Heuréka - 9. seminář (optika)

O víkendu 23. - 25. 2. 2018 se konal v prostorách SPŠST Panská v budově v Malé Štupartské devátý seminář projektu Heuréka pro střední školy, který podporuje KDF MFF UK Praha.

Devátý seminář byl věnován optice. V pátek v půl osmé večer se v učebně fyziky sešlo 18 účastníků (v sobotu dopoledne pak dorazili další dva).

Když jsme se přivítali a seznámil jsem přítomné s nutností se během víkendu sžít s frekventanty kurzů, které ve škole spolu s naším seminářem probíhají, přistoupili jsme k našemu tématu.

1. blok: Rozdělení optiky, interakce světla s prostředím, odraz světla, index lomu

„V úvodu rozděluji většinou hned optiku dle toho, jak se dívá na světlo a jaké fyzikální jevy dokáže vysvětlit,“ začínám tak, jak začínám optiku běžně se svými žáky. Začínám tedy psát na tabuli vlnová optika a současně s tím na další slajd kreslím vlnu šířící se zdroje světla. A v ten okamžik si uvědomím, že je to špatně.

„Já jsem ale blb,“ kaju se a prohlásím ještě nějaká další cizí slova.

„Nejsi,“ ozve se ze třídy. „Vždyť je pátek večer, tak v pohodě!“

„Aby to mělo smysl, musím začít právě paprskovou optikou,“ omlouvám se a mažu, co jsem napsal. „Obrázky, které budu kreslit, jsou na sebrání mi matfyzáckého diplomu, ale mám pocit, že to žákům pomáhá problematiku pochopit lépe.“

Poté už dělení přístupu ke studiu světla probíhá bez problémů. Účastníci semináře si pečlivě píší a sledují jak výklad optiky, tak i občasné metodické a didaktické vsuvky.

Následně vymezíme vlnové délky lidským okem viditelné části elektromagnetického vlnění. Interval 400 až 800 nanometrů účastníci semináře znají.

„A teď mám, milé děti, záludnou otázku: kolik je to oktáv?“

A ve třídě je hrobové ticho.

„Jak to myslíš?“ ozve se první statečný.

„No uvědomme si, jak je definovaná oktáva,“ čekám na správnou odpověď a posléze pokračuji: „Je definována podílem frekvencí resp. vlnových délek v poměru jedna ku dvěma. Takže v případně světla vidíme jednu oktávu, ne?“

„Aha - to je dobré, už to chápu!“ komentuje kdosi ze třídy.

„A sluchem slyšíme kolik oktáv?“ nenechávám účastníky na pokoji.

Když se zdá, že nevědí, jak dotaz uchopit, tak počítám nahlas: „Slyšíme od 16 hertz do 16000 hertz, poměr je tedy tisíc. A tisíc je přibližně dvě na desátou - takže slyšíme 10 oktáv!“

„To je dobré!“ ozve se od účastníků semináře.

„A přitom okem získáváme o okolním světě více jak 90 procent informací,“ dodávám.

„Můžeme pochopitelně zviditelnit i záření, které je pro oko neviditelné,“ pokračuji dále a přináším ultrafialovou lampu. Postupně ukazuji experimenty, při kterých osvětluji touto lampou:

Tytéž experimenty pak opakuji i s laserovým světlem červené a zelené barvy - nestane se nic zvláštního, ale po osvětlení světlem na hranici modré a ultrafialové vidíme podobné efekty, jako u ultrafialové lampy.

„Tyto experimenty můžete pak použít jako motivaci ke studiu kvantové fyziky nebo jako demonstrační experimenty při probírání luminiscence,“ nabízím své zkušenosti.

Když se pak přesuneme k možné interakci světla s optickým prostředím, pokračujeme v ukázkách různého typu interakce světla s prostředím:

Absorpce pak vyvolala diskusi nad tím, proč se v podstatném jménu píše p, zatímco ve slovesu se píše b. Podle Milady Markové za to mohou snahy během národního obrození, dle internetové moravské sekce (Václav Pazdera a Jirka Krásný) pocházejí tyto výjimky (to je také jedno z těch slov) už z latiny.

