Demonstrációs fizika labor

Demonstrációs fizika labor

8.2. Kísérletek a Hartl-féle koronggal

a) Visszaverődés sík-, homorú és domború tükrön, fő sugármenetek

A kísérlet célja

A visszaverődés törvényének és a különböző tükrök viselkedésének szemléltetése az ún. Hartl‑féle korong segítségével.

Szükséges anyagok, eszközök

  • többszörös LÉZER fényforrás (pl. RayBox LASER), vagy fehér fény használata esetén: lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve), kondenzor, diafragma, gyűjtőlencse (f = 12 cm) (párhuzamos fénynyaláb előállításához, a 8.1/b összeállítás szerint)
  • Hartl-féle korong (fehér fény esetén szimpla rés és többszörös rések, kartonlapból elkészítve)
  • sík, homorú és domború tükör (vagy csavarral állítható görbületű fémlap)

Leírás

A Hartl-féle korong egy függőleges síkban levő, vízszintes tengely körül forgatható, fokbeosztásokkal ellátott fehér korong, melyre keskeny résen vagy réseken át jut(nak) a nyaláb(ok). A közepén két csavarral rögzíthető kar található, amely segítségével a különböző tükrök és lencsék a Hartl-féle koronghoz erősíthetők.

A megvilágítás beállítása:

A korong alapbeállításakor fontos, hogy a nyaláb a korongra súrlódva essen és a 0-0 fokbeosztásokon haladjon át. A beállítás a legegyszerűbb lézerfény esetén, de fényforrásként használhatjuk az 8.1/b szerint összeállított párhuzamos fénynyalábot is. A korong fehér fénnyel történő megvilágításánál az alábbi feltételeknek kell teljesülnie: a résen áthaladó fénynyaláb legyen fényerős, ne tartson nagyon szét, és – amennyiben több rést alkalmazunk – az egyes nyalábok lehetőleg legyenek párhuzamosak.

8.2a.PNG

Eszközök elhelyezése a Hartl-féle korongon:8.2b.PNG

A tükröt úgy rögzítjük a korongra, hogy a tükörfelület tartalmazza a korong középpontját, és a tükör a 0°-0° irányú fénynyalábot önmagába verje vissza. A korong forgatásával tudjuk a beesési szöget változtatni. Érdemes a tükröt jól leszorítani, hogy a fénynyaláb ne terjedjen a tükör alatt is – ez ugyanis zavaró lehet.

 

 

 

Feladatok

  • Síktükör: A Hartl-korongra megfelelően helyezett síktükör segítségével igazoljuk a visszaverődés-törvényét!
    8.2c.PNG
  • Homorú tükör: A Hartl-korongra helyezett homorú tükörre (vagy csavarral állítható rugalmas fémlapocskára) három párhuzamos fénynyalábot vetítve a tükörről visszavert fénynyalábok segítségével mutassuk meg a tükör fókuszpontját. (Fehér fényű megvilágítás esetén a Hartl-korong oldalába többes rést helyezzünk.)

8.2d.PNG

  • Domború tükör: Domború tükröt (vagy a rugalmas fémlapocskát) helyezve a Hartl-féle korongra, világítsuk meg a tükröt több párhuzamos nyalábbal. Ez esetben is határozzuk meg a tükör fókusztávolságát!

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • Milyen kapcsolat áll fenn a homorú tükör fókusztávolsága és a görbületi sugara között? (Ez a fényképen látható eszközzel (csavarral állítható görbületű fémlap) könnyen megvalósítható.)
  • Milyen kapcsolat áll fenn a domború tükör fókusztávolsága és a görbületi sugara között?
  • Ha a homorú tükör optikai tengelyével nem párhuzamosan érkeznek be az egymással párhuzamosan fénysugarak, akkor hol jön létre a visszavert fénysugarak metszéspontja?

Módszertani kiegészítések

  • A Hartl‑féle korong helyett manapság már a mágneses optikai táblák elterjedtebbek. A leírások természetesen azok esetén is alkalmazhatók, csupán a beállítás egyszerűsödik.

 

b) A fénytörési törvény bemutatása. Törésmutató meghatározás

A kísérlet célja

A törési törvény bemutatása, és egy adott anyag törésmutatójának meghatározása Hartl-féle korong segítségével

Szükséges anyagok, eszközök

  • többszörös LÉZER fényforrás (pl. RayBox LASER), vagy fehér fény használata esetén: lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve), kondenzor, diafragma, gyűjtőlencse (f = 12 cm) (párhuzamos fénynyaláb előállításához, a 8.1/b összeállítás szerint)
  • Hartl-féle korong (fehér fény esetén szimpla rés és többszörös rések, kartonlapból elkészítve)
  • üveg vagy plexi félkorong

Leírás

Levegőből üvegbe történő átmenet:

A Hartl-korongra egy vastag, félkorong alakú plexi vagy üveg testet erősítünk úgy, hogy a sík felületének középvonala tartalmazza a kör középpontját, és a nyaláb egy részét a félkorong alakú test önmagába verje vissza, és átmenjen a korong középpontján. Elfordítva a Hartl-korongot, a síkfelületre ferdén érkező nyaláb megtörik (optikailag ritkább közegből sűrűbbe jut), majd mivel kilépéskor a fénynyaláb a hengerpalástra merőlegesen érkezik, irányváltoztatás nélkül lép ki. Ezáltal leolvashatóvá válik a törés szöge.


