Z172 - Tarcza Kolbego z podstawą i akcesoriami

W pełni samowystarczalny i mobilny zestaw do doświadczeń z optyki geometrycznej – nie potrzebuje tablicy magnetycznej, gdyż taką zawiera. Komplet soczewek, pryzmatów i luster pozwala przeprowadzić doświadczenia pokazowe przez nauczyciela jak i badawcze przez uczniów (podziałka kątowa na obrotowej tarczy ułatwia prowadzenie pomiarów kątów). Źródłem promieni świetlnych jest laser pięciowiązkowy zasilany bateryjnie (każda wiązka sterowana jest oddzielnie).

W skład zestawu wchodzi:

• stabilna podstawa-ekran ze stali ferromagnetycznej (o wymiarach: 40 cm długości i 28 cm wysokości; głębokość nóżki to 12 cm)
• zasilany bateryjnie (2xAA, ogniwa w zestawie) laser z możliwością włączenia/wyłączenia wiązek oddzielnie (wymiary 10 cm na 8,5 cm, grubość ok. 5 cm);
• lustro o modyfikowalnej krzywiźnie (może służyć jako płaskie, wklęsłe lub wypukłe o dowolnej krzywiźnie w odpowiednim zakresie zmienności);
• akrylowa soczewka dwuwypukła skupiająca o wysokości ok. 7,5 cm i ogniskowej 9 cm dla promieni przyosiowych i ok. 7 cm dla skrajnych;
• akrylowa soczewka dwuwklęsła rozpraszająca o wysokości ok. 7,5 cm i zdolności skupiającej -9 cm dla promieni przyosiowych i ok. -7 cm dla skrajnych;
• akrylowy pryzmat trójkątny równoramienny prostokątny o podstawie 7,5 cm i długości pozostałych boków 5,5 cm;
• prostopadłościan akrylowy o wymiarach ok. 2,5 cm na ok. 7,5 cm;
• akrylowy pryzmat trapezowy o długości podstaw 9 cm i 3,5 cm i kątach 45 i 60 stopni;
• akrylowa półwalcowa soczewka płaskowypukła o promieniu krzywizny 4 cm;

Wszystkie akcesoria są mocowane magnetycznie do ekranu za pomocą par magnesów neodymowych wbudowanych w poszczególne elementy.
Wprowadzenie zasilacza bateryjnego w miejsce sieciowego ułatwia znacząco prowadzenie doświadczeń, zwłaszcza gdy w pobliżu brak gniazda sieciowego. Uczniowie samodzielnie wykonujący doświadczenia pracują tym samym bezpieczniej, z napięciem bateryjnym 3 V zamiast sieciowego 230 V.
Zestaw uzupełniony przez Zestaw nr 157. Wady wzroku pozwala dodatkowo wyczerpać temat optyki geometrycznej w oku przy różnych jego wadach.

Przykładowe doświadczenia:

Obserwacja odbicia światła od zwierciadła płaskiego

Promienie światła padające na powierzchnię zwierciadła płaskiego pod różnymi kątami. Kąt odbicia jest równy kątowi padania.

Wiązka promieni równoległych padających na powierzchnię zwierciadła płaskiego. Wiązka, po odbiciu od powierzchni zwierciadła, pozostaje wiązką promieni równoległych.

Obserwacja odbicia światła od zwierciadła wklęsłego; pomiar ogniskowej zwierciadła

Wiązka promieni równoległych padająca na powierzchnię cylindrycznego zwierciadła wklęsłego (przekrój zwierciadła kulistego). Promienie, po odbiciu od powierzchni zwierciadła, tworzą wiązkę promieni zbieżnych, przecinających się w ognisku zwierciadła. Za pomocą skali tarczy Kolbego można zmierzyć ogniskową zwierciadła (w podanym przykładzie 34±1 mm).

Obserwacja odbicia światła od zwierciadła wypukłego

Na zwierciadło wklęsłe pada wiązka promieni równoległych. Promienie, po odbiciu od powierzchni zwierciadła, tworzą wiązkę promieni rozbieżnych.

Obserwacja przejścia wiązki światła przez płytkę płaskorównoległą

Na płytkę pada wiązka promieni równoległych. Po przejściu przez płytkę wiązka pozostaje wiązką promieni równoległych. Gdy promienie nie padają na powierzchnię płytki prostopadle, ulegają przesunięciu bez zmiany kierunku.