Po zmínce o bodovém zdroji světla a nezávislosti chodu paprsků už přistupujeme k odrazu a lomu světla.

„Oba jevy nastávají u průsvitných optických prostředí současně, což si občas žáci neuvědomují,“ říkám a ukazuji příslušný experiment s optickým půlválcem a laserem.

„Ale teď se budeme věnovat odrazu,“ pokračuji detailním experimentem, upozorněním na fakt, že úhly se měří mezi paprskem a kolmicí dopadu na základě domluvy fyziků a zakreslením situace na tabuli.

„Součástí zákona odrazu je i poznámka, že dopadající paprsek, odražený paprsek a kolmice dopadu leží v jedné rovině,“ říkám a předvádím příslušný experiment s laserem a zrcadlem položeným zrcadlící plochou vzhůru.

Následně rozkreslíme rozdíl mezi odrazem světla od lesklého a matného povrchu.

Lom světla začnu opět experimentálně. Na plastovém půlválci si ukážeme, že při dopadu světla do středu podstavného polokruhu se světlo na zaoblené části půlválce neláme, protože dopadá na jeho povrch kolmo, tedy pod úhlem nula stupňů.

„Pokud světlo nebude dopadat do středu, bude se na zaobleném povrchu lámat,“ říkám a okamžitě experiment ukazuji.

Stihneme zavést ještě absolutní index lomu a vysvětlím, proč nezavádím indexy relativní. Tím končí dnešní blok přesně ve chvíli, kdy na nedalekém kostele odbíjí devátá hodina.

„Aha - já myslela, že to odbíjí teprve osm, uteklo to strašně rychle a bylo to zajímavé,“ končí blok poznámkou Lenka Sekaninová.

2. blok: Lom světla, totální odraz, disperze

V sobotu ráno v půl deváté pokračujeme v optice dále. Ukazuji, jaká situace může nastat, přechází-li světlo z opticky hustšího prostředí do opticky řidšího.

„Jak vidíte, při překročení jistého úhlu se začíná všechno světlo odrážet a žádné se neláme do druhého prostředí. Říkáme, že nastal úplný nebo totální odraz světla,“ uzavírám experiment a přecházím k tabuli, kde odexperimentovanou situaci rozkresluji. Následně si odvozujeme vztah pro mezní úhel.

„Pozor na některé publikace určené jako příprava žáků k maturitě nebo přijímacím zkouškám,“ varuji. „V nich je vztah uveden tak, jak by platil pro případ lomu světla do vzduchu, ale to v těch publikacích není napsané. Až se pak žáci setkají s jinou variantou optického prostředí, budou zmateni. Já to odvodil pro obecnou situaci.“

Někteří účastníci přikyvují, že vědí, o jakých publikacích mluvím.

„Abyste si i sami pohráli, mám pro vás připravenou jednu aktivitu, v rámci které si proměříme index lomu plastového půlválce,“ pokračuji dále. Někteří účastníci semináře sice aktivitu znali, ale velmi ochotně a rádi si jí zkusili znovu. Měli možnost alespoň vymýšlet nové varianty a hledat dosud neobjevné souvislosti.

Měření bylo založeno na pohledu skrz plastový půlválec přes špendlík před ním a špendlík umístěný ve středu podstavného kruhu půlválce. Úkolem bylo za půlválec zapíchnout třetí špendlík tak, aby všechny tři špendlíky při pohledu skrz půlválec byly v přímce. Po odstranění půlválce se ukázalo, že špendlíky v jedné přímce neleží, a proto bylo možné odměřit příslušné úhly dopadu a lomu. Ti, kteří metodu měření indexu lomu znali, se soustředili na studium totálního odrazu s touto sestavou pomůcek. A vcelku se jim dařilo!

