Optika pomocou želatíny

Prečo skúsený indiánsky lovec nemieri pri love rýb lukom priamo na rybu, ale zopár centimetrov pod ňu? Môže za to jav zvaný lom svetla. Rybu práve vďaka tomuto javu vidíme niekoľko centimetrov nad jej reálnym miestom.

Videonávod tohto pokusu, ako aj všetkých predchádzajúcich, nájdete na stránke video.matfyzjein.sk/experimenty.

Pomôcky

Číra želatína (agar) – ideálne viacero druhov, aby ste mohli experimentovať, a nástroje potrebné na jej prípravu podľa návodu na obale, nádoba – taká, aby sa uvarené množstvo želatíny rozlialo na vrstvu hrubú asi 1 cm, olej a pierko na jeho rozotretie, formičky na vykrajovanie cesta – ideálne kovové s rovnou hranou, základné tvary trojuholník, štvorec, kruh – môžete nahradiť nožíkom či hliníkovou plechovkou od nápojov, teplá voda, papier na pečenie ako podklad, špajdle, ceruzka, laserové ukazovadlo – môžete nahradiť obyčajnou baterkou, na ktorej si pomocou nepriehľadnej lepiacej pásky (napr. kobercová, elektrikárska) vyrobíte úzku štrbinu.

Postup

Pripravíme si želatínu podľa návodu, ale množstvo vody potrebné na jej prípravu uberieme približne na 3/4. Nádobu jemne vytrieme malým množstvom oleja, aby sa dala želatína ľahko vybrať.
Po vychladnutí želatínu vyklopíme na papier na pečenie a vykrojíme z nej rôzne tvary.
Na vykrajovanie používame kovové formičky s hladkým okrajom, nožík alebo hliníkovú plechovku s odrezaným dnom. Všetky tieto predmety nám však pri vykrajovaní môžu želatínu drobiť. Tomuto nežiaducemu javu vieme predísť, ak nástroje namočíme pred každým rezom do horúcej vody.

Realizácia

Položíme niektorý z tvarov na papier na pečenie a pomocou špajdlí, prípadne ceruzky sa pokúsime zachytiť, ako sa lúč správa pri prechode jednotlivými predmetmi. Najjednoduchšie je začať štvorcom alebo obdĺžnikom. Zasvietime ukazovadlom cez želatínový tvar, uvidíme body, v ktorých lúč do tvaru vstupuje a vystupuje. V tme či šere môžeme dokonca vidieť aj lúč prechádzajúci želatínou. Vstupujúci lúč môžeme určiť podľa polohy ukazovadla. Vystupujúci lúč môžeme sledovať pomocou ceruzky. Stačí ceruzku ťahať po papieri tak, aby bol na nej neustále bod z ukazovadla.

Pozorovanie

Na štvorci si môžeme všimnúť, že sa lúče pri vstupe do želatíny zlomia, no lúče vstupujúce do a vystupujúce zo želatíny sú rovnobežné.
Spojka (kruh, šošovka) je ten tvar želatíny, ktorý vystupujúce lúče spája.
Rozptylka (kváder s kruhovým výrezom) je ten tvar želatíny, ktorý vystupujúce lúče rozptyľuje.

Vysvetlenie

Vzduch okolo želatíny aj samotná želatína sú pre svetlo dve rozdielne prostredia s rôznymi optickými vlastnosťami. Svetelné vlny sa dokážu najrýchlejšie pohybovať vo vákuu. V každom inom prostredí sa pohybujú pomalšie. Vo vzduchu sa pohybujú rýchlosťou veľmi podobnou ako vo vákuu. Vo vode sa však pohybujú 1,33-krát pomalšie. Veličina, ktorá udáva, koľkokrát pomalšie sa svetelná vlna šíri v nejakom prostredí, sa nazýva index lomu. Pre vzduch je teda index lomu 1 a pre vodu má index lomu hodnotu 1,33. Naša želatína je z väčšej časti voda, preto aj jej lom svetla bude mať hodnotu blízku indexu lomu vody. Ak máme dve optické prostredia s rôznymi indexmi lomu (napríklad vzduch a želatínu), hovoríme prostrediu s väčším indexom lomu opticky hustejšie (želatína) a prostrediu s menším indexom lomu opticky redšie (vzduch). Index lomu nám vlastne udáva, ako sa zmení smer lúča pri prechode medzi dvomi rôznymi prostrediami.
Svetlo sa teda pri prechode medzi jednotlivými prostrediami láme. No to, ako sa zlomí a kam bude smerovať, závisí nielen od indexu lomu, ale aj od tvaru optického prostredia.

PaedDr. Soňa Gažáková, PhD.
Foto a video Stanislav Griguš
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave
Svoje realizácie experimentov môžete posielať na adresu: sona.gazakova@fmph.uniba.sk.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 12/2021. Ak ešte nie ste našou predplatiteľkou/naším predplatiteľom a chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.

Komentáre