Tři jednoduché optické pomůcky

Na základní škole a v nižších ročnících gymnázia se při probírání tématu OPTIKA žáci seznamují se základními vlastnostmi světla a aplikací odrazu a lomu světla. Kromě standardních demonstračních pokusů na optické lavici je žádoucí, aby si poznatky o světle "objevili" nebo ověřili sami žáci s jednoduchými pomůckami, pokud možno vlastnoručně vyrobenými. Možností je hodně, pro inspiraci jsme vybrali tři velmi snadno realizovatelné.

Jednoduchý spektroskop

Rozklad světla na spektrální barvy demonstrujeme ve třídě například hranolovým spektroskopem. Žáci však z vlastní zkušeností ví, že se světlo rozkládá na barevné složky i mnoha jinými způsoby - "cédéčkem" (CD), na mýdlových bublinách a v kapkách vody, pohledem skrz vázu z broušeného skla, na hologramech na dokladech nebo různých obalech. Jednoduchý spektroskop z CD lze během deseti minut udělat jako domácí úkol a celá třída se pak může pustit do zkoumání spektra světla oblohy, žárovky, klasické nebo kompaktní zářivky.

Základem spektroskopu je vhodná lepenková krabička. Osvědčila se nám krabička od ovocného čaje s rozměry 7 cm x 15 cm x 5 cm. Její spodní stěnu zpevníme nalepeným pruhem silnější lepenky a celou krabičku slepíme, aby se nemohla při experimentování "rozložit". Po zaschnutí lepidla modelářským řezákem vyřízneme podle obrázku pozorovací otvor na horní stěně a otvor pro nalepení štěrbiny (pozor na úraz!). Vodorovnou štěrbinu o šířce cca 1 mm vytvoříme nalepením dvou kousků alobalu nebo neprůhledné samolepicí pásky přes výřez v přední stěně. Pak vyměříme a prořízneme zářez pro zasunutí CD pod pozorovacím otvorem. Rovina CD by měla svírat se spodní stěnou úhel asi 30°. Tím je spektroskop hotov.

Do zářezu vložíme CD záznamem směrem k pozorovacímu otvoru a štěrbinu zamíříme směrem ke zdroji světla. Výřezem pozorujeme odraz světla od CD, při kterém se světlo rozkládá. Zvlášť výrazný je rozdíl mezi spojitým spektrem žárovky a světlem zářivky s výraznými spektrálními čarami. Struktura plochy CD představuje velmi jemnou odraznou optickou mřížku, na které dochází k interferenci odražených světel a ke vzniku spektra. S objasněním tohoto jevu se žáci setkají až na střední škole v kapitole o vlnových vlastnostech světla.

1. Obr.

Výzkumy s kádinkou

Naši předkové zjednodušeně formulovali zákon lomu větou: Hůl do vody vnořená zdá se býti zlomená. A protože porozumění lomu světla je nutné pro pochopení funkce čoček a optických přístrojů, měli by zkoumat lom světla sami žáci. Stačí k tomu kádinka ze tří čtvrtin naplněná vodou a obyčejná tužka. Pro debatu o lomu světla doporučujeme, aby si všichni žáci ve dvojicích provedli například následující sérii pokusů, zapsali a zakreslili výsledky pozorování:

1. Ponořte tužku šikmo do vody a zakreslete, jak vypadá její obraz při pohledu zepředu a z jiných směrů.
2. Ponořte tužku do vody svisle. Zakreslete její obrazy při pohledu zepředu, jestliže tužku přiblížíte k přední a k zadní stěně kádinky.
3. Umístěte tužku za kádinku svisle. Zakreslete její obrazy při umístění těsně za kádinku a do větší vzdálenosti.
4. Umístěte tužku za kádinku ve vodorovné poloze. Zakreslete její obrazy při umístění těsně za kádinku a do větší vzdálenosti.
5. Pohybujte tužkou za kádinkou zleva doprava. Jaký obraz uvidíte v případě, že pohybujete tužkou těsně za kádinkou a ve větší vzdálenosti?
6. Umístěte tužku za kádinku v šikmé poloze. Zakreslete její obrazy při umístění těsně za kádinku a do větší vzdálenosti.
7. Zvedněte kádinku a podívejte se na hladinu vody šikmo zdola. Ponořte do vody špičku tužky nebo jiný předmět a zakreslete jeho obraz.

V prvních šesti pokusech se žáci přesvědčí o tom, že při přechodu světla ze vzduchu do vody a naopak se obraz tužky mění - zvětšuje nebo zmenšuje, je vzpřímený či převrácený. Kádinka s vodou je vlastně primitivní válcová čočka. Posledním pokusem demonstrujeme totální odraz světla na vodní hladině, která se jeví jako zrcadlo.

2. Obr.

Leeuwenhoek¹ by měl radost

Velmi snadno si může každý žák zhotovit model primitivního jednočočkového mikroskopu, předchůdce dnešních mikroskopů elektronových. Budeme potřebovat tubu akrylátového rozpouštědlového lepidla BUTACEL, které je běžně k dostání v drogerii. Na podložní mikroskopické sklíčko kápneme větší kapku lepidla, necháme ve vodorovné poloze přes noc důkladně zaschnout a mikroskop je hotový. Vytváření kapek (velikost, tvar, doba zasychání) je vhodné vyzkoušet si nejprve na kousku lepenky. Je třeba počítat s tím, že i důkladně zaschlé lepidlo je trochu plastické a nešetrným dotekem nebo dokonce stlačením se kapka zdeformuje a znehodnotí. Proto sklíčka s kapkami neukládáme po skončení pokusů na sebe.

Čočkou z lepidla pozorují žáci z různých vzdáleností drobné předměty, například strukturu tkaniny. Jestliže k sobě přiloží dvě sklíčka s kapkami, vznikne dvojvypuklá čočka s ještě větším zvětšením.

3. Obr.

¹ Anton van Leeuwenhoek (1632 - 1723) je považován za vynálezce jednoduchého mikroskopu a objevitele prvních mikroorganismů.