8.2e.PNG

Üvegből levegőbe történő átmenet:

A sugármenet megfordításával vizsgálhatjuk az üvegből levegőbe történő átmenetet. Ehhez a Hartl-korongot az előző összeállításban (levegőből üvegbe történő átmenet) forgassuk el 180o-kal. Ekkor a fénynyaláb az üveg félkorong hengerpalástjára merőlegesen érkezik és így a fénynyaláb iránya a belépéskor nem változik és a sík üvegfelületet a korong középpontjában éri el. Kilépéskor a fény megtörik. A törési szög a korongról leolvasható.

8.2f.PNG

Feladatok

  • Öt különböző beesési és törési szöget megvizsgálva határozzuk meg a plexi/üveg levegőre vonatkoztatott törésmutatóját!
  • Öt különböző esetben mérjük meg az üvegből levegőbe történő átlépés esetén a beesési és törési szöget, majd az adatokból határozzuk meg a levegő üvegre vonatkoztatott törésmutatóját.

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • Az új közegbe való belépés mellett milyen optikai jelenség figyelhető meg?
  • Milyen kapcsolat fedezhető fel a két mérési sorozat eredményeként kapott törésmutató között?

Módszertani kiegészítések

  • A kísérlet mérési feladatként is elvégezhető Hartl-korong nélkül, szögmérő (papír), lézer pointer és üveg vagy plexi félkorong segítségével. Ebben az esetben is figyeljünk a félkorong megfelelő elhelyezésére: a szögmérő középpontja essen egybe a korong középpontjával, és a beeső lézernyaláb is ebben a pontban érje a felületet.
  • A törésmutatót kétféleképpen határozhatjuk meg. Egyrészt kiszámolhatjuk a törésmutatót minden   adatpárra, vagy egyenesillesztéssel is:   függvényében ábrázolva -t ugyanis egyenest kapunk, amelynek meredeksége éppen a törési együttható. Ebben az esetben ne felejtsük el az  pontot is ábrázolni.

c) A teljes visszaverődés demonstrálása

A kísérlet célja

Ha optikailag sűrűbb közegből ritkább közeg felé tart a fény, a kilépés csak egy bizonyos beesési szögig, az ún. határszögig történik meg. A határszögnél nagyobb beesési szög esetén a fény nem lép be az új közegbe, hanem teljesen visszaverődik a határfelületről. Célunk a jelenség bemutatása és a határszög kimérése

Szükséges anyagok, eszközök

  • többszörös LÉZER fényforrás (pl. RayBox LASER), vagy fehér fény használata esetén: lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve), kondenzor, diafragma, gyűjtőlencse (f = 12 cm) (párhuzamos fénynyaláb előállításához, a 8.1/b összeállítás szerint)
  • Hartl-féle korong (fehér fény esetén szimpla rés és többszörös rések, kartonlapból elkészítve)
  • üveg vagy plexi félkorong

 Leírás
8.2g.PNG

Az üveg félkorongot a Hartl-korongon úgy helyezzük el, hogy a fény az üveg félkorong hengerpalástjára merőlegesen érkezzen és a fénynyaláb a sík üvegfelületet a korong középpontjában érje el (lásd 8.2/b kísérlet beállítása). A Hartl-korong finom mozgatásával határozzuk meg azt a határszöget, amelynél a fénynyaláb már éppen teljes visszaverődést szenved.

Feladatok

  • Vessük össze az így, közvetlen méréssel kapott határszöget a 8.2/b kísérletben kapott eredményekkel! Használjuk a  összefüggést!

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • Milyen természetben előforduló jelenség magyarázható a fény teljes visszaverődésével?
  • Milyen műszaki alkalmazásoknál használják ki a fény teljes visszaverődését?
  • Fehér fénnyel való megvilágítás esetén milyen jelenség figyelhető meg a fény törésekor a határszög környékén?

Módszertani kiegészítések

  • Száloptikát modellezhetünk az alábbi módon: világítsuk meg egy vastagabb, görbe üvegpálca egyik végét lézerrel. Mit tapasztalunk?

