Věda a technika v pozadí Světelný ostrov

Jak exponát vypadá

Jak exponát vypadá:

Autor textu

Autor textu:

Mgr. Magda Králová

Exponát má na starosti

Exponát má na starosti:

Mgr. Kristýna Nová

O čem je tento exponát

O čem je tento exponát:

Světelný ostrov je jakýmsi světelným pískovištěm či optickým hřištěm, kde si můžete s optikou hrát, jak jen vám to vaše fantazie dovolí. Chybí vám znalosti z optiky? Dožeňte to chutí experimentovat! Co všechno se dá na světelném ostrově zkusit? Jen tak namátkou: solární gril, brýle na blízko i na dálku, optický kabel, duha na několik způsobů, "házení prasátek" a mnoho dalšího.

Ve středu kulatého stolu exponátu je umístěný zdroj světla. Pomocí něho a několik optických pomůcek - překážek, které světlo lámou (čočky, optické hranoly), odráží (zrcadla), pohlcují (barevné ﬁltry) nebo ohýbají (difrakční mřížka, štěrbiny), můžete vykouzlit zajímavé optické úkazy.

Teorie

1. Lom světla a čočky

K lomu světla dochází na rozhraní dvou prostředí, proniká–li světlo z jednoho prostředí do prostředí druhého. Zdá se nepochopitelné, proč si světlo v druhém prostředí nezachovává svůj původní směr. Chování světla můžeme přirovnat k pochodující koloně vojáků, kteří narazili na hranici mezi rovinou a nepřístupným terénem. V obou prostředích musí jít kolona jinou rychlostí – v nepřístupném terénu musí zpomalit. Jestliže kolona nepůjde na rozhraní kolmo, ale pod určitým úhlem, pak vojáci v první řadě nedosáhnou této hranice současně, ale jeden po druhém. Každý voják, když se ocitne v nepřístupném terénu je nucen zpomalit a bude se tak za ostatními zpožďovat. Aby se tak nestalo, musí se část kolony, která už přešla hranici, natočit v tupém úhlu k ostatním.

Lom světla.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Zákon lomu můžeme zapsat ve tvaru.

Kde v₁ je rychlost světla v prvním prostředí, v₂ rychlost světla v druhém prostředí, c rychlost světla ve vakuu, n₁ a n₂ indexy lomu obou prostředí.

Lom světla využívají čočky, zhotovené nejčastěji ze skla nebo plastické hmoty, které mají větší index lomu než okolní prostředí. Povrch čočky tvoří v nejjednodušším případě dvě kulové plochy. Podle uspořádání ploch rozlišujeme: spojky (uprostřed jsou tlustší než u okrajů, soustřeďují paprsky rovnoběžné s optickou osou do ohniska) a rozptylky (uprostřed jsou nejtenčí, rozptylují světlo tak, jako by vycházelo z ohniska před čočkou).

Druhy čoček.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Lom světla ve spojce a rozptylce.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

2. Odraz světla a zrcadla

Při dopadu světla na rovinné zrcadlo dochází k jeho odrazu. Ten se řídí zákonem odrazu:

Pro odraz světla platí zákon odrazu: Velikost úhlu odrazu α´ se rovná velikosti úhlu dopadu α. Dopadající a odražený paprsek leží ve stejné rovině – v rovině dopadu.

Odraz světla.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Podmínka α = α´ souvisí právě se stejnou rychlostí světla před odrazem i po odrazu. Při kolmém dopadu je dopadající paprsek sám kolmicí dopadu a je vlastně i odraženým paprskem. Platí tedy α = α´= 0°.

Odraz světla využívají zrcadla, která mohou být dutá nebo vypuklá. V dutém zrcadle se do ohniska odrážejí všechny paprsky rovnoběžné s optickou osou, tedy všechny paprsky vycházející z velmi vzdáleného zdroje světla (Slunce). Rovnoběžné sluneční paprsky se po odrazu od dutého zrcadla soustředí v ohnisku, kde vlastně vzniká obraz Slunce. Zde se také soustředí energie, kterou přenáší sluneční záření. Když umístíme do ohniska hlavičku zápalky, zápalka se vznítí. Tento jev dal ohnisku název. Paprsky ze zdroje umístěného v ohnisku dutého zrcadla jsou po odrazu od zrcadla rovnoběžné. Toho se využívá např. v osvětlovací technice, kde je však výhodné používat dutá zrcadla ve tvaru paraboloidu. Takto jsou konstruovány např. reﬂektory automobilů.

Vypuklé zrcadlo má odrazovou vrstvu na vnější straně. Paprsky se po odrazu od vypuklého zrcadla rozptylují. Paprsky rovnoběžné s optickou osou vypuklého zrcadla se odrážejí tak, jako by vycházely z ohniska za zrcadlem.

3. Barevné ﬁltry

Jestliže bílému světlu dáme do cesty modrý ﬁltr, tak z původně bílého světla propustí jen složky modrého světla. Pokud přidáme i žlutý ﬁltr, tak propustí jen složky žlutého světla. Dohromady z bílého světla zbude jen zelená barva. Kdybychom použili dva ﬁltry, jejichž spektrální složky nemají žádnou společnou část, bude tato kombinace ﬁltrů zcela neprůhledná.

Subtraktivní míchání barev.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

4. Ohyb světla

Přímočaré šíření světla je ovlivněno překážkami, na které světlo při svém šíření dopadá. Za takovými překážkami vzniká nejen stín, ale za určitých okolností může světlo proniknout zčásti i za překážku. Tento jev se nazývá ohyb světla neboli difrakce. Tento jev je důsledkem vlnových vlastností světla. Ohybové jevy jsou výrazné při ohybu na překážkách malých rozměrů nebo když je pozorujeme v dostatečné vzdálenosti za překážkou. Příkladem může být ohyb světla na drátku, úzké štěrbině, malém otvoru, na hraně, tkanině, difrakční mřížce apod. Při ohybu na hraně dostaneme tmavý geometrický stín a střídající se tmavé a světlé proužky v místě, kde by žádný stín být neměl. Světlé proužky představují maxima, tmavé proužky minima (viz obrázek). Světlé a tmavé proužky různé šířky tvoří charakteristický ohybový (difrakční) obrazec. Použijeme–li místo monochromatického světla světlo bílé, proužky budou barevné.