je v tomto případě nutné měřit uvnitř půlkruhové desky. U vycházejícího paprsku z desky pozorujeme lom od kolmice. 3.14. Lom světla od kolmice - 32 -
3.12. Lom na planparalelní desce a hranolu Experiment demonstruje charakteristické změny chodu světelného paprsku planparalelní deskou a hranolem. Planparalelní desku, optický hranol, pravítko. Světelný paprsek směřující ze zdroje na planparalelní desku nastavíme pod jiným neţ nulovým úhlem dopadu (měřeno od kolmice). Planparalelní deska způsobí dvojnásobný lom paprsku a vycházející paprsek je oproti původnímu rovnoběţně posunut přibliţně o 2 cm. Odchýlení od původního směru prokáţeme nákresem směru původního paprsku na tabuli, případně pouţijeme pravítka. Při prezentaci lomu světla hranolem směřujeme svazek paprsků šikmo na jednu ze stěn hranolu tak, aby vycházející paprsek byl dostatečně viditelný. Úhel, o nějţ hranol odchýlil původní paprsek, se nazývá deviace. 3.15. Lom na planparalelní desce a hranolu 3.13. Chod paprsků čočkou Jedním z optických zařízení vyuţívajícího principu lomu světla je čočka. Uvedená demonstrace ukazuje charakteristické vlastnosti a chování význačných paprsků procházejících čočkou. K experimentu pouţijeme různé čočky ze sady - spojku, rozptylku, ploskovypuklou čočku. Spojku, rozptylku, ploskovypuklou čočku, pravítko, značku pro ohnisko. Na různé čočky necháme dopadat význačné světelné paprsky a vyhodnocujeme jejich chod: Paprsek totoţný s optickou osou zůstává ze svého směru neodchýlen; Paprsky rovnoběţné s optickou osou se za čočkou protínají v jediném vodě - ohnisku; Paprsky procházející nejprve předmětovým ohniskem jsou za čočkou rovnoběţné s optickou osou. 3.16. Chod paprsků čočkou - 33 -
3.14. Zobrazování spojkou Experiment je obdobný předcházejícímu. Demonstrujeme jím vznik obrazu předmětu spojkou pomocí význačných paprsků. Spojku, předmět ve tvaru šipky, pravítko, značku pro ohnisko. Předmět (svislá šipka o velikosti asi 3 cm s patou na optické ose) umístíme do vzdálenosti asi 36 cm od středu čočky. Vrcholem šipky vedeme význačné paprsky a jejich chod dokumentujeme zakreslováním na tabuli. Vzniklý obraz předmětu je skutečný, převrácený a zmenšený. 3.17. Zobrazování spojkou 3.15. Příčné zvětšení a zobrazovací rovnice čočky Pouţijeme stejnou sestavu experimentu jako u předchozího. Těţištěm demonstrace je získání obrazu předmětu spojkou, vše doplníme postupnou konstrukcí příslušných trojúhelníků, z jejichţ podobnosti se zvětšení a zobrazovací rovnice odvozují. V obrázku z podobnosti trojúhelníků vyplývá: a af a f 1 a f afa. fa. a po úpravě dostáváme zobrazovací rovnici: 1 f 1 a 1 a Spojka, předmět ve tvaru šipky, pravítko, značky. - 34 -
F 3.18. Příčné zvětšení a zobrazovací rovnice čočky Opakujeme pokus předcházející, zároveň rýsujeme příslušné paprsky na tabuli. Příslušné podobné trojúhelníky barevně šrafujeme a poté odvozujeme příslušné vztahy. 3.16. Otvorová vada čočky Charakteristický chod význačných paprsků, zvětšení čočkou a zobrazovací rovnice platí v omezeném prostoru poblíţ optické osy, v tzv. paraxiálním prostoru. Paprsky mimo tento prostor vykazují určité odchylky, které se jeví jako vady čoček. Jedna z nich je otvorová vada čočky. Spojnou čočku, krátkou clonu. Necháme procházet spojnou čočkou svazek tří rovnoběţných paprsků, uspořádaných tak, ţe jeden z nich je totoţný s optickou osou a další jsou postupně blíţ okraji čočky. Čím vzdálenější je paprsek od optické osy, tím větší je jeho zkreslení - ač rovnoběţný s optickou osou, neodráţí se do ohniska nýbrţ před něj. Tuto vadu lze odstranit clonou, která propouští pouze paprsky v paraxiálním prostoru. 3.19. Otvorová vada čočky - 35 -