 

d) A totálreflexiós (képfordító) prizma sugármenetének bemutatása

A kísérlet célja

A képfordító prizma működésének bemutatása, példa teljes visszaverődésre

Szükséges anyagok, eszközök

  • többszörös LÉZER fényforrás (pl. RayBox LASER), vagy fehér fény használata esetén: lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve), kondenzor, diafragma, gyűjtőlencse (f = 12 cm) (párhuzamos fénynyaláb előállításához, a 8.1/b összeállítás szerint)
  • Hartl-féle korong (fehér fény esetén szimpla rés és többszörös rések, kartonlapból elkészítve)
  • képfordító prizma (olyan prizma, amelynek keresztmetszete (főmetszete) egyenlőszárú, derékszögű háromszög)

Leírás

A képfordító prizmát rögzítsük a Hartl-korongra, majd a prizma megfelelő állásában vetítsünk rá egy vagy több fénynyalábot a rajzon látható módon. Színes genothermet téve az egyik résre a fénynyaláb színessé válik, így a képfordítás jobban látható.

 

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • Milyen gyakorlati felhasználási lehetőségei lehetnek a totálreflexiós prizmának?


8.2h.PNG

e) A prizma fénytörésének vizsgálata, diszperzió szemléltetése

A kísérlet célja

Mérőkísérlet a prizma törésmutatójának meghatározására, illetve fehér fény esetén a diszperzió jelenségének bemutatása

Szükséges anyagok, eszközök

  • többszörös LÉZER fényforrás (pl. RayBox LASER), vagy fehér fény használata esetén: lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve), kondenzor, diafragma, gyűjtőlencse (f = 12 cm) (párhuzamos fénynyaláb előállításához, a 8.1/b összeállítás szerint)
  • Hartl-féle korong (fehér fény esetén szimpla rés és többszörös rések, kartonlapból elkészítve)
  • trapéz vagy háromszög alapú prizma

Leírás

Törésmutató számítása a minimális törőszög meghatározásával:

A prizmán áthaladó fénynyaláb eltérítésének (deviáció) bemutatására szolgál a Hartl-korongra illeszthető trapéz alakú törőtest, melynek az egyik törőszöge (φ) 45°, a másiké 60°. A prizmát úgy illesszük a korongra, hogy a prizma egyik csúcsánál lévő él a korong forgástengelyébe (középpontjába) essék, s a prizma a fénynyaláb egyik felét eltakarja. Így az eredeti nyaláb kettéoszlik: az egyik irányváltoztatás nélkül, a másik a prizmán keresztül irányváltozással halad tovább.

8.2i.PNG

A fokbeosztáson az irányváltozás, azaz az eredeti iránytól való eltérülés szöge (δ) leolvasható. A korong ide-oda forgatásával észlelhető, hogy van egy minimális eltérülési vagy deviációs szög (δmin). Ennek értékét a korong finom forgatásával, leolvasással határozzuk meg. A minimális deviációs szögből az alábbi összefüggés alapján határozható meg a trapézprizma anyagának levegőre vonatkoztatott törésmutatója:

\(n = \frac{sin \frac{\delta_{min}+\varphi}{2}}{sin\frac{\varphi}{2}}\).

Diszperzió szemléltetése:

A diszperzió jelenségének bemutatásához világítsuk meg a prizma egyik törőélét fehér fénynyalábbal. A prizma másik oldalán, egy fehér papírlapon, megfigyelhetjük a megtört fény színeit.

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • Milyen természetben előforduló jelenség magyarázható a diszperzió jelenségével?

Módszertani kiegészítések

  • A törésmutató hullámhossztól való függése is vizsgálható ebben az összeállításban; fehér fény esetén színszűrők alkalmazásával, vagy különböző színű lézer fényforrások segítségével.

 

f) Plánparalel lemez fénytörése

A kísérlet célja

Két párhuzamos sík által határolt törőközegen (plánparalel lemez) a fénynyaláb csak eltolódást szenved 

Szükséges anyagok, eszközök

  • többszörös LÉZER fényforrás (pl. RayBox LASER), vagy fehér fény használata esetén: lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve), kondenzor, diafragma, gyűjtőlencse (f = 12 cm) (párhuzamos fénynyaláb előállításához, a 8.1/b összeállítás szerint)
  • Hartl-féle korong (fehér fény esetén szimpla rés és többszörös rések, kartonlapból elkészítve)
  • trapéz alapú prizma

Leírás

A Hartl-korongra szereljük a trapéztestet úgy, hogy a fénynyaláb a két szemközti, egymástól d távolságban levő párhuzamos oldalon haladjon át. Ferde beesésnél a nyaláb x nagyságú, az eredeti fénynyalábbal párhuzamos eltolódása észlelhető.

