STOLIK  OPTYCZNY

Przyrząd służy do  wykonywania  zasadniczych  ćwiczeń  uczniow­skich z optyki geometrycznej.

Na drewnianej podstawie (1) jest umieszczona mała żaróweczka (2) 3,5 V, 0,2 A, którą można zasilać z płaskiej bateryjki kieszonkowej lub baterii akumulatorów 4V. Żaróweczkę można wymienić na inną, zależnie od posiadanego źródła prądu. Można ją przesuwać do góry i na dół, na prawo i na lewo. Jest to potrzebne do ustawiania świecą­cego włókna żarówki w ognisku soczewki wypukłej (3) o ogniskowej 10 cm. Żarówka i soczewka są osłonięte zdejmowaną pokrywą (4). Z boku pokrywy znajduje się okienko przykryte osłoną metalową (5). Po odsunięciu osłony światło żarówki pada na stół, na którym stoi stolik optyczny. Pozwala to na notowanie i rysowanie podczas ćwiczeń. Światło po przejściu przez soczewkę tworzy wiązkę promieni równoległych, padających na przesłonę (6). W przesłonie są 4 rodzaje wycięć: szcze­lina pojedyncza, podwójna, potrójna i prostokątne okienko. Przesłonę można obracać i ustawiać tak, aby na drodze światła biegnącego od soczewki znalazło się jedno z wycięć. Światło przechodzące przez szcze­liny tworzy wąskie smugi zwane w optyce geometrycznej promie­niami świetlnymi. Promienie te przebiegają ponad stolikiem (7), na którym znajduje się tarcza (8) ze skalą kątową.

W stoliku znajduje się szufladka (9), w której są ułożone następujące wykroje optyczne:

1.     zwierciadło wklęsło-wypukłe w oprawie

2.  zwierciadło płaskie w oprawie

3.     soczewka dwustronnie wypukła sferyczna

4.     soczewka dwustronnie wklęsła sferyczna

5.  soczewka dwustronnie wypukła

6.  soczewka dwustronnie wklęsła

7.  pryzmat równoramienny o kącie łamiącym 90°

8.  płytka prostokątna

9.  dwa pryzmaty równoramienne o kącie łamiącym 30°
10. półkrążek.

W szufladce znajdują się również przewody elektryczne z końców­kami widełkowymi (11) do połączenia stolika ze źródłem prądu.

Przy pomocy stolika można wykonać następujące ćwiczenia.

I Odbicie światła

1.   Zwierciadło  płaskie

Oświetlamy szczelinę pojedynczą. Tarczę ze skalą ustawiamy w ten sposób, by promień idący od szczeliny przechodził wzdłuż średnicy 0—0. Jeżeli promień jest lekko przesunięty, należy odpowiednio ustawić żarówkę.

Zwierciadło płaskie kładziemy na tarczy wzdłuż średnicy 90—90 tak, aby promień odbity od niego pokrywał się z padającym. Wtedy średnica O—O jest normalną zwierciadła. Kąt padania jest równy 0° i kąt odbicia również 0° (rys. 3).

Następnie obracamy o kilka stopni tarczę z leżącym na niej zwier­ciadłem (rys. 4). Normalna odsuwa się od promienia padającego, odsuwa się też od niej promień odbity. Odczytujemy na skali wartości obu kątów. Kąt odbicia jest równy kątowi padania.

Zamieniamy   szczelinę   pojedynczą   na   podwójną,   a   następnie   na potrójną (rys. 5).

Doświadczenia wykazują, że promienie odbite są wzajemnie równoległe, tak samo jak i promienie padające.

Przy szczelinie potrójnej należy ustawić żarówkę tak, aby promień środkowy prze­chodził wzdłuż średnicy 0—0.

2.  Zwierciadło  wklęsłe

a) Stosujemy szczelinę pojedynczą. Śre­dnicę 0—0 tarczy ustawiamy na wprost szczeliny.