3.17. Hvězdářský dalekohled Princip hvězdářského dalekohledu pomocí soupravy Haftoptik je odlišný od předcházejících obdobných experimentů. Proto je opětovně zařazen do souboru demonstrací. Čočku ploskovypuklou, čočku spojnou, pravítko, list bílého papíru. Arch bílého papíru představující tubus dalekohledu umístíme do pravé poloviny tabule. Na něj umístíme čočky jako centrovanou optickou soustavu. Jako okulár bude slouţit spojka umístěna na pravou stranu archu. Ploskovypuklou čočku souose umístíme oblou stranou blíţe ke zdroji světla. Ohniska obou čoček mají totoţnou polohu. Na levou stranu tabule umístíme tři zdroje. Jeden z nich vytváří paprsek totoţný s optickou osou soustavy. Další zdroj vysílá paprsek, který necháme procházet předmětovým ohniskem ploskovypuklé čočky. Po průchodu čočkou pokračuje rovnoběţně s optickou osou soustavy. Paprsek třetího zdroje necháme procházet středem ploskovypuklé čočky. Ten nemění svůj směr. Pomocí uvedených paprsků zkonstruujeme obraz předmětu, na který se díváme okulárem tvořený lupou a kterou pozorujeme obraz vytvořený objektivem. 3.20. Hvězdářský dalekohled - 36 -
4. Výboje v plynech Plyny jsou za obvyklých podmínek nevodivé. Ionizujeme-li je, stanou se prostřednictvím kladných iontů a elektronů vodivými a pokud se nacházejí v elektrickém poli, vzniká elektrický proud jako uspořádaný proud uvedených částic a to ve formě výboje. Za běţného atmosférického tlaku můţe nastat obloukový nebo jiskrový výboj. Umístíme-li elektrody do uzavřeného prostoru výbojové trubice, v níţ postupně sniţujeme tlak, dochází k doutnavému výboji, který má různý charakter podle velikosti tlaku v trubici. Jaké fyzikální jevy demonstrujeme? 4.1. Jiskrový výboj [3] E 2.37; 5 E74; 9 E 42; [10] E 120b. 4.2. Elektrický výboj v trubicích se vzduchem o různém tlaku 3 E 2.40; 5 E 76; [9] E 45; [10] E 117. 4.3. Vlastnosti katodového záření 3 E 2.42; 5 E 77; [9] E 46 - E 48; [10] E 118. 4.4. Výbojová spektra plynů [4] O 67, O 68; [6] S 26; [10] E 124. 4.5. Výbojky s doutnavým výbojem [3] E 2.41; 5 E 79; 7 E 330; [10] E 125. 4.1. Jiskrový výboj K uskutečnění experimentů této řady je pouţíván Ruhmkorffův induktor, s jehoţ principem činnosti a především s bezpečností při práci s ním je bezpodmínečně nutné se seznámit. Ruhmkorffův induktor 7 je transformátor s otevřeným jádrem. Pouţívá se pro buzení vysokého napětí. 4.1. Ruhmkorffův induktor Primární cívka je tvořena cívkou s malým počtem závitů vodiče na ocelovém jádře. Je připojována na zdroj stejnosměrného napětí. Proti jádru je na primární obvod umístěna kotva (3). Jedná se o elektromagnetický přerušovač pracující na principu Wagnerova kladívka (podobně jako u zvonku). Jeho funkčnost seřizujeme šroubem (5). - 37 -