8.2j.PNG

Feladatok

  • A prizma n törésmutatójának és d vastagságának ismeretében számítsuk ki az alábbi képletek alapján a 60°-os beesési szöghöz tartozó x eltérülés mértékét! (A β szöget a beesési szögből és a korábban számolt törésmutatóból határozhatjuk meg!) Eredményünket méréssel is ellenőrizzük!

 

      A beesési szög méréshez a plánparalel lemez beállításánál az alábbiakra kell figyelni. A plánparalel lemez elülső párhuzamos oldalának tartalmaznia kell a korong középpontját, és a lemez a 0°-0° irányú fénynyalábot törés nélkül engedje át. Érdemes a lemezt jól leszorítani, hogy a fénynyaláb ne terjedjen a lemez alatt is, ekkor ugyanis a fénynyaláb eltolódása nem lesz jól látható.

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • A gyakorlati életben hol találkozhatunk plánparalel lemezek okozta fénytöréssel?

Módszertani kiegészítések

  • A törésmutató hullámhossztól való függése is vizsgálható ebben az összeállításban; fehér fény esetén színszűrők alkalmazásával, vagy különböző színű lézer fényforrások segítségével.
    8.2k.PNG
  • A plánparalel lemez okozta fénytörés (általános iskolában) tanulókísérletként is elvégezhető az ún. gombostűs kísérlet segítségével. Ezeknek a kísérleteknek az az alapja, hogy a természetes megvilágítás diffúz, így két pont rögzítésével mindig kiválaszthatunk egy megfelelő fénysugár-irányt. Ebben a kísérletben az irányt két letűzött gombostű segítségével rögzítjük. A gombostűs kísérlet során egy vízszintesen álló, fehér papírral fedett hungarocell táblára helyezzük a plánparalel lemezt (vagy trapéz alapú prizmát), majd két gombostűt szúrunk le: egyiket a lemez mellett, az ábrán B-vel jelölt pontba, a másikat ettől távolabb. Ezzel rögzítettük az AB sugárirányt. Ha ezután a másik oldalról a lemezen keresztül egy szemmel úgy nézzük az A-ba és B-be helyezett tűket úgy, hogy azok fedjék egymást, akkor szemünket a kitűzött sugár irányába helyeztük. Helyezzünk el további két gombostűt a lemez szem felöli oldalán úgy, hogy mind a 4 gombostű fedje egymást, azaz egy egyenesbe esőnek lássuk a tűket (C és D pontok). Ezáltal a fény haladási irányának változását rögzítettük. A papíron berajzolva az AB és CD egyeneseket a plánparalel lemez eltolásának mértéke meghatározható. A módszerrel akár prizmán áthaladó fény sugármenete is vizsgálható.
  • Plánparalell lemezhez jutunk, ha pl. szigetelőszalaggal egymáshoz rögzítünk több mikroszkóp-tárgylemezt vagy vastag plexidarabot.

g) Gyűjtő- és szórólencse fő sugármeneteinek bemutatása

A kísérlet célja

Gyűjtő- és szórólencsék képalkotásának megértéséhez a sugármenetek bemutatása. A kísérlet segít a gyűjtő- és szórólecse által alkotott kép megszerkesztésében 

Szükséges anyagok, eszközök

  • többszörös LÉZER fényforrás (pl. RayBox LASER), vagy fehér fény használata esetén: lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve), kondenzor, diafragma, gyűjtőlencse (f = 12 cm) (párhuzamos fénynyaláb előállításához, a 8.1/b összeállítás szerint)
  • Hartl-féle korong (fehér fény esetén szimpla rés és többszörös rések, kartonlapból elkészítve)
  • gyűjtő- és szórólencsék (különböző görbületi sugarakkal)

Leírás

A Hartl-korongra úgy szereljük a különböző lencséket, hogy azok középpontja egybeessen a Hartl-korong középpontjával. Ha helyesen tettük fel a lencsét, akkor a 0°-0° nyaláb nem szenved irányváltoztatást, és a lencse tengelye merőleges a 0°-0° irányra. Ha a lencsehibákra nem szeretnénk kitérni, akkor a lencséket 3 fénynyalábbal világítsuk meg, melyek közül a középső irányváltoztatás nélkül haladjon át a lencsén. Ha a lencsehibákról is szeretnénk beszélni, akkor a lencsét 5 fénynyalábbal világítsuk meg úgy, hogy legalább az egyik nyaláb a lencse szélső részén haladjon át.

 8.2l.PNG

Feladatok

  • Méréssel határozzuk meg egy gyűjtő- és egy szórólencse fókusztávolságát!

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • Melyek a nevezetes sugármenetek gyűjtő- valamint szórólencse esetén?
  • A kísérlet során sokszor a homorú és domború tükör képalkotását is megfigyelhetjük (pl. az itt bemutatott szórólencsés fénykép). Miért?

