8.3. Fénytani demonstrációs kísérletek vizeskáddal

a) A fénytörés és a fényvisszaverődés együttes bemutatása, teljes visszaverődés

A kísérlet célja

A fénytörés, fényvisszaverődés és teljes visszaverődés jelenségének bemutatása.

Szükséges anyagok, eszközök

• (zöld) lézer fényforrás
• állítható helyzetű, forgatható tükör (opcionális)
• vizeskád, amely félig van töltve floureszceinnel gyengén festett vízzel; üveglap a kád befedéséhez
• gyufa/gyertya füsthöz

Leírás

A fénytörés és a visszaverődés együttes bemutatására célszerű egy régi akváriumkádat használni. Ezt töltsük kb. félig floureszceinnel gyengén festett vízzel. (Ha nincs kéznél floureszcein, használhatunk kevés szappant is a fény útjának láthatóbbá tételére.) Megvilágításhoz használhatunk lézer fénynyalábot (egyszerűbb), vagy párhuzamos fénynyalábot, melyet az 8.1/b kísérlet szerint hozzuk létre diafragma helyett rés segítségével.

Lézer fényforrás esetén a lézert (a kád fölött) Bunsen-állványba fogjunk. Fehér fény esetén az az 8.1/b kísérlet alapján létrehozott fehér nyalábot a kád fölött a Bunsen-állványba fogott, vízszintes tengely körül elforgatható síktükörre irányítjuk, mely a fénynyalábot a vízbe vetíti. A beesési szöget a tükör elforgatásával változtathatjuk.

A kádat az üveglappal részlegesen befedjük, s kevés füstöt fújunk be, vagy hozunk létre kialvó gyufaszál segítségével a fedőüveg alatt. Így a fény útja levegőben és vízben egyaránt jól látható lesz, s a levegőből vízbe való átlépéskor a törés és a visszaverődés is jól megfigyelhető.

Vízből levegőbe való törést, és megfelelő határszög átlépésekor a teljes visszaverődést is könnyen demonstrálhatjuk. Ehhez a kádat lézerrel oldalról, a vízszint alól ferdén világítsuk meg. Fehér fény használatakor a forgatható tükör segítségével tudjuk a fénynyaláb beesési szögét változtatni.

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

• Hogyan függ a visszavert fénynyaláb erőssége a beesési szögtől?
• Hogyan függ a teljes visszaverődés határszöge a beeső fény hullámhosszától?
• Miért lesz jobban látható a fény útja, ha füstöt fújunk a levegőbe?

Módszertani kiegészítések

• Érdemes a kísérlethez kapcsolódóan meglepő, szép és szemléletes videókat bemutatni

• A törési törvények önmagukban nem izgalmasak. A diákok érdeklődésének felkeltésére érdemes olyan példákat hozni, amivel a hétköznapokban is találkozhatnak, de magyarázatukat nem értik: szívószál megtörni látszik a pohárban, ha bizonyos irányból nézzük, vagy hogy a tó feneke közelebbinek látszik, mint amilyen valójában. Ezek érzékletes bemutatása után rá lehet térni a mérésre és annak magyarázatára.

b) Levegőlencsék fénytörése víz közegben 

A kísérlet célja

A lencse alakjából önmagában még nem következtethetünk a fény útjára: a domború lencse nem mindig gyűjtőlencse. Ez a kísérlet a lencse és a közeg anyagának egymáshoz viszonyított törésmutatójának fontosságát mutatja be.

Szükséges anyagok, eszközök

• lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve)
• kettős kondenzor lencse (f = 5 cm)
• szűk környílás (diafragma) d = 2-3mm
• gyűjtőlencse (kétszerdomború vagy síkdomború) f ~ 12 cm
• vizeskád, amely félig van töltve floureszceinnel gyengén festett vízzel
• levegőlencsék (gyűjtő és szóró) (A levegőlencséket két homorú vagy domború oldalukkal egymásnak fordított óraüvegek által képzett levegős üregekből kapjuk.)

Leírás

Világítsuk meg a kádat oldalról a kád falára merőlegesen beeső széles fehér fénynyalábbal, úgy, hogy a nyaláb átmenjen a vízbe lógatott levegőlencséken. Melyik levegőlencse lesz a gyűjtő, és melyik a szóró?