Obserwacja przejścia promieni światła przez cienką soczewkę dwuwypukłą, pomiar ogniskowej, zjawisko abberacji sferycznej

Promień światła biegnący wzdłuż osi optycznej soczewki

Wiązka promieni równoległych (przyosiowych – biegnących w niewielkiej, w porównaniu z promieniem krzywizny powierzchni soczewki, odległości od osi soczewki) przechodząca przez soczewkę. Promienie przecinają się w jednym punkcie – ognisku soczewki. Ogniskowa w podanym przykładzie wynosi 84±1 mm.

Wiązka promieni równoległych przechodząca przez soczewkę. Promienie przyosiowe przecinają się, po przejściu przez soczewkę, w innym punkcie niż promienie biegnące w większej odległości od osi optycznej – zjawisko abberacji sferycznej.

Obserwacja przejścia promieni światła przez soczewkę płaskowypukłą (grubą)

Promienie światła przechodzące przez soczewkę płaskowypukłą. Wyraźnie widoczne zjawisko abberacji sferycznej. Widać także promienie odbite od powierzchni soczewek (światło padające na granicę ośrodków częściowo odbija się, a częściowo przechodzi – z tym zjawiskiem „walczą” konstruktorzy obiektywów fotograficznych; światło odbite od powierzchni soczewek w obiektywie tworzy na zdjęciu barwne plamy, gdy w polu widzenia obiektywu znajduje się silne źródło światła).

Obserwacja przejścia promieni światła przez soczewkę dwuwklęsłą

Wiązka promieni równoległych po przejściu przez soczewkę dwuwklęsłą staje się wiązką promieni rozbieżnych. Na zdjęciu widoczne są również promienie odbite od powierzchni soczewki.

Obserwacja przejścia promieni światła przez układ soczewek cienkich

Wiązka promieni równoległych przechodząca przez układ soczewek. Ogniskowa układu zależy nie tylko od ogniskowych soczewek, ale również od odległości między soczewkami.

Obserwacja przejścia wiązki światła przez pryzmat

Obserwacja całkowitego wewnętrznego odbicia w pryzmacie prostokątnym

Obserwacja całkowitego wewnętrznego odbicia w pryzmacie prostokątnym – model szkła odblaskowego

Promień światła pada na pryzmat, dwukrotnie ulega w pryzmacie całkowitemu wewnętrznemu odbiciu i powraca w kierunku źródła światła.

Pomiar wartości współczynnika załamania dla materiału, z którego jest wykonany półkolisty blok akrylowy – model płaskowypukłej soczewki grubej

Promień światła pada na powierzchnię „walcową” modelu soczewki wzdłuż jej osi optycznej.

Promień światła pada na powierzchnię „walcową” modelu soczewki pod kątem ostrym do jej osi optycznej.

Zwiększamy kąt pomiędzy padającym promieniem światła a osią optyczną. Widoczne są wychodzący promień załamany oraz promień odbity od powierzchni płaskiej bloku akrylowego.

Jeszcze bardziej zwiększamy kąt pomiędzy padającym promieniem światła a osią optyczną. Widoczny jest tylko promień odbity od powierzchni płaskiej bloku akrylowego. Kąt padania jest większy od kąta granicznego. Zachodzi zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia.

Zmieniając kąt pomiędzy promieniem padającym a osią optyczną modelu soczewki, poszukujemy kąta granicznego, dla którego promień odbity i załamany pokrywają się (promień wychodzący z bloku akrylowego biegnie wzdłuż jego płaskiej krawędzi).

Obliczamy wartość współczynnika załamania.
Uwaga: w omawianym doświadczeniu promień pada na blok akrylowy prostopadle do jego walcowej powierzchni.

Obserwacja przejścia wiązki światła przez pryzmat trapezowy

Przykładowe wykorzystanie pomocne w realizacji podstawy programowej (optyka):
III etap edukacyjny, punkt 7., podpunkty 4), 5), 6), 7), 8).
III etap edukacyjny, wymagania doświadczalne, punkt 11). „Uczeń demonstruje zjawisko załamania światła (zmiany kąta załamania przy zmianie kąta padania – jakościowo)."
IV etap edukacyjny, zakres rozszerzony, punkt 10., podpunkt 7) „Uczeń opisuje zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia i wyznacza kąt graniczny".

Wygląd produktu na zdjęciu może odbiegać od wyglądu produktu w rzeczywistości.