Zapínání a vypínání primárního proudu umoţňuje komutátor (4), slouţící téţ k přepínání polarity primárního obvodu. Sekundární cívku tvoří velký počet závitů délky mnoha kilometrů, vzájemně velmi dobře izolovaných v několika sektorech kvůli vysokému napětí, které se na něm vyvíjí. Vývody sekundárního vinutí jsou spojeny s jiskřištěm, tvořeném většinou deskou (1) a hrotem (2). 4.2. Ruhmkorffův induktor - schéma zapojení a princip činnosti Při zapojení primárního obvodu se zmagnetizuje jádro, to přitáhne kotvu a tím se primární obvod přeruší. Změna vyvolá vznik indukovaného napětí mnohem větších hodnot na sekundární cívce, dosahujícího několik desítek aţ stovky tisíc voltů. Systém doplňuje kondenzátor, který zabraňuje výboji v oblasti kotvy a v opalování kontaktů. Po zapojení přezkoušíme a seřídíme funkci přerušovače. Vodiče vysokého napětí se nesmí vzájemně kříţit, dotýkat se primárních přívodů a pokud moţno ani desky demonstračního stolu. Po skončení práce vypneme nejprve primární obvod. Sekundární napětí je správně polarizováno v případě výboje ve směru hrot střed destičky. V opačném případě musíme změnit polaritu primárního obvodu komutátorem či přeměnou vodičů na akumulátoru. Není moţné pouţít jako zdroje usměrňovač! Jiskrový výboj probíhá za běţného atmosférického tlaku ve vzduchu. Poznámka: Transformátor nesmíme uvést do chodu bez zapojení elektrod jiskřiště! Mohlo by dojít k probití v oblasti sekundárního vedení a zničení celého transformátoru. Pozor: při práci s transformátorem je nebezpečí úrazu vysokým napětím. Co všechno potřebujeme Ruhmkorffův transformátor, akumulátor 6 V, spojovací vodiče. 4.3. Demonstrace jiskrového výboje Vybíjecí elektrody transformátoru nastavíme do vzdálenosti asi 2 5 cm. Po jeho uvedení do chodu pozorujeme jiskrový výboj doprovázený praskotem a vznikem ozónu. Postavíme-li výboji do cesty např. papír, objevíme v něm malé otvory po výboji. Zvýšeného efektu dosáhneme při zatemnění místnosti. - 38 -
4.2. Elektrický výboj v trubicích se vzduchem o různém tlaku Budeme-li čerpat z výbojové trubice vzduch, postupně zvětšíme volnou dráhu elektronů a iontů. Za těchto podmínek vznikne samostatný výboj uţ při niţším napětí neţ u jiskrového výboje. Postupně bude v trubici vznikat doutnavý výboj. Čerpání vzduchu vyţaduje vývěvu a podstatně by zpomalilo samotný experiment. Ve školské praxi se proto pouţívá sada trubic s různým stupněm vakua. Ruhmkorffův transformátor, akumulátor 6 V, sadu výbojových trubic se vzduchem různého tlaku, spojovací vodiče. Akumulátorovým zdrojem napájený Ruhmkorffův transformátor postupně připojujeme na trubice s různým tlakem. Vybíjecí elektrody nastavíme do vzdálenosti asi 8 cm. Při zapojování spojíme záporný pól s větší elektrodou (lepší chlazení), zpravidla je to horní svorka trubic. Protoţe jsou někdy na školách ještě sady trubic se staršími jednotkami tlaku, následující tabulka uvádí příslušný přepočet do SI soustavy a charakter světelných jevů v trubici. 4.4. Elektrický výboj v trubicích se vzduchem o různém tlaku Tabulka přepočtu jednotek tlaku Jednotky Torr Pa 40 5 320 10 1 330 6 798 3 399 0,14 19 0,03 4 Charakteristika výboje Souvislá, neklidně se vinoucí červená křivka začínající u anody a sahající téměř aţ ke katodě. Vznik anodového sloupce. Výboj se rozšíří do celé šíře trubice a zároveň se zkrátí. Od anody je oddělen tmavým Faradayovým prostorem. Na katodě se objevuje doutnavé katodové světlo. Anodový sloupec bledne, rozvrstvuje se. Tyto vrstvy mohou být v klidu nebo se mohou mírně pohybovat. Katodové světlo pokrývá celou katodu. Vrstevnatý sloupec přestává mít narůţovělou barvu, stává se matně bílým. Doutnavé světlo se od katody vzdaluje, vzniká zde tmavý Crookesův prostor. Katoda se pokrývá jasně ţlutou vrstvou. Mizí světelné úkazy uvnitř trubice, stěny trubice zeleně světélkují, nejintenzivněji proti katodě. Vznik katodového záření. - 39 -