Totální odraz ve vytékající vodě

Pokus číslo: 1594

Cíl pokusu
Tento pokus slouží k demonstraci totálního odrazu a znázornění principu optických vláken.
Teorie
Lom světla na rozhraní dvou optických prostředí se řídí Snellovým zákonem
\[n_1 \sin⁡ \alpha=n_2 \sin⁡ \beta,\]
kde \(\alpha\) je úhel dopadu, \(\beta\) úhel lomu a n₁, n₂ jsou indexy lomu příslušejících prostředí. Aby mohl nastat totální odraz, musí světlo procházet z prostředí opticky hustšího do prostředí opticky řidšího. Dochází k lomu od kolmice a s rostoucím úhlem dopadu se zvětšuje i úhel lomu. Při tzv. mezním úhlu dosáhne úhel lomu největší možné hodnoty, tedy 90°. Mezní úhel je tedy největším úhlem dopadu, při kterém ještě nastává lom světla. Při větších úhlech dopadu už k lomu světla nedochází a paprsek se jen odráží od rozhraní. Říkáme, že dochází k totálnímu odrazu. Právě na tomto jevu jsou založena optická vlákna. Průchod paprsku vláknem je vidět na obr. 1.

Převzato z: Encyklopedie fyziky
Pomůcky
Laserové ukazovátko, plastová láhev, mléko, nádoba na vytékající vodu, hřebík.
Postup
1. Pomocí hřebíku uděláme do láhve otvor zhruba 5 cm nad dnem.
2. Láhev postavíme na vyvýšené místo a naplníme vodou.
3. Nádobu umístíme do místa, kam bude dopadat vytékající voda z láhve.
4. Laserovým ukazovátkem posvítíme tak, aby paprsek procházel vodorovně skrz láhev a dopadal na výtokový otvor.
5. Pozorujeme chod paprsku ve vytékající vodě.
Vzorový výsledek
Video níže zachycuje několikanásobně zrychlený průběh experimentu.
Technické poznámky
- Pro snazší vytvoření otvoru je dobré hřebík napřed nahřát nad svíčkou.
- Otvor by měl být širší než laserový paprsek, aby nedocházelo k nechtěným odrazům. Navíc úzký paprsek bude procházet vodním proudem po lomené čáře, čímž se zviditelní demonstrovaný jev.
- Při napouštění lahve vodou je dobré utěsnit vytvořený otvor a následně láhev uzavřít, aby voda zbytečně nevytékala, dokud nádoba nebude připravená na správném místě.
- Samotný efekt je možné zlepšit přidáním pár kapek mléka do vody, čímž dojde k jejímu zakalení a zviditelnění paprsku.
- Bezpečnostní upozornění: Dbejte zásad bezpečné práce se zdrojem laserového záření!
Metodické poznámky
- Při tomto pokusu nedochází jen k odrazu, ale světlo se láme i ven z vytékajícího proudu vody, jinak bychom paprsek neviděli.
- Jako alternativní pokus je možné při výuce demonstrovat Totální odraz v gelových kuličkách.
Odkaz na související úlohu
Totálním odrazem se zabývá úloha Odraz světla ve skleněné podkově.