Metodický portál 

Text článku:

Z vlastní zkušenosti vím, že žáky nejvíce zaujmou experimenty, které jsou jednoduché (tzv. „je do nich vidět"), mají překvapivý závěr a jsou natolik technicky nenáročné, že si je žáci mohou připravit i doma.

Jedním z nich je i experiment, který je vhodný k demonstraci úplného odrazu světla či závislosti průhlednosti optického prostředí na jeho indexu lomu. Vzhledem k tomu, že tyto jevy mají velmi bohaté uplatnění v praxi (princip činnosti čtení dat z DVD nebo CD, vznik duhy...), měli by je žáci dobře pochopit.

Základní popis a provedení experimentu

K experimentu postačí běžné vybavení: kádinka, zkumavka a špejle (viz obr. 1). V případě, že si budou chtít žáci experiment připravit sami doma, postačí místo kádinky a zkumavky dvě sklenice, z nichž jednu lze pohodlně vložit do druhé (analogicky jako zkumavku do kádinky). 

1. Obrázek

Do kádinky nalijeme vodu zhruba do třetiny její výšky. Do zkumavky vlijeme takové množství vody, aby zkumavka stála stabilně v kádince s vodou (tj. nevznášela se), ale přitom aby hladina vody ve zkumavce postavené do kádinky s vodou byla níže, než je hladina vody v kádince (viz obr. 2). Do zkumavky pak zasuneme obyčejnou špejli (dřívko od zmrzliny, tužku...). 

2. Obrázek

Podíváme-li se nyní na špejli ve zkumavce shora (viz obr. 3), zjistíme, že část špejle nevidíme. 

3. Obrázek

Vysvětlení experimentu

Vysvětlení experimentu vyplývá ze zákona lomu a jeho speciálního případu - úplného (totálního) odrazu. Abychom viděli nějaký předmět (v našem případě špejli), musí světlo buď sám vysílat, nebo jej odrážet. Špejle světlo nevysílá, ale odráží světlo, které na ni dopadá. Světlo dopadající ze vzduchu na špejli, která je ve zkumavce s vodou ponořené do kádinky s vodou, prochází postupně vzduchem, vodou, sklem a pak vodou (resp. vzduchem). Na každém rozhranní uvedených optických prostředí se světelný paprsek částečně odráží a částečně láme do dalšího prostředí - jak vyplývá ze zákona odrazu a zákona lomu.

Index lomu vody a index lomu skla jsou přibližně stejné - paprsek tedy nebude na rozhranní vody a skla výrazně měnit svůj směr. Vzduch má ale ve srovnání s vodou (resp. sklem) nižší index lomu. Proto je vzduch z uvedených tří prostředí nejřidší.

Dopadá-li světelný paprsek z vody (v kádince) na skleněnou stěnu zkumavky a dále pak do vzduchu ve zkumavce, v níž není voda, nastává na rozhranní sklo - vzduch úplný (totální) odraz. Jsou totiž splněny základní podmínky pro vznik tohoto jevu: světlo prochází z prostředí opticky hustšího (sklo) do prostředí opticky řidšího (vzduch). Světelný paprsek se tedy zcela odráží od povrchu skla a dovnitř zkumavky už nedopadne. Proto vidíme v daném místě zkumavky namísto jejího vnitřku (tj. špejle) lesklou vodní hladinu, která se zrcadlí na stěně zkumavky v místě, kde došlo k úplnému odrazu světla.

V části zkumavky, v níž je voda, se světelný paprsek šíří bez velkých změn směru dále až ke špejli. Od ní se odráží a dopadá do oka pozorovatele.

Experiment jako problémová úloha

Právě popsaný a vysvětlený experiment lze použít i k formulaci problémové úlohy: Jakým způsobem dosáhneme toho, že uvidíme přerušenou špejli, aniž bychom ji lámali?