2. Optika II Popis stavebnice: jedná se o žákovskou verzi předcházející stavebnice, umístěné v lehce přenosném dřevěném kufříku. Experimenty, které jsou uspořádány v příručce, jsou určeny především pro žáky a jejich frontální práci, ale je možno je též využít v rámci laboratorních prací. Příručka k soupravě obsahuje seznam potřebných součástí, návod sestavení pokusů, metodický popis při experimentování a formulace závěrů. Přestože je řada pokusů obdobných jako v části Optika I, měl by vyučující být obeznámen s obsahem, možnostmi a problematikou práce se žákovskými soupravami. Jeho obeznámení se soupravou, následná řídící a organizační činnost při práci žáků 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 žákovskou 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 němž je kondenzor - spojná soustava čoček soustřeďující světlo na promítaný předmět a clona s písmenem K, vytváří svítící předmět pro duté zrcadla. To je poněkud pootočeno vůči zdroji a - 16 -
na stínítko (rovněž mírně pootočeno), je zrcadlem promítán obraz písmene K. Zrcadlo umístíme do vzdálenosti přibližně 70 cm od lampy (předmětová vzdálenost). Při ní vzniká na stínítku obraz skutečný, převrácený a zmenšený. Postupně při přibližování předmětu k zrcadlu lze pozorovat další parametry obrazu. V příručce k soupravě je uvedena tabulka, pomocí níž 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, prodlužovací tyč, kyvetu s vodou, bílou desku. Sestavíme optickou lavici, na jejíž jeden konec umístíme zdroj světla směřující poněkud vzhůru směrem ke kyvetě, která je umístěna přibližně uprostřed stolku upevněném pomocí prodlužovací 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 jejíž jeden konec umístíme zdroj s kondenzorovým nástavcem. Přibližně 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 nějž 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 přibližně uprostřed pomocí svorky k optické lavici. Na projekční desku umístíme kruhovou stupnici a přichytíme model čočky. Svazek tří rovnoběžných 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 vždy kryl s optickou osou čoček. Zjistíme polohu ohniska každé 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 než 10 cm již obraz na stínítku nezachytíme, je tedy neskutečný, vzpřímený a zvětšený. V příručce k soupravě je tato úloha rozsáhlejší, vhodná pro fyzikální praktikum žáků, při němž zaznamenávají do tabulek dosažené 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 vždy neskutečný (zdánlivý). Ten lze spatřit jedině jestliže se na předmět podíváme jinou rozptylkou. Pak je obraz vždy 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 držáků 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 držáku 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, což 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, držák 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 když obsahuje rozptylku, se vždy 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, držák plochých součástí, diapozitiv, projekční desku s bílým papírem. Sestavíme optickou lavici, na jejíž jeden konec umístíme zdroj, na opačný čočku, tvořící promítací objektiv. Těsně před zdroj umístíme pomocí držáku 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 obdrželi 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 umožňuje pozorovat detaily malých předmětů. 3 ks stojanů, čočku f = + 5 cm, čočku f = + 10 cm, držák plochých součástí, bílou desku, drobný text. Na jeden konec optické lavice umístíme pomocí držáků plochých součástí drobný text. Jako oporu použijeme 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, což provedeme zdrojem umístěným v samostatném stojanu mimo optickou lavici, poblíž 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 použitých čoček nám umožňuje 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, držák 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 můžeme 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 používajících 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. Poblíž 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 -