 


8.2. Kísérletek a Hartl-féle koronggal

a) Visszaverődés sík-, homorú és domború tükrön, fő sugármenetek

A kísérlet célja

A visszaverődés törvényének és a különböző tükrök viselkedésének szemléltetése az ún. Hartl‑féle korong segítségével.

Szükséges anyagok, eszközök

  • többszörös LÉZER fényforrás (pl. RayBox LASER), vagy fehér fény használata esetén: lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve), kondenzor, diafragma, gyűjtőlencse (f = 12 cm) (párhuzamos fénynyaláb előállításához, a 8.1/b összeállítás szerint)
  • Hartl-féle korong (fehér fény esetén szimpla rés és többszörös rések, kartonlapból elkészítve)
  • sík, homorú és domború tükör (vagy csavarral állítható görbületű fémlap)

Leírás

A Hartl-féle korong egy függőleges síkban levő, vízszintes tengely körül forgatható, fokbeosztásokkal ellátott fehér korong, melyre keskeny résen vagy réseken át jut(nak) a nyaláb(ok). A közepén két csavarral rögzíthető kar található, amely segítségével a különböző tükrök és lencsék a Hartl-féle koronghoz erősíthetők.

A megvilágítás beállítása:

A korong alapbeállításakor fontos, hogy a nyaláb a korongra súrlódva essen és a 0-0 fokbeosztásokon haladjon át. A beállítás a legegyszerűbb lézerfény esetén, de fényforrásként használhatjuk az 8.1/b szerint összeállított párhuzamos fénynyalábot is. A korong fehér fénnyel történő megvilágításánál az alábbi feltételeknek kell teljesülnie: a résen áthaladó fénynyaláb legyen fényerős, ne tartson nagyon szét, és – amennyiben több rést alkalmazunk – az egyes nyalábok lehetőleg legyenek párhuzamosak.

8.2a.PNG

Eszközök elhelyezése a Hartl-féle korongon:8.2b.PNG

A tükröt úgy rögzítjük a korongra, hogy a tükörfelület tartalmazza a korong középpontját, és a tükör a 0°-0° irányú fénynyalábot önmagába verje vissza. A korong forgatásával tudjuk a beesési szöget változtatni. Érdemes a tükröt jól leszorítani, hogy a fénynyaláb ne terjedjen a tükör alatt is – ez ugyanis zavaró lehet.

 

 

 

Feladatok

  • Síktükör: A Hartl-korongra megfelelően helyezett síktükör segítségével igazoljuk a visszaverődés-törvényét!
    8.2c.PNG
  • Homorú tükör: A Hartl-korongra helyezett homorú tükörre (vagy csavarral állítható rugalmas fémlapocskára) három párhuzamos fénynyalábot vetítve a tükörről visszavert fénynyalábok segítségével mutassuk meg a tükör fókuszpontját. (Fehér fényű megvilágítás esetén a Hartl-korong oldalába többes rést helyezzünk.)

8.2d.PNG

  • Domború tükör: Domború tükröt (vagy a rugalmas fémlapocskát) helyezve a Hartl-féle korongra, világítsuk meg a tükröt több párhuzamos nyalábbal. Ez esetben is határozzuk meg a tükör fókusztávolságát!

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • Milyen kapcsolat áll fenn a homorú tükör fókusztávolsága és a görbületi sugara között? (Ez a fényképen látható eszközzel (csavarral állítható görbületű fémlap) könnyen megvalósítható.)
  • Milyen kapcsolat áll fenn a domború tükör fókusztávolsága és a görbületi sugara között?
  • Ha a homorú tükör optikai tengelyével nem párhuzamosan érkeznek be az egymással párhuzamosan fénysugarak, akkor hol jön létre a visszavert fénysugarak metszéspontja?

Módszertani kiegészítések

  • A Hartl‑féle korong helyett manapság már a mágneses optikai táblák elterjedtebbek. A leírások természetesen azok esetén is alkalmazhatók, csupán a beállítás egyszerűsödik.

 

b) A fénytörési törvény bemutatása. Törésmutató meghatározás

A kísérlet célja

A törési törvény bemutatása, és egy adott anyag törésmutatójának meghatározása Hartl-féle korong segítségével

Szükséges anyagok, eszközök

  • többszörös LÉZER fényforrás (pl. RayBox LASER), vagy fehér fény használata esetén: lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve), kondenzor, diafragma, gyűjtőlencse (f = 12 cm) (párhuzamos fénynyaláb előállításához, a 8.1/b összeállítás szerint)
  • Hartl-féle korong (fehér fény esetén szimpla rés és többszörös rések, kartonlapból elkészítve)
  • üveg vagy plexi félkorong

Leírás

Levegőből üvegbe történő átmenet:

A Hartl-korongra egy vastag, félkorong alakú plexi vagy üveg testet erősítünk úgy, hogy a sík felületének középvonala tartalmazza a kör középpontját, és a nyaláb egy részét a félkorong alakú test önmagába verje vissza, és átmenjen a korong középpontján. Elfordítva a Hartl-korongot, a síkfelületre ferdén érkező nyaláb megtörik (optikailag ritkább közegből sűrűbbe jut), majd mivel kilépéskor a fénynyaláb a hengerpalástra merőlegesen érkezik, irányváltoztatás nélkül lép ki. Ezáltal leolvashatóvá válik a törés szöge.