Oprawę  zwierciadła   skręcamy   przy   pomocy   śruby,    aby   płytka zwierciadlana  wygięła   się   tworząc   zwierciadło   wklęsłe.    Otrzymane

zwierciadło wklęsłe kładziemy na tarczy wg rys. 6 tak, aby jego śro­dek znalazł się na przecięciu średnic 0—0 i 90—90. Średnica 0—0 jest wtedy główną osią optyczną układu. Promień odbity i padający pokrywają się i leżą na jednej prostej (0—0). Obracamy tarczę stolika. Promień odbity oddziela się od padającego i od normalnej. Po zmierzeniu kątów padania i odbicia okaże się, że są one sobie równe.

b) Wracamy do początkowej pozycji, jak w doświadczeniu a). Zamie­niamy pojedynczą szczelinę na podwójną, a następnie na potrójną. Promień środkowy powinien pokrywać się z główną osią optyczną. W tym przypadku promienie padające są równoległe, a odbite przeci­nają się w jednym punkcie na osi optycznej (rys. 7).

Punkt ten — to rzeczywiste ognisko zwierciadła.

Kręcimy śrubą w oprawie zwierciadła. Powoduje to zmianę pro­mienia krzywizny zwierciadła — płytki zwierciadlanej. Po zmianie promienia krzywizny promienie skupiają się w dalszym ciągu na osi optycznej, ale odległość ogniska od zwierciadła uległą zmianie. Przy pomocy tego doświadczenia można wykazać, że

wielkość ogniskowej zależy od promienia krzywizny zwierciadła.

3. Zwierciadło   wypukłe

Płytkę   zwierciadlaną   tak   ustawiamy   w   oprawie,   aby   utworzyła zwierciadło   wypukłe   (rys.8).

Postępujemy   podobnie jak ze zwierciadłem wklęsłym w dośw. 2.

Podczas ćwiczeń należy stale zwracać uwagę, aby środek zwier­ciadła wypadał w punkcie przecięcia się osi. Przy rzutowaniu na zwierciadło wypukłe trzech równoległych promieni widać, że promienie te po odbiciu rozchodzą się (stają się rozbieżne). Rozchodzące się promienie wyglądają, jak gdyby wychodziły ze wspólnego punktu poza zwierciadłem. Ten pozorny punkt to urojone ognisko zwier­ciadła wypukłego.

II. Załamanie światła

4.  Półkrążek   szklany

Używamy   szczeliny   pojedynczej.    Promień   biegnie   wzdłuż  śred­nicy 0—0.

Na tarczy kładziemy pólkrążek szklany tak, aby płaska ściana leżała na średnicy 90—90 i była zwrócona ku szczelinie. Półkrążek staramy się ustawić tak, aby promień padał na środek płaskiej ściany i półkola. Lekko przesuwając pół-krążek można go tak ustawić, aby promień padający nie zmienił swego kierunku przy przejściu z powietrza do szkła, a nastę­pnie ze szkła do powietrza.

Prosta   0—0_f    wzdłuż   której    biegnie promień świetlny, jest wtedy normalną do

powierzchni płaskiej i walcowej, bo przechodzi przez środek geo­metryczny półkrążka. Kąt padania wynosi wtedy 0°. Nie występuje wtedy zjawisko załamania.

Obracamy tarczę z półkrążkiem o kąt a (rys. 11).

Promień idący od szczeliny do płaskiej ściany tworzy z normalną także kąt a. Kąt a jest kątem padania.

Po przejściu przez ścianę płaską promień załamuje się tworząc z normalną (prostą 0—0) kąt załamania Beta. Przy przejściu przez po­wierzchnię walcową (ze szkła do powietrza) promień nie załamuje się gdyż przechodzi przez środek walca, a więc jest do tej powierzchni

prostopadły.   Gdyby jednak wystąpiło załamanie, to trzeba poprawić położenie  pół krążka.

Ustawiając pół krążek pod różnymi kątami padania alf_l alfa₂           alfa_n

otrzymamy odpowiednio różne kąty załamania beta₁ beta₂          beta_n (rys. 12).