Poté jsem účastníkům rozdal kádinky se zkumavkami, do kterých byla zasunuta špejle.

„Prozkoumejte tuto pomůcku a zkuste vysvětlit, co vidíte,“ zadávám úkol.

Po chvíli zkoumání a zkoušení, co ve zkumavce je, jak vysoko je nalita voda, … se začínají rodit první vysvětlení experimentu. Přesto pak správné vysvětlení shrneme společně, aby bylo všem jasné.

„Další experiment předvedu na katedře pro všechny,“ říkám a nad zapálenou svíčkou začazuji kovovou lžičku. Po zchladnutí lžičku ponořuji do kádinky s vodou - a začazená lžička vypadá čistě. Když jí z vody vytáhnu, je stále špinavá od sazí. Nechávám sestavu kolovat učebnou a mezitím si chystám další experimenty. Na závěr pak vysvětlíme (resp. shrneme) pozorování tak, aby bylo pokud možno jasné všem.

Závěr prvního dopoledního bloku patří disperzi. Nejdříve ukážu pomocí laseru, že u světla laseru disperze nenastává. U bílého světla z lampy disperze nastává, protože bílé světlo je složené ze světel základních barev. Poté zapíšu příslušné informace na tabuli, rozkreslím průběh disperze a upozorním na to, že na tabuli jsem musel nakreslit barevné spektrum do výrazně většího úhlu, než do jaké se ve skutečnosti rozkládá.

3. blok: Odraz od zrcadla, optická vlákna, odrazné hranoly, zdánlivá hloubka předmětu

Třetí blok jsme začali experimentem, který jsem si během půlhodinové přestávky připravil. Do akvária jsem natočil přibližně do poloviny jeho výšky vodu a do zbytku objemu akvária jsem dopustil hadičkou z kbelíku silně nasycený roztok vody a soli. V akváriu se tak vytvořilo rozhraní, které plynule měnilo hustotu podle koncentrace soli.

Do akvária jsem pak svítil laserem a sledovali jsme chování laserového paprsku v závislosti na úhlu dopadu světla na stěnu akvária nebo na hladinu vody:

Účastníci semináře byli těmito jednoduchými experimenty nadšení.

„Tímto způsobem lze simulovat i šíření světla atmosférou u jevu, kterému se říká astronomická refrakce a který za chvíli popíšu,“ dodávám k experimentům.

Posledním experimentem byl triviální experiment dokazující, že „hůl do vody ponořená zdá se býti zalomená“, jak lze zákon lomu velmi familiárně formulovat. Beru do ruky laserové ukazovátko a přiložím k němu špejli. Ta je tak rovnoběžná s paprskem světla laseru. Když posvítím do vody (a špejli ponořím), je krásně vidět:

Pak jsme se pustili do aplikací odrazu, lomu a disperze světla.

„Nakreslím dvě možné metody detekce vibrací a bude mě zajímat, která je v praxi více použitelná,“ říkám a kreslím obě situace.

„To je jasné - ta druhá, ve které se světlo laseru odráží od zrcátka upevněného na vibrujícím předmětu,“ okamžitě hlásí někteří účastníci.

„A uměli byste vysvětlit proč?“ ptám se.

To už bylo horší, ale nakonec jsme ke zvýšené citlivosti u tohoto způsobu konstrukce došli. S využitím apletu připraveného v software Mathematica jsme následně i odvodili, že změně natočení zrcadla o určitý úhel odpovídá otočení odraženého paprsku o dvojnásobek této hodnoty.

Pak se přesouváme k optickým vláknům. Ale to účastníkům neřeknu a přináším z kabinetu krabice od kakaa.

„Tento experiment asi znáte všichni, ne? Je převzatý od Martiny Horváthové,“ začínám.

„Neznáme,“ ozve se část publika.

„A my co známe, si jej rádi zopakujeme,“ volá zbytek účastníků.

