TARCZA KOLBEGO

 


 

 

 

 

 

Na trójnożnej podstawie (1) jest umocowany pionowy pręt (2) ze sprężynującym półkolistym pałąkiem (3), zaopatrzonym w trzy rolki z rowkami (4). Między rolkami jest osadzona tarcza (5). Urządzenie takie daje możność obracania tarczy koło osi poziomej. Tarcza ma podziałkę kątową i dwie wzajemnie prostopadłe śred­nice 0—0 i 90—90. Jest zaopatrzona w dwie łapki (6) ze spręży­nami. Służą one do umocowania na powierzchni tarczy wykrojów optycznych, którymi są: wąskie wycinki zwierciadeł i soczewek, półkrążek cylindryczny, płytka płasko równoległa oraz pryzmaty. Wykroje optyczne są ułożone w pudełku (rys. 2) przeznaczonym do ich przechowywania.

Najodpowiedniejszym źródłem światła dla tarczy Kolbego jest lampa łukowa Classena. Można się posługiwać również lampą 6V w osłonie. Źródło światła ustawiamy z boku tarczy w odległo­ści około 0,5 metra od niej.

Światło kierujemy stycznie do powierzchni tarczy. Do otrzy­mania wąskiej smugi światła, czyli tak zwanego w optyce geome­trycznej promienia świetlnego, służy przesłona (7) z otworem pro­stokątnym, którą się przykręca do pałąka na takiej wysokości, aby środek otworu znalazł się na wysokości środka tarczy. Prze­słona ma prowadnicę. W nią wsuwa się płytkę z jedną, trzema i pięcioma szczelinami (8). Zależnie od położenia tej płytki otrzy­mujemy na tarczy jeden, trzy lub pięć promieni. Równoległość promieni można korygować przesuwając w tę lub tamtą stronę kondensor przy lampie. Jeżeli potrzebny jest pojedynczy promień o zmiennej szerokości, to do prowadnicy przesłony (7) wsuwamy szczelinę regulowaną (9). Kontrast między promieniami a tłem tarczy powiększa się, jeżeli między lampą a tarczą umieścimy na statywie przesłonę (10) zaopatrzoną w uchwyt. Otwór przesłony powinien być na wysokości szczelin. Promienie świetlne powinny być widoczne wzdłuż całej szerokości tarczy. Aby to osiągnąć, obracamy nieznacznie podstawę tarczy w jedną i drugą stronę koło osi pionowej przechodzącej przez środek tarczy.

Za pomocą tarczy Kolbego można przerobić następujące do­świadczenia.

1.   Odbicie  światła.   Zwierciadło   płaskie   (rys. 3)

 

 

 

 

Według wskazówek podanych wyżej ustawiamy aparat tak, aby pojedynczy promień biegł przez całą szerokość tarczy po średnicy 0—0. Pod łapkami umieszczamy zwierciadło płaskie w takiej pozycji, że powierzchnia jego dotyka średnicy 90—90. W ten sposób średnica 0—0 staje się normalną zwierciadła.

Promień, padający na zwierciadło wzdłuż normalnej, daje promień odbity również wzdłuż normalnej, czyli promień pada­jący i odbity powinny się pokrywać.

 

Jeżeli tak nie jest, należy obrócić zwierciadło w jedną lub drugą stronę, aby promienie się pokryły (rys. 3a).

Teraz obracamy tarczę o pewien kąt. Normalna zwierciadła, czyli średnica 0—0, odsuwa się od promienia padającego o ten sam kąt. Odsuwa się też i promień odbity. W każdej pozycji tarczy można odczytać na skali kąty padania i odbicia. Kąty te są równe (rys. 3b i 3c).

Może się zdarzyć, że promienia odbitego nie będzie widać na tarczy lub też będzie on widoczny tylko w pobliżu zwierciadła. Ten przypadek zachodzi wówczas, gdy płaszczyzna zwierciadł nie jest prostopadła do płaszczyzny tarczy. Należy wtedy pod jedną lub drugą krawędź zwierciadła podłożyć skrawek grubszego papieru. Doświadczenie powtarzamy stosując przesłonę z 3 i 5 szczelinami.

Uwaga. Doświadczenie opisane wyżej — poza stwierdze­niem zasadniczego prawa odbicia światła — daje okazję do zwró­cenia uwagi na następującą zależność. Kiedy względem nierucho­mego promienia świetlnego padającego na zwierciadło obrócimy to zwierciadło o kąt cp, to promień odbity odchyli się od swego poprzedniego kierunku o kąt 2 <p.

2.   Zwierciadło  wklęsłe   (rys. 4)

Pod łapkami umieszczamy zwierciadło wklęsłe tak, aby śred­nica 0—0 była jego główną osią optyczną.   Kierujemy promień pojedynczy wzdłuż osi. Promień odbity pokrywa się z padającym (rys. 4a). Obracamy tarczę o pewien kąt. Promień padający i od­bity tworzą z osią równe kąty. Przesuwamy na pałąku przesłonę ze szczeliną do góry. Podwyższamy cokolwiek lampę, aby pro­mień biegł równolegle do osi zwierciadła i padał na nie blisko górnego brzegu. Promień odbity przecina oś zwierciadła w ogni­sku głównym — rzeczywistym (rys. 4b).

