Lom monochromatického světla hranolem

Pokus číslo: 1667

  • Cíl pokusu

    Pokus by měl žákům přiblížit pojem deviace a ukázat, v jakém případě je deviace minimální.

  • Teorie

    Světlo se na rozhraní dvou různých prostředí jednak odráží, jednak láme a prochází z jednoho prostředí do druhého. Lom světla se řídí Snellovým zákonem

    n1sinα = n2sinβ,

    kde α je úhel dopadu, β úhel lomu a n1, n2 jsou indexy lomu příslušejících prostředí.

    Optický hranol odchyluje paprsky dopadajícího světla od svého původního směru o úhel δ, který nazýváme deviace. Pokud bude vstupovat paprsek do hranolu ze vzduchu s indexem lomu n1 = 1, bude směr paprsku po průchodu hranolem záviset jen na jeho lámavém úhlu φ a indexu lomu n skla, ze kterého je hranol vyroben. Průchod paprsku optickým hranolem je znázorněn na obrázku níže.

    Průchod paprsku optickým hranolem

    Deviaci můžeme vyjádřit vztahem

    δ = (α1 - β1) + (α2 - β2) = α1 + α2 - φ.

    Minimální deviace nastává při symetrickém průchodu světla hranolem, tedy když α1 = α2 = α a β1 = β2 = β. Početní odvození můžeme najít například v učebním textu prof. Baumruka. Pro úhel α při minimální deviaci paprsku vstupujícího ze vzduchu do hranolu platí vztah \[ \sin\alpha = n\sin\frac{φ}{2}. \]

  • Pomůcky

    Laserové ukazovátko, optický hranol, papír, tužka, úhloměr.

  • Postup

    1. Do středu papíru položíme hranol a tužkou ho obtáhneme.
    2. Laserem posvítíme na hranol a tužkou si naznačíme směr vstupujícího i vystupujícího paprsku.
    3. Vstupující i vystupující paprsek protáhneme a změříme úhel mezi nimi.
    4. Tento postup můžeme opakovat pro různé úhly dopadu s krokem po 10° a zaznamenat si jednotlivé hodnoty deviací.
    5. Z naměřených hodnot přibližně odhadneme, při jakém úhlu dopadu nastává minimální deviace.
    6. Pokud známe index lomu materiálu, ze kterého je hranol vyroben, a jeho lámavý úhel, můžeme si pomocí výše uvedeného vztahu zkontrolovat přesnost odhadu.
  • Technické poznámky

    • Bezpečnostní upozornění: Při práci s laserem je důležité dodržovat bezpečnostní pravidla. Při pokusu dochází i k odrazu paprsku od hranolu, pokus bychom tedy měli pozorovat shora, aby nedošlo k poškození očí.

    • Pokus je náročný na přesnost, i malé odchylky při rýsování se mohou ve výsledku výrazně projevit. Tato nepřesnost je vidět i na fotografii níže.

    Fotografie lomu monofrekvenčního světla hranolem
  • Metodické poznámky

    • Při pokusu můžeme žákům vysvětlit, že světlo se na rozhraní částečně láme, částečně odráží, jak je vidět na fotografii výše.

    • Dále můžeme ukázat pomocí hranolu zákon odrazu.

    • Na pokus je možné navázat výkladem o využití optických hranolů k rozkladu bílého světla na barevné spektrum.

  • Odkaz na související úlohy

    Snellova zákonu lomu se využívá například v úloze Zpoždění západu Slunce.

    Úloha Optický hranol a zrcadlo ve svém řešení využívá deviace.

Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od 2. stupně základní školy
Potřebné vybavení: proveditelné s pomůckami, které se na školách obvykle vyskytují
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: 3–10 minut
Multimediální encyklopedie fyziky
Původní zdroj: Machalická, J. (2015). Experimenty z optiky pro střední školu.
(Bakalářská práce). Matematicko-fyzikální fakulta UK, Praha.
×Původní zdroj: Machalická, J. (2015). Experimenty z optiky pro střední školu. (Bakalářská práce). Matematicko-fyzikální fakulta UK, Praha.