Proto se všichni pustili do práce a snažili se prohlédnout si obrázek umístěný na zadní stěně zavřené krabice. Postupně si pak jednotlivé skupinky brali optické vlákno, pomocí kterého se obrázek podařilo prohlédnout už dobře.

„Pokud vám to nejde, nezapomeňte, že máte ve skupině osm možná více rukou,“ radím stejně, jako radívám v podobných chvílích i svým žákům.

Dalšími kroky v popsání fyzikálního principu optického vlákna byly experimenty:

Část věnovanou optickým vláknům jsme završili fyzikálně-matematickým popisem tohoto v praxi důležitého zařízení a zodpovězením některých technických dotazů týkajících se rozptylu světla v optickém vláknu, proměřování kvality optických vláken, …

Pak jsme přešli k odrazným hranolům. Nakreslil jsem charakteristiky hranolu a ukázal tři základní použití odrazného hranolu ke změně chodu paprsků.

„V praxi se ve fotoaparátech, kamerách, ale i triedrech odrazné hranoly kombinují tak, aby bylo dosaženo požadované změny obrazu,“ doplňuji.

Astronomickou refrakci jsem zakreslil, ale dále neukazoval - tu jsme si nasimulovali již experimentem s akváriem se slanou vodou.

„Dalším fenoménem je zdánlivá hloubka bazénu,“ pokračuji dále. „Mám to rozkreslit a spočítat?“

Všichni přikyvují.

„Ale zase si pak budete stěžovat, že tam bylo hodně matematiky,“ usmívám, ale účastníci trvají na tom, abych pokračoval. Pokračujeme tedy v rozkreslení a následném odvození závislosti zdánlivé hloubky bazénu na skutečné hloubce a indexech lomu vzduchu a vody.

Tím skončil dopolední blok a odcházíme na oběd.

4. blok: Fata morgana, duha, interference obecně

„Chcete ještě probrat fatu morganu?“ ptám se na začátku prvního odpoledního bloku.

„Že se vůbec ptáš,“ zní odpověď.

Vysvětluji tedy fatu morganu, zatímco moravská internetová sekce hledá, co znamená toto slovní spojení, na které se ptala Růža Mrvová. Následně pak rozebereme i v tuzemsku občas dobře pozorovatelný efekt mokré silnice.

Duhu probereme okrajově, všichni se shodují, že základy podat žákům zvládáme a aktuální dotazy nebyly.

Proto se otáčím k tabuli a píšu velký nadpis Vlnová optika.

„A co zrcadla? Ta probírat nebudeme?“ dožaduje se Milada Marková.

„Budeme, až po vlnové optice,“ odpovídám.

„Ale proč?“

„Jsem tak zvyklý to probírat, ale pokud to vadí, tak to přehodíme no,“ divím se.

„Podle učebnice ale mají být teď zrcadla a čočky,“ ozve se kdosi.

„Už jsem vám několikrát řekl, že učebnici nepoužívám,“ usmívám se. „Navíc v mém vydání učebnice je skutečně dříve vlnová optika,“ říkám a jdu do kabinetu pro učebnici.

„No vždyť je to jedno,“ zkonstatuje konečně kdosi z účastníků semináře. Ano, zrovna tato dvě témata na sebe závratným způsobem nenavazují, a tedy je tedy jedno, v jakém pořadí budou probrána.

Začínáme tedy interferencí světla a popisuji základní vlastnosti interference.

„Pořád mi není jasné to koherentní záření,“ ozve se někdo.

„Vysvětlím,“ usmívám se a předtím vysvětluji metody vytvoření dráhového rozdílu dvou vln:

Od principu interferometru plynule přejdeme k objevu gravitačních vln ohlášenému v roce 2016, který byl učiněn právě na základě interference světla. Poté se vracím zpět k optice.

Princip polopropustných zrcadel, která se používají právě k rozdělení svazku světla na dva spolu později interferující svazky, vysvětluji pomocí příměru s kriminalistickými seriály nebo autobusy s reklamním potiskem. Tyto příměry jsou pochopitelné a všichni je chápou, řada účastníků semináře i přikyvuje, že je sama používá.