8.2e.PNG

Üvegből levegőbe történő átmenet:

A sugármenet megfordításával vizsgálhatjuk az üvegből levegőbe történő átmenetet. Ehhez a Hartl-korongot az előző összeállításban (levegőből üvegbe történő átmenet) forgassuk el 180o-kal. Ekkor a fénynyaláb az üveg félkorong hengerpalástjára merőlegesen érkezik és így a fénynyaláb iránya a belépéskor nem változik és a sík üvegfelületet a korong középpontjában éri el. Kilépéskor a fény megtörik. A törési szög a korongról leolvasható.

8.2f.PNG

Feladatok

  • Öt különböző beesési és törési szöget megvizsgálva határozzuk meg a plexi/üveg levegőre vonatkoztatott törésmutatóját!
  • Öt különböző esetben mérjük meg az üvegből levegőbe történő átlépés esetén a beesési és törési szöget, majd az adatokból határozzuk meg a levegő üvegre vonatkoztatott törésmutatóját.

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • Az új közegbe való belépés mellett milyen optikai jelenség figyelhető meg?
  • Milyen kapcsolat fedezhető fel a két mérési sorozat eredményeként kapott törésmutató között?

Módszertani kiegészítések

  • A kísérlet mérési feladatként is elvégezhető Hartl-korong nélkül, szögmérő (papír), lézer pointer és üveg vagy plexi félkorong segítségével. Ebben az esetben is figyeljünk a félkorong megfelelő elhelyezésére: a szögmérő középpontja essen egybe a korong középpontjával, és a beeső lézernyaláb is ebben a pontban érje a felületet.
  • A törésmutatót kétféleképpen határozhatjuk meg. Egyrészt kiszámolhatjuk a törésmutatót minden   adatpárra, vagy egyenesillesztéssel is:   függvényében ábrázolva -t ugyanis egyenest kapunk, amelynek meredeksége éppen a törési együttható. Ebben az esetben ne felejtsük el az  pontot is ábrázolni.

c) A teljes visszaverődés demonstrálása

A kísérlet célja

Ha optikailag sűrűbb közegből ritkább közeg felé tart a fény, a kilépés csak egy bizonyos beesési szögig, az ún. határszögig történik meg. A határszögnél nagyobb beesési szög esetén a fény nem lép be az új közegbe, hanem teljesen visszaverődik a határfelületről. Célunk a jelenség bemutatása és a határszög kimérése

Szükséges anyagok, eszközök

  • többszörös LÉZER fényforrás (pl. RayBox LASER), vagy fehér fény használata esetén: lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve), kondenzor, diafragma, gyűjtőlencse (f = 12 cm) (párhuzamos fénynyaláb előállításához, a 8.1/b összeállítás szerint)
  • Hartl-féle korong (fehér fény esetén szimpla rés és többszörös rések, kartonlapból elkészítve)
  • üveg vagy plexi félkorong

 Leírás
8.2g.PNG

Az üveg félkorongot a Hartl-korongon úgy helyezzük el, hogy a fény az üveg félkorong hengerpalástjára merőlegesen érkezzen és a fénynyaláb a sík üvegfelületet a korong középpontjában érje el (lásd 8.2/b kísérlet beállítása). A Hartl-korong finom mozgatásával határozzuk meg azt a határszöget, amelynél a fénynyaláb már éppen teljes visszaverődést szenved.

Feladatok

  • Vessük össze az így, közvetlen méréssel kapott határszöget a 8.2/b kísérletben kapott eredményekkel! Használjuk a  összefüggést!

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • Milyen természetben előforduló jelenség magyarázható a fény teljes visszaverődésével?
  • Milyen műszaki alkalmazásoknál használják ki a fény teljes visszaverődését?
  • Fehér fénnyel való megvilágítás esetén milyen jelenség figyelhető meg a fény törésekor a határszög környékén?

Módszertani kiegészítések

  • Száloptikát modellezhetünk az alábbi módon: világítsuk meg egy vastagabb, görbe üvegpálca egyik végét lézerrel. Mit tapasztalunk?

