Optika je krásné téma plné vizuálních efektů, které můžeme žákům poměrně snadno dopřát i bez finančně náročných pomůcek. Následující text představuje soubor pokusů, které procházejí geometrickou optiku od rovnoměrně přímočarého šíření světla přes odraz a lom po totální odraz. Hlavní roli mezi pokusy hraje akvárium.

 Text je psaný podrobně včetně fyzikálních principů, je psán pro učitele I. i II. stupně ZŠ a pro jakékoliv další zájemce o tyto pokusy.

Pokusy s akváriem

Akvárium: Pokud nemáte, zeptejte se známých, často někomu akvárium leží na půdě. Pokud byste kupovali, doporučuji navštívit sklenářství a vymyslet si vhodný rozměr tak, aby bylo dostatečně velké, ale ještě se vám s ním snadno manipulovalo v jednom. Na akvárkovou optiku vám postačí i jen 50 cm dlouhé a 25 cm široké akvárium. Cena se u sklenáře pohybuje kolem 1000 Kč.

Zdroj světelných paprsků: Doporučuji pořídit laserové ukazovátko. Z těch běžných máte na výběr červené, zelené nebo modré. Červený paprsek bývá nejméně vidět. Modrý se zase hodně rozptyluje a má poměrně širokou stopu. My používáme zelený, na který je lidské oko nejcitlivější. Bohužel má ze všech tří zmíněných nejkratší životnost z důvodu jeho konstrukce. Znamená to, že vám po několika měsících může začít klesat jeho intenzita. 

Pak je samozřejmě otázkou, jak silný laser by to měl být. Ve škole bychom neměli pracovat s lasery o výkonu větším než 5 mW. Silnější lasery by podle nás určitě neměly přijít do rukou žákům. Co se týká demonstračních pokusů vedených učitelem, bude vám při dobrém zatemnění stačit na tyto experimenty i 5 mW, nicméně použitím silnějšího laseru budou pokusy vizuálně atraktivnější. Jako vhodný mi přijde ze zkušenosti 50 mW laser. 

Obecně si dávejte při práci s lasery pozor na odrazy. Pokud někomu omylem posvítíte do očí, vězte, že oko se brání a okamžitě se zavře. Laser se také se vzdáleností od zdroje hodně rozptyluje. 

Lasery je možné zakoupit například v internetovém obchodu www.laser-shop.cz}. Ceny se pohybují v řádu stovek a stoupají s intenzitou laseru.

Rozptylové částice: Aby byla stopa laseru vidět, je třeba, aby se jeho paprsky odchýlily k nám do oka. To byste měli vidět i ve vzduchu na částečkách prachu, kde laser mírně zjasní. Zkuste třeba do paprsku nadrolit trochu křídového prachu. Ve vzduchu se také dá dobře využít glycerinová mlha. Pro naše pokusy nicméně nic sofistikovaného nepotřebujete.

Na rozptyl ve vodě vám bohatě postačí jej podpořit čajem nebo kávou. Pokud do vody přilijete hrnek jakéhokoliv čaje nebo trochu kávy, paprsek světla se zvýrazní.

K rozptylu je nutno dodat, že pro světlo je snazší se rozptylovat do menších úhlů. Proto paprsek uvidíte lépe vždy, když míří směrem k vám a ne od vás. A také proto paprsek vždy lépe uvidí jedna část třídy oproti druhé. Doporučuji střídat směry, kterým do akvária míříte, aby si oba kraje třídy pokusy užily.

ODRAZ V AKVÁRIU

Posvítíte-li do akvária shora, světlo se vám odrazí hned od několika vrstev. Na stropě uvidíte stopu laseru odraženou od hladiny vody a přímo ve vodě uvidíte odražený paprsek od skleněného dna. Už zde je krásně vidět zákon odrazu. O něco lépe bude odražený paprsek vidět, když na dno ponoříte zrcátko. 

Například špejlí můžete znázornit, kde je kolmice k hladině, případně si kolmci můžete nakreslit na akvárium, laser postavit do držáku a s dětmi přímo měřit úhel dopadu a odrazu. Nicméně i bez měření je to velmi názorné.

