Studium totálního odrazu světla a měření indexu lomu

První hodiny laboratorních prací po částečném návratu žáků do škol v rámci vyhlášených pravidel kvůli potlačení šíření korovirové nákazy jsme se žáky třídy 18L SPŠST Panská věnovali optice.

„Některé experimenty jsem na kameru v rámci on-line výuky neukazoval, protože byly buď moc velké nebo jsem chtěl, abyste si s nimi pohráli sami, až se vrátíte,“ začal jsem na úvod hodiny.

Jako první experiment byla ukázka šíření laserového paprsku vodou a neznámou kapalinou. Ač si žáci nemohli kvůli rouškám přičichnout a identifikovat tak tuto kapalinu, na základě mých indicií přišli rychle na to, že se jedná o tonik. Laserový paprsek modrého světla s nezanedbatelnou příměsí UV složky při průchodu tonikem jasně září, zatímco ve vodě není skoro vidět.

Pokračujeme ukázkou velkého modelu optického vlákna realizovaného desetilitrovým plastovým korýtkem, do kterého jsem svítil laserem. Totální odraz světla od hladiny vody byl jasně patrný a laserový paprsek se v podobě lomené čáry šířil korýtkem.

Podobný experiment jsem pak zkusil realizovat pomocí skleněné tyče, ale tam laserový paprsek příliš vidět nebyl. Důvod tohoto nezdaru jsme se žáky probrali a vysvětlili.

„Na podobné téma mám připravenou hračku, kterou vám rád půjčím. Takže si natřete ruce dezinfekcí a pustíme se do toho,“ vydávám pokyn před dalším experimentem.

„Na zadní stěně krabice, která je uvnitř záměrně začerněná, je obrázek. Zkuste se na něj podívat otvorem v protější stěně,“ vyzývám žáky. „Můžete si dovnitř přisvítit iVěcí otvorem, který je v horní stěně krabice,“ dodávám ještě.

Žáci se snaží, ale na obrázek příliš vidět není. Během rychlé diskuse, která vychází i z předvedeného experimentu s korýtkem, je jasné, že s optickým vláknem by to šlo snáze. Rozdám tedy optická vlákna a pohled na tajemný obrázek je hned lepší.

Na závěr pak okomentuji, že podobným způsobem si lékaři svítí do těla pacienta při laparoskopických operacích.

„Další experiment mám jen ve dvou provedeních, tak se musíte vystřídat,“ říkám a dávám žákům kádinku částečně naplněnou vodou, v níž je ponořená zkumavka naplněná také vodou. Hladina vody ve zkumavce je ale níže než hladina vody v kádince. Do zkumavky je zastrčená špejle, která při vhodném úhlu pohledu není na části své délky vidět.

Pak ukazuji experiment, při kterém vložím kovovou nad plamenem svíčky začazenou lžičku do vody a lžička se zdá opět stříbrně kovově lesklá.

„Posledním experimentem je ryze současný experiment,“ usmívám se a rozdávám žákům nádoby s vodou. „To, o co se snaží vlády civilizovaného světa už skoro rok, my zvládneme během několika sekund. Zlikvidujeme koronavirus,“ říkám a rozdávám k nádobám s vodou v uzavíratelném sáčku zavřený obrázek nebezpečného viru.

Žáci obrázek ponoří do vody a podívají se pod správným úhlem.

„Paráda, koronavirus je pryč, pryč s rouškami,“ ozývá se od jedné skupiny. Je jasné, že se jim experiment podařil. Roušky si pochopitelně nechali tam, kde měly být.

Všechny tři experimenty žáci postupně za pomoci zvídavých otázek učitele vysvětlí.

Následuje rozbor dvou fyzikálně odlišných způsobů detekce vibrací. Žáci velmi rychle rozhodnou, který způsob je přesnější a citlivější. Společně pak (s využitím snadných geometrických úvah) tuto skutečnost na základě obrázku potvrdíme.

Pak pokračujeme další aktivitou, kterou mám v plánu: změřit netradiční metodou index lomu skleněného půlválce. Rozdávám žákům pomůcky a vysvětlím správný postup zapichování špendlíků do polystyrenu, na kterém je upevněn papír s proměřovaným půlválcem.

„Každý si zkusí umístit alespoň jeden špendlík,“ dodávám.

Žáci umísťují špendlíky a pak začínají odměřovat příslušné úhly. Ze znalosti úhlu dopadu a úhlu lomu lze na základě Snellova zákona dopočítat hledaný index lomu.

Trošku v časovém presu, ale nakonec všichni stihli dopočítat a dopsat.

Ač byli žáci v rouškách a v zimním oblečení (kvůli častému větrání oken), bylo patrné, že si práci užívají. Velkou měrou také i proto, že se po téměř dvou měsících zase viděli na živo, a ne jen přes obrazovky počítačů.

Průběh laboratorního cvičení je zobrazen na fotografiích.

Autor fotografií:

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 27. 11. 2020