 

d) A totálreflexiós (képfordító) prizma sugármenetének bemutatása

A kísérlet célja

A képfordító prizma működésének bemutatása, példa teljes visszaverődésre

Szükséges anyagok, eszközök

  • többszörös LÉZER fényforrás (pl. RayBox LASER), vagy fehér fény használata esetén: lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve), kondenzor, diafragma, gyűjtőlencse (f = 12 cm) (párhuzamos fénynyaláb előállításához, a 8.1/b összeállítás szerint)
  • Hartl-féle korong (fehér fény esetén szimpla rés és többszörös rések, kartonlapból elkészítve)
  • képfordító prizma (olyan prizma, amelynek keresztmetszete (főmetszete) egyenlőszárú, derékszögű háromszög)

Leírás

A képfordító prizmát rögzítsük a Hartl-korongra, majd a prizma megfelelő állásában vetítsünk rá egy vagy több fénynyalábot a rajzon látható módon. Színes genothermet téve az egyik résre a fénynyaláb színessé válik, így a képfordítás jobban látható.

 

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • Milyen gyakorlati felhasználási lehetőségei lehetnek a totálreflexiós prizmának?


8.2h.PNG

e) A prizma fénytörésének vizsgálata, diszperzió szemléltetése

A kísérlet célja

Mérőkísérlet a prizma törésmutatójának meghatározására, illetve fehér fény esetén a diszperzió jelenségének bemutatása

Szükséges anyagok, eszközök

  • többszörös LÉZER fényforrás (pl. RayBox LASER), vagy fehér fény használata esetén: lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve), kondenzor, diafragma, gyűjtőlencse (f = 12 cm) (párhuzamos fénynyaláb előállításához, a 8.1/b összeállítás szerint)
  • Hartl-féle korong (fehér fény esetén szimpla rés és többszörös rések, kartonlapból elkészítve)
  • trapéz vagy háromszög alapú prizma

Leírás

Törésmutató számítása a minimális törőszög meghatározásával:

A prizmán áthaladó fénynyaláb eltérítésének (deviáció) bemutatására szolgál a Hartl-korongra illeszthető trapéz alakú törőtest, melynek az egyik törőszöge (φ) 45°, a másiké 60°. A prizmát úgy illesszük a korongra, hogy a prizma egyik csúcsánál lévő él a korong forgástengelyébe (középpontjába) essék, s a prizma a fénynyaláb egyik felét eltakarja. Így az eredeti nyaláb kettéoszlik: az egyik irányváltoztatás nélkül, a másik a prizmán keresztül irányváltozással halad tovább.

8.2i.PNG

A fokbeosztáson az irányváltozás, azaz az eredeti iránytól való eltérülés szöge (δ) leolvasható. A korong ide-oda forgatásával észlelhető, hogy van egy minimális eltérülési vagy deviációs szög (δmin). Ennek értékét a korong finom forgatásával, leolvasással határozzuk meg. A minimális deviációs szögből az alábbi összefüggés alapján határozható meg a trapézprizma anyagának levegőre vonatkoztatott törésmutatója:

\(n = \frac{sin \frac{\delta_{min}+\varphi}{2}}{sin\frac{\varphi}{2}}\).

Diszperzió szemléltetése:

A diszperzió jelenségének bemutatásához világítsuk meg a prizma egyik törőélét fehér fénynyalábbal. A prizma másik oldalán, egy fehér papírlapon, megfigyelhetjük a megtört fény színeit.

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • Milyen természetben előforduló jelenség magyarázható a diszperzió jelenségével?

Módszertani kiegészítések

  • A törésmutató hullámhossztól való függése is vizsgálható ebben az összeállításban; fehér fény esetén színszűrők alkalmazásával, vagy különböző színű lézer fényforrások segítségével.

 

f) Plánparalel lemez fénytörése

A kísérlet célja

Két párhuzamos sík által határolt törőközegen (plánparalel lemez) a fénynyaláb csak eltolódást szenved 

Szükséges anyagok, eszközök

  • többszörös LÉZER fényforrás (pl. RayBox LASER), vagy fehér fény használata esetén: lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve), kondenzor, diafragma, gyűjtőlencse (f = 12 cm) (párhuzamos fénynyaláb előállításához, a 8.1/b összeállítás szerint)
  • Hartl-féle korong (fehér fény esetén szimpla rés és többszörös rések, kartonlapból elkészítve)
  • trapéz alapú prizma

Leírás

A Hartl-korongra szereljük a trapéztestet úgy, hogy a fénynyaláb a két szemközti, egymástól d távolságban levő párhuzamos oldalon haladjon át. Ferde beesésnél a nyaláb x nagyságú, az eredeti fénynyalábbal párhuzamos eltolódása észlelhető.

8.2j.PNG

Feladatok

  • A prizma n törésmutatójának és d vastagságának ismeretében számítsuk ki az alábbi képletek alapján a 60°-os beesési szöghöz tartozó x eltérülés mértékét! (A β szöget a beesési szögből és a korábban számolt törésmutatóból határozhatjuk meg!) Eredményünket méréssel is ellenőrizzük!