Rozdíl mezi zdrojem koherentního a nekoherentního záření vysvětlím na příkladu běžného zdroje světla (žárovka) a laseru.

„Koherentní vlnění je pro laser typické díky fyzikálnímu principu, jak v něm světlo vzniká,“ říkám. „A k tomu se dostaneme v rámci kvantové fyziky později,“ dodávám. Na dotaz, zda to mám probrat přednostně zrychleně, jsem byl ujištěn, že to není třeba.

Když vyjasníme problém koherence světla z běžného zdroje pomocí štěrbiny nebo dvojštěrbiny, popisujeme podmínky vzniku maxima a minima obecně. Malé zdržení nastane při diskusi, zda brát celočíselné nebo přirozené násobky vlnové délky (resp. poloviny vlnové délky), ale po chvíli je jasné, že závisí skutečně na dané fyzikální situaci a na tom, zda mají v dané úloze záporná čísla smysl.

Před výkladem interference světla na tenké vrstvě si dáme další půlhodinovou přestávku.

5. blok: Interference na tenké vrstvě, ohyb na mřížce

Druhý odpolední sobotní blok začínáme interferencí na tenké vrstvě.

„Odvodím situaci pro vznik interferenčního minima v odraženém světle. Vznik interferenčního maxima se mi zdá pro žáky velmi nestravitelný. Zkoušel jsem to jednou a dopadlo to natolik špatně, že poměr čas versus názorný přístup byl pro čas velmi špatný. A navíc si vyberu pouze jednu variantu prostředí, která mohou být v okolí příslušné tenké vrstvy. V rámci matematického zjednodušení budu uvažovat pouze kolmý dopad,“ říkám na úvod a kreslím tenkou vrstvu schematicky na tabuli a píšu podmínky pro prostředí nad i pod ní.

„Těmito podmínkami tedy nevylučuju situaci, že nad i pod vrstvou budou stejná prostředí,“ dodávám na vysvětlenou.

„Takže to může být třeba bublina?“ ptá se Olga Pražanová.

„Ano, té by to odpovídalo,“ souhlasím.

Pak postupně s rozkreslováním a varováním, že barva vlny na tabuli neznamená barvu světla, ale pouze prostředek pro snadnější popis, odvozujeme za společného přispění příslušný vztah. Kladu důraz na analogii s pevným a volným koncem z mechanického vlnění, aby se ujasnil rozdíl odrazu vlny se stejnou i opačnou fází.

„Tyto dva vztahy,“ říkám, když napíšu vztahy pro popis interferenčního maxima i minima v odraženém světle od tenké vrstvy, „nechávám takhle, jak jsou.“

Na pravé straně vztahů vystupují násobky vlnové délky resp. poloviny vlnové délky.

„Na rozdíl od učebnice neblbnu žáky!“ dodávám.

„A jak je v učebnici blbnou?“ ptá se Milada Marková.

„Tím, že v rámci zjednodušení převedou polovinu vlnové délky odpovídající odrazu s opačnou fází na druhou stranu rovnice. A tím pro maximum vyjdou liché násobky poloviny vlnové délky a pro minimum násobky celé vlnové délky. A v základu interference je to opačně. Proto to nechávám tak, jak to je. Z tohoto vztahu už pak žáci vyjádří, co potřebují, i když vlnová délka není na jedné straně rovnice,“ vysvětluji.

S tím nejen Milada ale i další účastníci semináře souhlasí.

„Praktická použití interference na tenké vrstvě jsou různá,“ říkám a začínám psát postupně na tabuli.

Při zmínce o mýdlových bublinách rovnou ukazuji experiment se změnou barvy daného místa bubliny a všichni učitelé, jako malé děti, sledují poctivě bublinu do doby, než praskne.