Odczytując otrzymane wartości kątów alfa i beta, możemy obliczyć współ-

                                                                      sin a

czynnik   załamania   szklą    względem   powietrza   ze   wzoru  n = ——-

sin (f

gdzie n — współczynnik załamania, a — kąt padania, beta — kąt załamania.

Dla  szkła  i  powietrza  wartość  współczynnika wynosi  około   1,5.

Dla    dokładniejszego    obliczenia    wartości    współczynnika    należy

wziąć średnią z kilku lub kilkunastu pomiarów przy różnych kątach padania i załamania, gdyż

5.  Całkowite  wewnętrzne   odbicie

Stosujemy szczelinę pojedynczą. Promień świetlny biegnie wzdłuż prostej 0—0.

Półkrążek ustawiamy płaską ścianą na prostej 90—90 tak, aby jego środek znalazł się na przecięciu prostych 0—0 i 90—90. Półkrążek zwracamy stroną walcową do szczeliny. Przy właściwym położeniu promień przechodzi przez półkrążek bez załamań (rys, 13).

Jeżeli tarczę stolika przekręcimy o kąt Beta, to promień przejdzie przez półkolistą powierzchnię bez zmiany kierunku (kąt padania = 0°).

Przy przejściu ze szkła do powietrza przez płaską powierzchnię promień załamuje się (kąt padania promienia na powierzchnię wynosi Beta) i tworzy z normalną (prostą 0—0) kąt a (rys. 14).

Przez obracanie stolika powiększamy kąt Beta, przez co zwiększy się kąt a.

Przy wzrastaniu kąta Beta, kąt Alfa wzrasta dążąc do 90°. Po prze­kroczeniu pewnej wartości kąta Beta wynoszącej około 42° (wartość zależy od gatunku szkła) promień nie wychodzi ze szkła do powietrza, lecz odbija się od ścianki szkła jak od zwierciadła.

Kąt padania Beta = y, przy którym kąt załamania wynosi 90°, nazywamy kątem granicznym. Jego wartość można obliczyć ze

wzoru sin y=1/n (n oznacza współczynnik n

załamania szklą względem powietrza).

Zjawisko odbijania się promienia po przekroczeniu kąta granicznego nazywa­my zjawiskiem całkowitego wewnętrznego odbicia (rys. 15).

Szczegółowe omówienie powyższych ćwiczeń wystarcza do wykonania postałych ćwiczeń na podstawie samych rysunków.

6. Płytka równoległościenna

7. Pryzmaty   o    różnych    kątach   łamiących

a) Przejście   promienia   przez   pry­zmat o kącie łamiącym 30°

Przez pryzmat o kącie łamiącym 30° przechodzi i załamuje się każdy promień padający na ścianę boczną (rys. 19).

b)    Przejście    promienia    przez    pryzmat   o   kącie   łamią­cym 90° (rys 20, 21).

W pryzmacie o kącie 90° występuje zjawisko całkowitego we­wnętrznego odbicia. Pryzmat ten dlatego znajduje zastosowanie w peryskopach i lornetkach pryzmatycznych.

8.  Soczewka   wypukła

Po wykonaniu ćwiczeń wg rys. 22—25 kładziemy na tarczy stolika przeciętą soczewkę dwuwypukłą sferyczną i obserwujemy skupianie się promieni.

Na soczewce tej możemy powtórzyć ćwiczenia podane na rys. 22, 24, 25. Zjawisko załamania się i skupiania promieni w ognisku demon­strujemy przy pomocy szczeliny potrójnej (rys. 24).

9.  Soczewka   wklęsła

Po wykonaniu podanych na rysunku ćwiczeń kładziemy na stoliku przeciętą soczewkę sferyczną dwustronnie wklęsłą i powtarzamy do­świadczenia podane na rys. 26, 28, 29.

Po wykonaniu doświadczeń należy poszczególne części wytrzeć miękką szma­tką i włożyć do szufladki.