 

      A beesési szög méréshez a plánparalel lemez beállításánál az alábbiakra kell figyelni. A plánparalel lemez elülső párhuzamos oldalának tartalmaznia kell a korong középpontját, és a lemez a 0°-0° irányú fénynyalábot törés nélkül engedje át. Érdemes a lemezt jól leszorítani, hogy a fénynyaláb ne terjedjen a lemez alatt is, ekkor ugyanis a fénynyaláb eltolódása nem lesz jól látható.

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • A gyakorlati életben hol találkozhatunk plánparalel lemezek okozta fénytöréssel?

Módszertani kiegészítések

  • A törésmutató hullámhossztól való függése is vizsgálható ebben az összeállításban; fehér fény esetén színszűrők alkalmazásával, vagy különböző színű lézer fényforrások segítségével.
    8.2k.PNG
  • A plánparalel lemez okozta fénytörés (általános iskolában) tanulókísérletként is elvégezhető az ún. gombostűs kísérlet segítségével. Ezeknek a kísérleteknek az az alapja, hogy a természetes megvilágítás diffúz, így két pont rögzítésével mindig kiválaszthatunk egy megfelelő fénysugár-irányt. Ebben a kísérletben az irányt két letűzött gombostű segítségével rögzítjük. A gombostűs kísérlet során egy vízszintesen álló, fehér papírral fedett hungarocell táblára helyezzük a plánparalel lemezt (vagy trapéz alapú prizmát), majd két gombostűt szúrunk le: egyiket a lemez mellett, az ábrán B-vel jelölt pontba, a másikat ettől távolabb. Ezzel rögzítettük az AB sugárirányt. Ha ezután a másik oldalról a lemezen keresztül egy szemmel úgy nézzük az A-ba és B-be helyezett tűket úgy, hogy azok fedjék egymást, akkor szemünket a kitűzött sugár irányába helyeztük. Helyezzünk el további két gombostűt a lemez szem felöli oldalán úgy, hogy mind a 4 gombostű fedje egymást, azaz egy egyenesbe esőnek lássuk a tűket (C és D pontok). Ezáltal a fény haladási irányának változását rögzítettük. A papíron berajzolva az AB és CD egyeneseket a plánparalel lemez eltolásának mértéke meghatározható. A módszerrel akár prizmán áthaladó fény sugármenete is vizsgálható.
  • Plánparalell lemezhez jutunk, ha pl. szigetelőszalaggal egymáshoz rögzítünk több mikroszkóp-tárgylemezt vagy vastag plexidarabot.

g) Gyűjtő- és szórólencse fő sugármeneteinek bemutatása

A kísérlet célja

Gyűjtő- és szórólencsék képalkotásának megértéséhez a sugármenetek bemutatása. A kísérlet segít a gyűjtő- és szórólecse által alkotott kép megszerkesztésében 

Szükséges anyagok, eszközök

  • többszörös LÉZER fényforrás (pl. RayBox LASER), vagy fehér fény használata esetén: lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve), kondenzor, diafragma, gyűjtőlencse (f = 12 cm) (párhuzamos fénynyaláb előállításához, a 8.1/b összeállítás szerint)
  • Hartl-féle korong (fehér fény esetén szimpla rés és többszörös rések, kartonlapból elkészítve)
  • gyűjtő- és szórólencsék (különböző görbületi sugarakkal)

Leírás

A Hartl-korongra úgy szereljük a különböző lencséket, hogy azok középpontja egybeessen a Hartl-korong középpontjával. Ha helyesen tettük fel a lencsét, akkor a 0°-0° nyaláb nem szenved irányváltoztatást, és a lencse tengelye merőleges a 0°-0° irányra. Ha a lencsehibákra nem szeretnénk kitérni, akkor a lencséket 3 fénynyalábbal világítsuk meg, melyek közül a középső irányváltoztatás nélkül haladjon át a lencsén. Ha a lencsehibákról is szeretnénk beszélni, akkor a lencsét 5 fénynyalábbal világítsuk meg úgy, hogy legalább az egyik nyaláb a lencse szélső részén haladjon át.

 8.2l.PNG

Feladatok

  • Méréssel határozzuk meg egy gyűjtő- és egy szórólencse fókusztávolságát!

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • Melyek a nevezetes sugármenetek gyűjtő- valamint szórólencse esetén?
  • A kísérlet során sokszor a homorú és domború tükör képalkotását is megfigyelhetjük (pl. az itt bemutatott szórólencsés fénykép). Miért?

 


Sütikezelés

A weboldalunk HTTP sütiket használ, a jobb böngészési élmény érdekében.