Antireflexní vrstvu na čočkách brýlí a objektivů na přání účastníků rozkresluji. Následně diskutujeme, jaké světlo (jaké vlnové délky) vrstva vlastně potlačuje. Diskusi uzavírá Stáňa Tomšová informací, že v současné době lze napařit na čočky vrstev více, a tak potlačit více barev světla.

Ukázku hologramů si mohou účastníci prohlédnout na bankovkách, lístcích na hromadnou dopravu nebo si mohou prohlédnout mé dvě samolepky zakoupené kdysi na výstavě hologramů v Praze.

„My jsme hologramy vyráběli i v rámci setkání Elixíru do škol,“ chlubí se Rita Chalupníková. „Ale krásný exemplář se mi podařilo vyrobit až doma ve sklepě, kde je pevná podlaha a nebyly tam žádné otřesy.“

„Takže jste je přímo fotografovali?“ ptám se nevěřícně.

„Ano, sehnala jsem materiály a člověka, který mi opatřil i příslušné záznamové vrstvy.“

„Tak to závidíme,“ usmívám se.

Dalším praktickým použitím jsou Newtonova skla.

„Pošlu vám to kolovat, ale ty šrouby, kterými drží pomůcka pohromadě, ignorujte. Ty tam pro tu dobu, co bude pomůcka kolovat učebnou, prostě nejsou,“ netradičně varuji před manipulací se šrouby, kterou by se poškodil výsledný interferenční obrazec.

Jako poslední zmiňuji kontrolu kvality výbrusu kvalitních čoček používaných v optických přístrojích.

Po interferenci na tenké vrstvě pokračujeme ohybem na mřížce.

„Se žáky zmíníme ohyb na štěrbině i na hraně, ale odvozuji a počítám pouze ohyb na mřížce. Je to v praxi důležitější a navíc je i jednodušší na pochopení,“ říkám.

Účastníci souhlasí a já začínám odvozovat příslušný vztah. Kreslím obrázek, ze kterého by jistě deskriptiváři dostali infarkt, protože se mi na tabuli protínají dva paprsky označené jako rovnoběžné. Nicméně fyzikálně si tento postup dovolit můžu, protože paprsky ve skutečnosti vycházejí z mřížky velmi blízko od sebe a dopadají na stínítko vzdálené o přibližně sedm řádů více, než jaká je vzdálenost vrypů mřížky. To na tabuli namalovat nelze!

Po odvození vztahu ukazuji několik experimentů:

Experimenty potvrdily závislost na vlnové délce použitého světla i na počtu vrypů štěrbiny.

6. blok: Ohyb na mřížce - ukázky a měření, polarizace světla

Poslední sobotní blok začínáme v učebně S8, ve které je starší typ dataprojektoru vhodný pro předvedení dalších experimentů zaměřených na ohyb světla.

„V jednoduchém Malování jsem si připravil tři obrázky, které postupně promítnu na stěnu,“ začínám a lezu na stůl pod dataprojektorem. „Nyní se podívejte, co se stane, když dám před objektiv optickou mřížku,“ pokračuji v popisu a mřížku umísťuji před projektor.

Účastníci semináře vydechnou obdivem - na stěně se zobrazil difrakční obrazec odpovídající difrakci světla na použité mřížce: černému obrázku s úzkým bílým proužkem.

Dalším obrázkem je tentýž proužek, který je ale rozdělený na barevné části: shora dolů jsou postupně barvy červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá a fialová. Difrakce jednotlivých barevných světel promítaných z obrázku se mírně liší.

Posledním experimentem bylo prosvícení obrázku, který je inverzní k prvnímu.

„Tady vidíte s troškou nadsázky difrakci tmy,“ usmívám se. „V praxi se tato metoda používá například k proměřování průměrů tenkých drátků.“

Poté se přesouváme zpět do učebny fyziky, beru do rukou připravený dílenský metr a obracím se k účastníkům semináře: „Jak změřit vlnovou délku světla tímto měřidlem?“

Účastníci poměrně rychle vymyslí způsob měření pomocí difrakce světla. S optickou mřížkou známých parametrů stačí proměřit vzdálenost mřížky od stínítka (tím byla stěna učebny) a vzdálenost maxim vyznačených na zdi tužkou od hlavního maxima.