Na obrázkcích je vidět odraz od dutého zrcadla a odraz od vypuklého zrcadla. Je zde i fotomontáž několika paprsků

V akváriu můžete ukázat i koutový odražeč, tedy tři zrcátka slepená izolepou do rohu (navzájem kolmo). Sviťte na roh z různých směrů, vždy se vám ukáže odražený paprsek směřující zpět do směru, ze kterého přišel. O něm najdete i další text níže.

LOM

Světlo se na rozhraní dvou prostředí také láme. Lom do vody i z vody paprskem laseru krásně znázorníte. Pozor, když svítíte z vody do vzduchu a ukazujete lom od kolmice, musíte svítit z boku akvária a ještě k tomu hodně zešikma, jinak se ukáže totální odraz.

Praktické využití lomu je hlavně u čoček, které nám paprsky svěla buď trochu víc nakloní k sobě nebo je naopak od sebe odkloní. Na ukázku dejte do akvária spojku a rozptylku a ukažte i různé mohutnosti čoček. Jednou rukou je držte ve vodě a druhou na ně sviťte z boku akvária a paprskem posouvejte nahoru a dolů. Uvidíte, jak se světlo za spojkou naklání k rovině čočky v případě spojky. A naopak u rozptylky budete pozorovat, jak se paprsky od roviny čočky rozptylují. Různou mohutností čoček ukážete dětem různou intenzitu takového jevu. Pokud nedisponujete žádnými čočkami, můžete se poptat v blízké optice, zda by se od nich nedaly koupit levně nějaké kazové. Případně zkuste oslovit nejbližší centrum Elixíru, nebo napište nám a nějaké vám pošleme.

Na obrázcích níže je zleva: chod paprsku rozptylkou a následná fotomontáž, chod paprsků spojkou a následná fotomontáž.

DIVNÉ ČOČKY

Vlastnosti čoček jsou dány jejich tvarem, ale pozor, nejen tím! Záleží také, z jakého jsou materiálu a v jakém jsou materiálu. Pokud se s brýlemi ponoříte do vody, už vám tak dobře fungovat nebudou, protože voda má jiný index lomu než vzduch a čočky vám vytvoří v oku obraz trochu jinde. Zkuste dětem ukázat, co se stane, když do vody vložíte prázdnou kulatou baňku. Ta má tvar spojky, nicméně když ji ponoříte do vody a posvítíte laserem, bude fungovat jako rozptylka. Svítíme totiž z vody do vzduchu, tedy z opticky hustšího prostředí do řidšího a paprsky se budou chovat přesně opačně. 

Můžete děti také trochu zmást a pobavit se o tom, že hustota látek ještě není to samé jako optická hustota. K tomu vám bude stačit nalít do baňky obyčejný olej. Ten má menší hustotu než vzduch, ale pro světlo je opticky hustší. A tak se z něj pod vodou stane spojka, i když bychom čekali rozptylku.

Na obrázcích níže je zleva: chod paprsků baňkou vyplněnou vzduchem, chod paprsků baňkou vyplněnou olejem a fotomontáž několika paprsků skrz baňku vyplněnou částečně vzduchem a částečně olejem.

ÚPLNÝ ODRAZ

Úplný odraz může být dětem hodně blízký, protože odpovídá na otázku, jak se vede internet. Ukažte nejprve úplný odraz v akváriu. Sviťte z boku akvária pod velkým úhlem do vody tak, aby byl ještě pořád vidět paprsek, který se lomí do vzduchu. Ten je vidět minimálně jako stopa na stěně. Případně ho můžete zviditelnit dýmem z vonné tyčinky. Pokud budete úhel stále zvětšovat, najednou parsek ve vzduchu zmizí. Už se nemá kam dál lomit, dostene se k hladině vody a pak... není. Všechno světlo se odrazí dovnitř vody. Je krásně vidět, jak paprsek odražený od hladiny najednou zjasní. A k čemu je to dobré?

Normálně se světlo šíří rovnoměrně. Kdybychom ho chtěli nasměrovat skrz několik pokojů a chodbu, bude to docela náročný úkol s hromadou zrcátek. Ale když světlo uvězníme v nějakém materiálu, stačí už natvarovat jen ten materiál. A to děláme optickými vlákny.