Kierujemy na zwierciadło wiązkę   pięciu   promieni   równole­głych, przy tym tak, że środkowy  biegnie  wzdłuż średnicy 0—0. romienie po dobiciu przecinają się na osi zwierciadła w ognisku rzeczywistym (rys. 4c).

3.   Zwierciadło  wypukłe   (rys. 5)

Zwracamy zwierciadło stroną wypukłą ku szczelinom i prze­rabiamy te same doświadczenia co w p. 2. Wynik ich: zwierciadło rozprasza promienie, ognisko jest urojone.

 


 

4.    Załamanie   światła.   Współczynnik   załama­nia  (rys. 6)

 

 

 

Na tarczy umieszczamy półkrążek szklany tak, że płaska jego ścianka przylega do średnicy 90—90, a średnica 0—0 trafia w śro­dek geometryczny dolnej podstawy. Tarczę ustawiamy tak, aby promień z pojedynczej zwężonej szczeliny biegł wzdłuż średnicy 0—0. Kąt padania jest O, promień wchodzi bez załamania do szkła i trafia na powierzchnię walcową również pod kątem 0. Wychodzi więc ze szkła do powietrza bez załamania.

Obracamy tarczę o kąt a; odczytujemy go na skali między pro­mieniem padającym a średnicą 0—0. Zjawia się promień odbity, nachylony do normalnej pod kątem a (na rysunku nie wskazany). Widać też promień załamany w szkle. Tworzy on z normaln kąt beta i pada na walcową powierzchnię w szkle pod kątem 0. Wobec tego promień ten przy wyjściu ze szkła do powietrza nie doznaje załamania i wskazuje na skali kąt (i. W tablicach funkcji trygono-

sin a metrycznych znajdujemy sin a i sin beta. Stosunek sin alfa/sin beta*j - wyliczamy.

Jest to współczynnik załamania szkła względem powietrza.

Wybierając dowolne kąty padania alfa1 alfa2 itd., znajdujemy od­powiadające im kąty załamania beta1, beta2 itd. We wszystkich przy­padkach stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest ten sam.

 

5.   Całkowite  wewnętrzne   odbicie   (rys. 7)

 

 

 

 

 Na tarczy — półkrążek jak w p. 4, ale tarcza obrócona o 180°. Promień światła pada na walcową powierzchnię półkrążka wzdłuż średnicy 0—0 (rys. 7a).

Nie doznaje tu załamania, biegnie w dalszym ciągu wzdłuż średnicy 0—0, pada na powierzchnię płaską też pod kątem O i wychodzi ze szkła do powietrza wzdłuż średnicy 0—0.

Obracamy tarczę o pewien kąt, np. 20°. Kąt ten odczytujemy na skali między średnicą 0—0 a promieniem padającym. Teraz promień, wychodzący ze szkła do powietrza tworzy w szkle kąt (ł,

sin alfa a w powietrzu kąt załamania alfa.   Stosunek ——  r jest współczyn-

sin beta

niklem załamania powietrza względem szkła (rys. 7b).

Przez obracanie tarczy powiększamy kąt padania P w szkle. Powiększa się i kąt a w powietrzu zbliżając się do 90°. Gdy a osiągnie wartość 90°, kąt P jest około 42°. Jeżeli przez dalsze, choćby najmniejsze, obrócenie tarczy powiększymy kąt beta, to pro­mień, który wychodził przez płaską powierzchnię krążka, zniknie. Zjawi się natomiast wewnątrz szkła promień odbity od tej po wierzchni jak od zwierciadła (rys. 7c).

Szczegółowe opisy pięciu powyższych doświadczeń oraz ry­sunki wystarczają do nabrania umiejętności posługiwania się tarczą Kolbego. Dlatego też w dalszym ciągu są podane tylko tematy i rysunki wyjaśniające sposób wykonania doświadczeń.

 

 

 7.   Załamanie  światła  w  pryzmacie  (rys. 9)

Pokaz załamania światła w pryzmacie można uzupełnić, uży­wając światła jednobarwnego.  W tym celu trzeba zasłonić szczelinę

szkleni barwnym, raz ciemnoczerwonym, drugi raz ciemno­niebieskim, nie zmieniając położenia ani pryzmatu na tarczy, ani samej tarczy. Można wtedy wykazać, że wychodzący z pryzmatu promień niebieski odchyla się więcej ku podstawie pryzmatu niż czerwony.

Pryzmat prostokątny służy do wykazania, że w pryzmacie szklanym o kącie łamiącym 90° promień świetlny doznaje zawsze całkowitego wewnętrznego odbicia na ścianie wyjściowej.