„Jsem rád, že měření vzdálenosti mřížky od stěny probíhá úplně stejným způsobem, jako když měří žáci,“ usmívám se, když vidím postup měření učitelů.

Následný výpočet na základě naměřených a zaznamenaných dat sice nevychází tak dobře, jako při měření se žáky, ale vlnové délce deklarované na použitém laseru se blíží.

Během doby, po kterou účastníci počítají vlnovou délku světla použitého laseru, chystám poslední experiment na téma ohyb světla. Na katedru připravím tři LED základních barev a hořící svíčku. Každý z účastníků semináře si vezme jedno pírko, získané od známých chovajících slepice, a přes něj sledují příslušné zdroje světla. Struktura peří umožňuje zobrazit krásné difrakční obrazce.

Na závěr části věnované difrakci světla zmíníme použití tohoto jevu v praxi. Poté se přesouváme k polarizaci světla.

Zopakujeme definici světla jako příčného elektromagnetického vlnění, zdůrazníme popis pomocí vektorů elektrické intenzity a magnetické indukce a popíšeme lineárně polarizované světlo.

„Já jsem si říkala, proč se pořád zdůrazňuje lineárně polarizované světlo. O kruhově polarizovaném jsem neslyšela,“ říká po chvíli Vica Karászová. Posléze jsme se domluvili, že kruhově polarizované světlo probereme na příštím semináři.

Před koncem dnešního fyzikálního učení stihneme ještě vysvětlit polarizaci pomocí polaroidů a načrtnout obrázek polarizace pomocí odrazu a lomu.

„Jak si mám představit ty vektory při polarizaci světla?“ ptá se Olga Pražanová a vyvolá tím otázku i pro ostatní. Diskuse, která se strhla, mě donutila opravit obrázek tak, aby to bylo pochopitelné všem, nicméně sám jsem se v tom začínal ztrácet. Uvidíme, jak to zvládneme ráno!

7. blok: Polarizace světla - polarizace lomem, dvojlomem, polarizace v praxi

V neděli ráno začínám v půl deváté odvozením vztahu pro Brewsterův úhel. Obrázek nechávám tak, jak zůstal od včera, a odvození jde poměrně rychle.

„Poslední metodou, jak polarizovat světlo, je využít dvojlom v opticky anizotropních látkách. Typickým příkladem je krystal islandského vápence,“ říkám a zapisuji na tabuli rozdělení světla dopadajícího na krystal na řádný paprsek a mimořádný paprsek.

„Doufám, že máte nedělní ranní tisk,“ usmívám se do učebny.

„Nemáme, jsme zvyklí z domova, kde je v neděli zavřeno,“ odpovídají s úsměvem účastníci.

„Ale teď jste v Praze a tady je otevřeno i v neděli,“ kontruji s úsměvem.

Nakonec uznám, že bude stačit kniha, již vydané osvědčení o absolvování kurzu, …

„A nyní si všechny druhy polarizace můžete zkusit a prozkoumat, jak fungují,“ říkám a dávám účastníkům k dispozici pomůcky. Postupně si zkoušejí:

Pak začínáme mluvit o využití polarizovaného světla v praxi. A i k tomuto tématu mám několik ukázek, které si účastníci mohou vyzkoušet:

Předposlední blok zakončíme experimentem dokazujícím přítomnost polarizační fólie v LCD monitorech pomocí mého upraveného monitoru.

8. blok: Polarizace světla s jednoduchými pomůckami, zrcadla

Poslední hrátky s polarizací světla věnujeme improvizovaným pomůckám.

„Pokud nemáte ve škole polarizační filtry, tak máte minimálně jeden v učebně. Tím je LCD monitor,“ radím.

„No jo, ale je jen jeden,“ posmutní kdosi.