FATA MORGANA

V akváriu můžete dětem také ukázat fata morgánu. Vysvětlení a návod najdete v našem videu z cyklu Masarykovy univerzity pod názvem Badatelna: https://www.youtube.com/watch?v=aAEcEJ4bjpk

ROZPTYL

Další nápad představuje ukázka rozptylu v akváriu. Následující video ukazuje, proč je obloha modrá, červánky červené a jak se rozptylují jednotlivé barvy: https://www.youtube.com/watch?v=theWxcqn3jg¨

Koutový odražeč 

Za zajímavé využití odrazu (kromě zrcadlových dalekohledů) považuji koutový odražeč. Je to věc pro lidstvo tak důležitá, že jej na Měsíc vyneslo již Apollo 11. 

Koutový odražeč jsou tři zrcátka spojená do rohu. Světlo na nich vykoná několik odrazů, které způsobí, že se vyslaný paprsek vrátí směrem ke zdroji, od kterého přišel. A to se hodí, pokud v noci potřebujete vidět to, na co svítíte. Například, pokud jste řidiči automobilu, tak byste rádi viděli cyklistu nebo chodce na silnici. Proto bychom neměli zapomínat nosit odrazky a reflexní prvky. Ty jsou tvořené právě mnoha malými koutovými odražeči. Klidně žákům na ukázku nějakou odrazku ukažte nebo vezměte z auta reflexní vestu, kde zdánlivě tmavé reflexní pruhy v noci díky odrazu svítí. Na obrázcích je zleva: odrazka žlutá, odrazka červená, detail odrazky a detail pruhu na silniční vestě.

A proč jsme odrazku odvezli až na Měsíc? Když na ni dokážeme ze Země posvítit laserem, můžeme z doby návratu paprsku spočítat velmi přesně (na milimetry), jak je od nás Měsíc daleko. I díky tomu dnes víme, že se od nás Měsíc vzdaluje rychlostí 5 cm za rok. Myslím, že takové měření je úctyhodný výkon vědy.

Jednoduché pokusy s lomem

Můžete žáky pobavit vtipnými fotografiemi z internetu, nebo jim prostě rozdat kelímek s vodou a špejli, ať se sami o lomu přesvědčí. 

Mizející mince

Zkuste si s dětmi velmi jednoduchý pokus, který názorně ukazuje, že ne vše pod vodou se zdá být tam, kde má. Na pokus potřebujete jen neprůhlednou misku nebo hluboký talíř, minci a vodu. Do talíře umístěte minci. Podívejte se do něj z boku tak, aby vám mince těsně zmizela z pohledu. Opatrně nalijte vodu do talíře. Mince se vám zjeví před očima!

Čočky

Ať už optiku pojímáte jakkoliv, jako zcela zásadní v pochopení čoček dětmi vidím to, aby si děti mohly se spojkou a rozptylkou pohrát. Ne na optické lavici, ne v laboratorní práci, ale prostě jen tak v ruce. Rozdejte dětem spojky a rozptylky a zeptejte se jich, jak poznají, která je která. Mohou na to jít hned třemi způsoby. 

• Tvarem mohou zjistit, zda je čočka tlustší uprostřed nebo na krajích. U málo mohutných čoček to ale není po hmatu poznat. 
• Mohou se podívat zblízka třeba jen na svůj prst. Rozptylka by ho měla zmenšit, spojka zvětšit. 
• A nebo se mohou skrz obě čočky podívat (čočky je dobré držet od sebe na vzdálenost natažených paží) a zjistit, že ve spojce je svět vidět vzhůru nohama. Tak, jako to děti znají z kapek rosy, nebo ze skleněných kuliček. 

A když už takto dětem rozdáte spojku a rozptylku, nechte je si zkusit zásadní pokus, a to zobrazení spojkou. Nechte je zobrazit zářivky na lavici, vlákno žárovky na strop a nebo je nechte zobrazit okno na bílou stěnu. Obraz okna bude převrácený a barevný. 

Vodní lupa I

S menšími dětmi si můžete vyrobit jednoduchou lupu z vody a kelímku. Základem je zmíněný kelímek, ideálně pevný, může být mělký (třeba od mléčné rýže). Pak vám postačí obyčejná gumička, čirá potravinářská folie, voda a cokoliv, co chcete zvětšovat.

Navrch kelímku položte potravinářskou folii a přitáhněte gumičkou. Snažte se o to, aby vám ve folii vznikl jakýsi důlek. Do důlku nalijte vodu a je hotovo. Voda je folií vytvarovaná do spojné čočky a zvětšuje jako lupa. 

