Součástí výuky fyziky by měly být i laboratorní práce, v rámci kterých si žáci sami zkusí fyzikální závislosti odměřit. To ovšem vyžaduje rozmyšlení metody měření, sestavení aparatury, zapsání příslušných dat a jejich následné zpracování a vyhodnocení. Z vlastní zkušenosti vím, že žáky nejvíce osloví laboratorní práce, které jsou něčím atypické (nezvyklý způsob měření, měřicí nástroje, ...). Měření vlnové délky světla (alespoň dle mého názoru a reakcí žáků) do této kategorie patří.
Laboratorní práci se žáky provedeme ve 3 krocích:
Zpracování měření (výpočty, závěr a zhodnocení práce) žáci provedou doma.
Učitel na začátku hodiny (poté, co v minulých hodinách vysvětlil difrakci světla na mřížce) napíše na tabuli zadání laboratorní práce: Určete vlnovou délku světla laserového ukazovátka. Laserové ukazovátko (postačí to, které lze zakoupit velmi levně na tržištích) žákům ukáže.
Současně je upozorní na nebezpečí, které při práci s laserovým ukazovátkem hrozí: neopatrný pohled do ukazovátka v chodu, resp. do jeho světla odraženého od lesklého povrchu okolních předmětů, může znamenat nenahraditelné poškození sítnice oka. Řada výrobců levných laserových ukazovátek navíc nedodržuje výkon přístroje - ten, který je uveden na přístroji, je většinou výrazně menší ve srovnáním s výkonem, který přístroj ve skutečnosti má. Doporučuji v tomto smyslu žáky spíše „vyděsit", než pak řešit vážné poškození zraku.
Jako další povolenou pomůcku ukáže učitel žákům dílenský metr. Na případný dotaz žáků je učitel ubezpečí, že budou potřebovat ještě jednu pomůcku. Jakou, to nyní neprozradí. Pokud se žáci na další pomůcky nezeptají, tuto nápovědu jim učitel sdělí.
V závislosti na nadání žáků učitel vymezí časový limit 5 - 10 minut, během kterého mají žáci za úkol vymyslet, jakou další pomůcku budou potřebovat a jak vlnovou délku světla změří. Během doby, po kterou žáci samostatně nebo ve dvojicích vymýšlejí pracovní postup, učitel postupně kontroluje, konzultuje a koriguje nápady žáků.
Nakonec by žáci měli dojít k závěru, že optimální by bylo mít k dispozici optickou mřížku a vlnovou délku světla určit na základě ohybu (difrakce) světla na optické mřížce. Pomůcky nutné k laboratorní práci tedy jsou: optická mřížka (z optické soustavy) se známou mřížkovou konstantou b, držák na optickou mřížku, laserové ukazovátko, dílenský metr a tužka (viz obr. 1).
 |
| 1. obrázek |
Difrakční obrazec budeme zaznamenávat na vzdálené stínítko, alespoň 2 m od mřížky. Z důvodů zatraktivnění laboratorní práce lze promítat na omyvatelnou část stěny (je nutné ji po skončení práce umýt) a interferenční obrazec zaznamenávat měkkou tužkou. Pokud omyvatelná stěna není k dispozici, je možné záznam dělat na tabuli, na papír připevněný na stěnu nebo na tabuli apod.
Před vlastním měřením je dobré zopakovat základní teorii problému. Difrakci světla budeme zaznamenávat na stínítku ve vzdálenosti l, která je výrazně větší než mřížková konstanta b. Směr αk ke k-tému maximu světla s vlnovou délkou λ je v tomto případě popsán vztahem bsinαk = kλ. Pro úhel přitom (dle obr. 2, který ovšem není nakreslen ve správném poměru!) platí:, kde xk je vzdálenost k-tého maxima od nultého (hlavního) maxima.
 |
| 2. obrázek |
Vzhledem k tomu, že vzdálenost mřížky od stínítka je výrazně větší než mřížková konstanta mřížky, lze úlohu matematicky zjednodušit. Pro dostatečně malé úhly totiž přibližně platí sinα = tgα. O tom se mohou žáci přesvědčit na vlastní kalkulačce, na které si převedou např. úhel 5° na radiány, najdou jeho sinus a hodnotu si zaznamenají. Totéž zopakují pro tangens a zjistí, že hodnoty obou goniometrických funkcí jsou velmi podobné. Je-li k dispozici počítač s vhodným programem (např. Excel, Mathematica) lze v okolí bodu 0 vykreslit grafy obou uvažovaných funkcí - zobrazené křivky jsou v okolí nuly téměř identické. Proto je možné vztah pro podmínku vzniku maxima na stínítku upravit, a výpočet si tak zjednodušit:
 |
| 3. obrázek |
Vlastní měření
Sestavíme aparaturu tak, aby vzdálenost mezi mřížkou a stínítkem byla alespoň dva metry a vhodným způsobem u mřížky zafixujeme laserové ukazovátko. Změříme vzdálenost mezi stínítkem a mřížkou. Pokud je možné zatemnit okna, zatemníme. Na stínítko promítneme přes mřížku difrakční obrazec a polohy maxim vyznačíme (viz obr. 3). Pak odměříme postupně vlevo i vpravo od hlavního maxima vzdálenosti jednotlivých maxim (tj. pro tolik k, kolik maxim se na stínítku zobrazilo, určíme vzdálenosti xk na obě strany od hlavního maxima - viz obr. 4). Naměřené údaje zapisujeme do tabulky.
 |
| 4. obrázek |
 |
| 5. obrázek |
Zpracování naměřených hodnot včetně závěru a zhodnocení práce provedou žáci doma. Zda budou protokol o laboratorní práci zpracovávat ručně nebo s použitím výpočetní techniky (a vhodného tabulkového editoru), záleží na jejich nadání a dovednostech s výpočetní technikou.
Tuto laboratorní práci provádíme frontálně. Měříme jednou aparaturou a postupně se u jednotlivých činností vedoucích k naměření a dopočítání vlnové délky světla laserového ukazovátka vystřídá více žáků (měření vzdálenosti stínítka a mřížky, označení poloh maxim, měření vzdáleností jednotlivých maxim od hlavního maxima, ...). Důležitou roli hraje motivace - pokud jeden z žáků neodvede kvalitní práci, budou mít špatné výsledky všichni.
Žáci jsou většinou zvědaví, zda je možné opravdu dílenským metrem naměřit vlnovou délku světla. S využitím další pomůcky - optické mřížky - to možné je. Motivací pro žáky je to, že si sami zkusí praktický experiment. Při zkoumání spekter látek (např. spektrum hvězd) se postupuje velmi podobně. Ohybem světla na mřížce získáme výrazně širší a pro další zpracování vhodnější spektrum než při použití disperze na optickém hranolu.
Všechny články jsou publikovány pod licencí Creative Commons BY-NC-ND.
Článek nebyl prozatím komentován.
Pro vložení komentáře je nutné se nejprve přihlásit.
Článek není zařazen do žádného seriálu.