„Dnes se ale už dají filtry sehnat relativně snadno a jednoduše,“ říkám a vyzývám účastníky, aby si každý vzal jeden polarizační filtr a přesunul se tak, aby viděl na monitor. Pak beru dielektrickou fólii do kondenzátoru a natahuji jí před monitor a začínám s ní otáčet kolem vodorovné osy. Výkřiky úžasu a štěstí se ozývají z řad účastníků a já vím, že vidí to, co vidět mají. Okamžitě si zapisují pomůcku, se kterou jsem pracoval.

„Polarizační filtry a hrátky s fotoelasticimetrií lze provést i s obyčejnou izolepou,“ říkám a dodávám: „Ostatně Stáňa si s tím už hrála minulý blok!“

Odstřihuji asi metr dlouhý kus izolepy a i s ní otáčím před monitorem. Ostatní stojí ve třídě a sledují mé počínání pomocí polarizačních filtrů. Pak izolepu přehnu tak, abych vytvořil dva na sebe kolmé pásy, a začínám s izolepou znovu otáčet. Obrazec je v místě překřížení izolepy velmi zajímavý.

Tím končíme polarizaci světla a začínáme geometrickou optiku.

V úvodu připomenu základní principy geometrické optiky a volnou definici zobrazení optickými soustavami.

„Tuhle definici jsem teď stvořil na místě a zdá se, že je správně,“ říkám při pohledu do svých poznámek na katedře. „Pochopitelně jí pak nezkouším.“

„Při zobrazení je podstatné, že občas vznikají obrazy, které se nedají zachytit na stínítko,“ říkám a okamžitě předvádím vznik skutečného obrazu budovy stojící za hřištěm pod okny na dveřích skříně na opačné straně učebny.

„Tento obraz je tedy skutečný, to znamená, že ho lze promítnout, lze ho pozorovat okem i fotit,“ usměju se na Olgu Pražanovou, která si vzala na starost tento víkend fotografování a která se nechala fyzikálním experimentem uchvátit natolik, že si ho v klidu vychutnávala. Po mé poznámce se ale rychle zvedá a běží zdokumentovat experiment pro pozdější inspiraci všech.

Když pak zakresluji situaci na tabuli, podotknu: „Pro snadnější pochopení žáků, jim píšu, že tento typ obrazu je promítnutelný. Čeština to slovo patrně nezná, ale je velmi názorné, co se týče vlastnosti tohoto typu obrazu.“

Pak se přesouváme k zrcadlům. Dělím zrcadla na rovinná a …

„… kulová,“ jak se ozve z učebny.

„… nerovinná,“ dodávám v klidu a pokračuji „A ta dále na parabolická a kulová.“

U rovinných zrcadel upozorním na možnosti jejich výroby:

S pomocí závodní dráhy zakreslené na papíru nutím účastníky, aby si zkusili, jak nesnadné je kreslit čáru v dané dráze ale pouze tak, že se díváme do zrcadla. Zobrazení zrcadlem si zkoušíme na úlohách z pracovního listu, který jsem na téma rovinných zrcadel připravil.

Milada Marková ještě ukáže vychytávku, jak vytváří jednoduše, ale přitom relativně přesně obraz předmětu zobrazovaného rovinným zrcadlem: stačí jí k tomu trošku zašilhat a jedním okem sledovat předmět v zrcadle a druhým za zrcadlem sledovat hrot tužky. Když hrot a bod v zrcadle splynou, udělá na papír bod.

Čas se nachýlil a devátý seminář je u konce. Zbytek optiky nás čeká v dubnu.

Pak už se loučíme, účastníci semináře si balí své věci a devátý seminář končí. Uvidíme se opět začátkem dubna.

Odkazy na materiály použité pri semináři:

Materiály ze semináře, které jsou účastníkům k dispozici:

Průběh devátého semináře je zobrazen na fotografiích.

Autoři fotografií:

Olgra Pražanová

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 28. 2. 2018