Jsou dvě varianty, jak může výsledná lupa vypadat. První varianta je s kelímkem vcelku, při které věci pro zvětšení vkládáme přímo do kelímku (třeba minci). Druhou variantou je lupa s odříznutým spodkem kelímku, která je výhodná v tom, že s lupou můžeme pozorovat různé věci na stole (třeba text novin). 

Nevýhodou druhé varianty je snazší deformace kelímku, proto doporučujeme opravdu co nejtrvdší kelímek, který seženete. Pokud budete dělat druhou variantu, v prvním kroku odstřihněte spodek kelímku a to co nejvíce rovně. Pro větší pevnost kelímku nemusíte stříhat celé dno, ale můžete jen ve dně vystřihnout větší otvor. 

Pokud budete dělat variantu první, určitě v prvním kroku do kelímku položte věci, které chcete vidět zvětšené. Nebo si předvídavě v boku kelímku vytvořte otvor, abyste předměty v kelímku mohli měnit. 

Vodní lupa II 

Abyste si s dětmi zobrazili chod paprsků spojkou, nepotřebujete nutně ani laserové ukazovátko. Zkuste následující pokus, který je vhodný pro děti všeho věku. Na pokus si připravte průhledné kelímky různých velikostí (viz. obrázek), papír, baterku (případně svíčku).

Papír po jeho delší straně přehněte na třetiny. V prostřední části papíru vystřihněte rovnoběžné proužky, průchody pro světlo, viz obrázek. Můžete do papíru vystřihnout více variant - různě široké pruhy různě daleko od sebe a odzkoušet tu nejlepší. Nám se více osvědčily užší proužky s užšími mezerami. Hezké jsou také jen dva úzké proužky dál od sebe. Baterkou svítťe skrz otvory do různých sklenic nebo kelímků s vodou. Za kelímkem se světlo spojí. Pozorujte s dětmi, jak daleko se bude spojovat u širších a užších skleniček.

Čočkou je v tomto pokusu kelímek s vodou. V rovině, ve které na kelímek svítíme, jde o spojku, která má kulatý tvar. Čím více je kelímek zahnutý, tedy čím zakřivenější má stěny (v našem případě nejmenší kelímek), tím je čočka vypouklejší a paprsky se spojí blíže k čočce. Naopak největší kelímek má stěny nejrovnější, čočka je málo vypuklá a paprsky se spojí dále od kelímku.

Válcové čočky 

Válcové čočky jsou na výrobu a hrátky nimi opravdu jednoduché. Tady máte hned několik typů. 

Válcovou čočku vyrobte jednoduše z vody ve skleničce. Ideální sklenička je válcová, rovná. Obraz za skleničkou je stranově převrácený, s čímž se dá pěkně hrát. Nakreslete si na papír třeba šipku a sledujte, ve kterém místě za skleničkou se její obraz stranově otočí. Papír musí být trochu dál od skleničky, přesně řečeno za jejím ohniskem. Případně si k hraní vytiskněte námi připravené obrázky a přesuňte mrkvičku blíž ke koníkovi, utíkající nevěstu vraťte k ženichovi a zachraňte miminko od opuštění rodičem.

Válcovou čočku si můžete vyrobit i ze zkumavky naplněné vodou. Tu pak můžete použít ke čtení následujících textů. První text má dva sloupce a vaším úkolem je najít rozdíl ve slovech v jednom a druhém sloupci. Najdete ho? Druhý text pak díky převrácení čočkou snadno přečtete, je psaný vzhůru nohama.

Neviditelnost

Pokud najdeme dvě látky se stejnou optickou hustotou, tedy se stejným indexem lomu, měla by jedna látka zmizet v té druhé. Asi nejhezčí kombinací je olej a chemické sklo. Míchací chemická tyčinka v oleji zmizí. Nebo malá kádinka ve větší sklenici naplněné olejem také nebude vidět. Můžete si před dětmi zahrát na kouzelníky a zkumavku, o které doposud nevěděly, vytáhnout z oleje.

Jinou variantou je použít tzv. gelové perly z květinářství. Pozor, musí být průhledné. Gelové kuličky se nechají nasát vodou a jsou jí tak z 95 % tvořeny. A voda ve vodě není vidět. Tento pokus děti milují a úplně nejraději se v kuličkách rochní a hrají si s nimi.

