Potřeby: CD, DVD, laserová ukazovátka (mám ty nejlevnější červená za 50kč, prodávají se i jako hračky pro kočky), papírová lepící páska, metry, pravítka, kartony, nůžky, úhloměry
Inspirováno úlohou z učebnice E-manuel a úlohou, která se dlouhé roky dělá na soustředění fyzikální olympiády na chatě Táňa v Krkonoších.
Měření vzdálenosti vrypů na CD: Úloha slouží k uvědomění, že interferenční maxima neexistují jen na stínítku, kam světlo dopadne, ale všude v prostoru mezi CD (dvouštěrbinou, optickou mřížkou) a stínítkem. Setup experimentu je jako na obrázku vpravo. Při odrazu laserového paprsku od CD vznikne podobný vzor (pattern) jako při interferenci vlnění na vodní hladině ze dvou zdrojů (V hodinách jako evokaci k vlnové optice používám toto video, ze kterého je i druhý obrázek.
Žáci změří úhly mezi nultým a prvním maximem, případně mezi nultým a druhým maximem. Provedou to pro CD a pro DVD. Následně vysvětlujeme pomocí obrázku, proč při pohledu na CD vidíme duhu. (Pro každou vlnovou délku bude úhel, ve kterém nastane interferenční maximum trochu jiný). I když je měření hodně nepřesné, vypočítají z těchto úhlů vzdálenost vrypů b.
Tento úkol i s diskusí ohledně maxim a duhy nám většinou zabere cca 35min. Provádím ho s kvartou (pouze měření úhlů a pozorování toho, že se to opravdu děje) i třeťáky na gymnáziu.
Měření tloušťky vlasu: Přes ústí laseru dáme vlas, který přichytíme papírovou lepicí páskou. Laser přichytíme papírovou lepicí páskou k židli. Pro různé vzdálenosti vlasu (ústí laseru) od zdi D měříme vzdálenosti interferenčních minim L. Podle návodu v protokolu spočítáme tloušťku vlasu b. (Vychází většinou okolo 50mikrometrů). Diskutujeme v jakých jednotkách které veličiny můžeme dosazovat (L,D musí být ve stejných jednotkách, protože jsou ve zlomku, je jedno jestlu v metrech nebo centimetrech, vlnovou délku pak dosadíme v nanometrech a tloušťka vlasu vyjde v nanometrech). Většinou vyhodnocujeme i chybu měření (omezeným středoškolským způsobem) Úkol zabere též okolo 35min. Měření provádíme 5x (v kvartě jen 3x), někdo by mohl namítnout, že je to málo. V této laboratorní úloze mi jde o pocit, že “nám to funguje” a “jé, já měřím v řádu mikrometrů”, spíše než o zdlouhavé zpracování. Obecně v laboratorních pracech dávám přednost osahání tématu z více úhlů spíše než zdlouhavému zpracování měření.
Nakonec se pokusíme zkušenosti s obou pokusů spojit. CD dám rovnoběžně s tabulí asi 1m od ní. ve směru od tabule posvítím laserem a ukážu studentům dvě tečky odpovídající prvním maximům, které se na tabuli objeví. Jejich úkolem je popsat přesně postup měření, jak tímto způsobem, bez měření úhlu získat údaje pro změření vzdálenosti vrypů na CD.
Protokol pro všechny tři úkoly k tisku (2 strany na jednu A4) – celá laborka je dohromady na 90minut. Na konci laboratorní práce sepíšeme všechny výsledky na tabuli, hledáme, která skupina se trefila nejblíže ke skutečným hodnotám pro CD a DVD, opravíme chyby v zápisu výsledku a zaokrouhlení, nasdílíme si jednu nebo dve “kuchařky” pro poslední úkol.
Omezené miniprotokoly pro Kvartu (bez goniometrie) pro první dva pokusy, které používám každý v jedné 45minutové laborce.
Při probírání interference na tenké vrstvě děláme dvě piškuntálie přímo v hodinách. Studentům do 4členných skupin rozdám bublifuky se dvěma úkoly:
- Co nejpřesněji popište, jak bubliny vypadají. Jaké mají barvy? Co jejich barvy ovlivňuje? Jak tyto barvy vypadají při pohledu z blízka (Různé velikosti bublin mají různé bervy při pohledu z dálky, bublina má jinou barvu při pohledu kolmo na vrstvu a na okrajích, kde světlo prochází vrstvou šikmo)
- Na tyčinku bublifuku zkuste zachytit co nejtenší bublinovou blánu (vyfouknutím bubliny, jejím opětovným zachycením a prasknutím získáme tenší blánu než pouhým namočením do bublifuku). Pozorujte odražené světlo od bublinové blány. Vidíte nějaký speciální vzor? (duhové pruhy, obvykle se povede jedné skupině ze třídy – bavíme se o tom proč)
S dlouhou pružinou přímo ve třídě demonstrujeme odraz vlnění na pevném a volném konci. Tyto analogie použijeme pro rozhraní prostředí menší/větší index lomu – odraz na pevném konci, větší/menší index lomu (odraz na volném konci). Pak na základě toho odvozujeme vztah pro dráhový rozdíl paprsků odražených od 1. a 2. rozhraní na bublině.