Sbírka fyzikálních pokusů

Lom monochromatického světla optickým 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.

  

  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.

  

• 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.