Optická vlákna

Optickými vlákny vedeme značnou část internetu. Například data z Ameriky do Evropy putují obřím svazkem vláken položeným pod Atlantickým oceánem. Další využití je třeba v kolonoskopii a jinde v lékařství. 

Pokud nemáte demonstrační vlákno, zkuste sehnat kus širšího plexiskla nebo skleněné tyčinky. Chemické skleněné tyčinky se nad kahanem snadno ohýbají a můžete si tak udělat prakticky jakékoliv tvary.

Skvělá optická vlákna jsem našla ve Wish jako dekorativní osvětlení. Dají s pořídit tenké i tlusté. 

Můžete také dětem ukázat pravé optické vlákno jako kabel.

Optické vlákno ale nemusí být jen ze skla nebo plexiskla. Vystačíte si i s vodou. Můžete třeba jen utěsnit vodu v průhledné hadičce a nebo vodu pustit tenkým proudem ven. Pokusu s vodním vláknem se z jistých důvodů nedá říkat jinak, než čůrací láhev. Výroba je velmi jednoduchá, stačí udělat do PET lahve v její spodní části dírku, do které dáme malý kousek brčka a utěsníme tavnou pistolí. Nejnáročnější pak je se do brčka trefit laserem. 

Mizející obrázek

Jeden z dalších pokusů na totální odraz je tento. Bude potřebovat zavíratelný sáček velikosti takové, aby se vešel do skleničky, papír a lihový fix. Na papír si nakreslete něco pěkného, třeba rybičku. Vložte papír do sáčku a sáček utěsněte. Na sáček pak nakreslete obrys obrázku nebo jiné doplňky k obrázku. Sáček pak ponořte do hrnečku s vodou a dívejte se na něj shora. Obrázek na papíře zmizí a zůstane jen obrázek na sáčku. Můžete si tak vymyslet něco vtipného. Protože se na obrázek díváme z hodně velkého úhlu, vznikne na rozhraní vzduchu v sáčku a vody úplný odraz. Světlo, které se k vám z obrázku v sáčku šíří do oka, se na rozhraní úplně odrazí zpátky. K vám do oka se tedy dostane jen obrázek nakreslený na sáčku.

Zrcadlení

Okouzlující krasohledy známe všichni, ale jak v nich všechny ty odrazy vznikají? Podívejme se na ně podrobně a hravě. 

Potřebujete 2 kusy plastového zrcadla nebo zrcadlové folie podlepené zpevňující deskou a geometrické tvary.

Další "hezké" úhly rozevření zrcadel jsou: 90°, 45°, 30°. Náš výpočet platí i pro úhel 180°, tedy zcela rozevřená zrcadla. Jednoduše spočítáme, že 360/180 je 2. Budeme mít jeden odraz a k tomu náš vzor, dohromady tedy číslo dva sedí.

Krasohled z plastového zrcadla

Autor původního nápadu je Mgr. Václav Piskač, Ph.D.

Plastové zrcadlové folie je možné sehnat například ve firmě FTP plasty. Cena plátu 2x1 m se pohybuje kolem 500 Kč. Do firmy doporučuji zavolat a ptát se po plastovém zrcadle tloušťky 1 mm. Jak si poradit s jejím rozkouskováním?
Po rozvržení dílů na kaleidoskop je potřeba narýhovat zrcadlovou fólii pomocí vylamovacího nože a pravítka. Velmi pomůže pracovní deska s předkreslenou centimetrovou sítí. Na krycí fólii si fixem předkreslete budoucí řezy a poté fólii ze strany zrcadla nařízněte nožem a fólii rozlámejte na jednotlivé kousky. Řez nemusí být příliš hluboký, fólie se láme velmi ochotně.

Jednotlivá zrcátka zbavíme krycí fólie a z černé strany je k sobě postupně přilepte izolepou. Úzké strany jsou na jednom konci. Nakonec slepte hřbet kaleidoskopu. Čelo kaleidoskopu je možno přelepit tenkými pásky barevné izolepy. Vzniknou tak krásné barevné tvary, které si po čase můžete změnit. Izopepu odlepte a nalepte novou. Můžete vyzkušet i variantu, kdy polepíte izolepou celé čelo a uděláte do ní dírky třeba ve tvaru nějakého souhvězdí.