Zestaw do prezentacji zjawisk optyki geometrycznej laserowym źródłem światła LX-2901
LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 2 SPIS TREŚCI 1. Wstęp... 3 2. Przeznaczenie zestawu... 5 3. Elementy wchodzące w skład zestawu... 5 4. Dane techniczne... 6 5. Opis budowy, działania i przygotowanie zestawu do prezentacji wybranych zjawisk optyki geometrycznej... 6 5.1. Opis budowy... 6 5.2. Opis działania... 7 5.3. Przygotowanie zestawu do prezentacji... 8 6. Wybrane przykłady zastosowań elementów optycznych zestawu... 9 6.1. Prezentacja właściwości światła laserowego... 9 6.2. Prezentacja zjawiska odbicia pięciu równoległych wiązek światła laserowego od zwierciadlanych powierzchni... 9 6.2.1. Zwierciadło płaskie... 9 6.2.2. Zwierciadło wklęsłe... 10 6.2.3. Zwierciadło wypukłe... 11 6.3. Prezentacja transmisji światła przez soczewkę skupiającą 13 6.4. Prezentacja transmisji światła przez soczewkę rozpraszającą... 13 6.5. Zjawisko załamania wiązki światła w pryzmacie... 14 6.6. Transmisja wiązki światła przez płytkę płasko-równoległą... 15 6.7. Zjawisko załamania i całkowitego wewnętrznego odbicia... 15 6.8. Aberracja sferyczna i sposób jej korygowania... 19 6.9. Całkowite wewnętrzne odbicie propagacja światła w światłowodach optycznych. 6.10. Oko i widzenie prawidłowe, krótkowzroczne i dalekowzroczne... 21 6.11. Sposoby korygowania wad wzroku... 22 6.12. Idea działania aparatu fotograficznego, lunety Galileusza i lunety Keplera... 24 7. Ogólne uwagi dotyczące gwarancji... 26
3 LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 1. WSTĘP Gratulujemy Państwu wyboru ze wszech miar przydatnego na lekcjach fizyki zestawu do prezentacji zjawisk optyki geometrycznej wykonanego w oparciu o skolimowaną wiązkę światła laserowego. W urządzeniu tym wykorzystano powszechnie znane właściwości światła laserowego. W przeciwieństwie do dotychczas stosowanych klasycznych źródeł światła, zastosowanie lasera umożliwia precyzyjną prezentację zjawisk optycznych, bez konieczności stosowania kłopotliwych, dodatkowych zaciemnień pomieszczenia w czasie pokazu. Cechy promieniowania laserowego, takie jak: kolimacja i koherencja wiązki, czy duża intensywność światła przy określonej barwie (długości fali), niejednokrotnie stanowią dla nauczyciela jedyną szansę demonstracji niektórych zjawisk fizycznych. Dodatkową innowacją w niniejszym zestawie jest zastosowanie pięciu równoległych wiązek laserowych, co znacznie rozszerza zakres możliwych do przeprowadzenia prezentacji doświadczeń. W dalszej części instrukcji przedstawiony jest szczegółowy opis i informacje o przykładowych możliwościach zestawu. Mamy nadzieję, że niniejsze opracowanie jest napisane przystępnym językiem i zrozumiałe. W przypadku jakichkolwiek niejasności lub uwag, prosimy bezpośrednio kontaktować się z przedstawicielami firmy. Liczymy na szereg uwag z Państwa strony, które mogłyby się stać inspiracją do rozszerzenia możliwości prezentowanego zestawu.
LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 4 2. PRZEZNACZENIE ZESTAWU Laserowy zestaw dydaktyczny do prezentacji zjawisk optyki geometrycznej laserowym źródłem światła nowocześnie i przystępnie przedstawia trudne w zrozumieniu zjawiska fizyki. W tani i bardzo prosty sposób umożliwia demonstrację zmiany toru wiązki światła w zetknięciu z różnymi, powszechnie stosowanymi elementami optycznymi. Elementy optyczne zestawu pozwalają modelować różne funkcje, w oparciu o które działają urządzenia optyczne. Niniejsza instrukcja zawiera najważniejsze informacje dotyczące budowy, konserwacji i posługiwania się zestawem. Przestrzeganie zawartych w niej wskazówek, dotyczących wykorzystania zestawu gwarantuje jego długą i bezawaryjną pracę. Instrukcja została opracowana z uwzględnieniem wymagań pedagogicznych w nauczaniu fizyki. Za wykorzystanie niniejszej pomocy dydaktycznej odpowiedzialność ponosi nauczyciel. 3. ELEMENTY WCHODZĄCE W SKŁAD ZESTAWU laserowy generator linii (Laser Ray Box) zasilacz transformatorowy 100-240VAC/3VDC plansze z rysunkami uzupełniającymi tablica magnetyczna z nóżkami do ustawienia jej w pozycji stojącej oraz otworami umożliwiającymi jej zawieszenie zestaw 14 trwałych plastykowych elementów optycznych o podłożu magnetycznym
5 LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 4. DANE TECHNICZNE źródło światła - 5 diod laserowych zasilanie - zasilacz 100-240VAC/3VDC moc diod laserowych - 1mW długość fali - 635nm temperatura pracy - pokojowa klasa bezpieczeństwa elektrycznego - IIa klasa bezpieczeństwa laserowego - II 5. OPIS BUDOWY, DZIAŁANIA I PRZYGOTOWANIE ZESTAWU DO PREZENTACJI WYBRANYCH ZJAWISK OPTYKI GEOMETRYCZNEJ 5.1. Opis budowy Tradycyjna ława optyczna lub pewna modyfikacja zestawów dotychczas stosowanych wymagała zaciemnionego pomieszczenia i znacznie ograniczała możliwości obserwacji prezentowanych zjawisk optycznych. Przedstawiany zestaw pozwala nauczycielowi na modelowanie zjawisk optycznych w znacznie szerszym zakresie i zaprezentowanie ich większej liczbie studentów. Wykorzystane w nim miniaturowe lasery diodowe dają wystarczająco dobrze widzialne światło, które wysyłane jest z laserowego generatora linii w postaci pięciu równoległych wiązek. W celu uzyskania efektu linii laserowych stycznych do powierzchni tablicy, zastosowano w generatorze specjalną soczewkę cylindryczną. Sam zestaw może być zawieszony, jak również oparty na biurku prowadzącego zajęcia.
LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 6 Każdy z elementów optycznych wykonany jest z plastyku i podklejony folią magnetyczną. Daje to w rezultacie stabilne położenie elementów nawet w przypadku, gdy tablica jest zawieszona pionowo. Taka sama folia magnetyczna utrzymuje w zadanym miejscu generator światła laserowego oraz plansze z rysunkami uzupełniającymi. 5.2. Opis działania Zawieszoną lub wspartą tablicę wyposażamy w elementy, z których składamy jeden z prezentowanych przykładów. Do doświadczeń wykorzystujemy odpowiednią ilość wiązek, przesłaniając zbędne. Wraz z elementami optycznymi możemy wybrać też odpowiednią planszę, wyposażoną w folię magnetyczną. Oznaczenia elementów zestawu (rys.1): 1- generator światła laserowego 2- zwierciadło wypukłe 3- soczewka płasko-wypukła 4- półkrążek 5- pryzmat 6- płytka płasko-równoległa 7- soczewka płasko-wklęsła 8- soczewka dwuwypukła (krótkowzroczność) 9- soczewka dwuwypukła (widzenie normalne) 10- soczewka dwuwypukła (dalekowzroczność) 11- soczewka dwuwypukła 12- soczewka dwuwklęsła 13- zwierciadło płaskie 14- zwierciadło wklęsłe 15- światłowód optyczny
7 LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 2 3 4 5 6 7 1 do zasilacza transformatorowego 220/12V 8 9 10 11 12 13 14 15 Rys. 1. Generator światła laserowego i elementy optyczne zestawu 5.3. Przygotowanie zestawu do prezentacji Metalowa tablica do prezentacji może być umieszczona w wygodnym dla nauczyciela miejscu, oparta o biurko lub zawieszona na zaczepach.
LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 8 Należy wybrać odpowiednią planszę (w zależności od tematu) i zamocować generator światła laserowego. Na planszy złożyć układ optyczny i wybrać właściwą liczbę wiązek świetlnych. W doświadczeniu można użyć tablicy z zestawu lub wykorzystać - coraz częściej dostępne - szkolne tablice metalowe. Jeżeli nauczyciel uzna za stosowne, istnieje łatwa możliwość odrysowania torów promieni przechodzących przez elementy optyczne lub odbitych od zwierciadeł. 6. WYBRANE PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ ELEMENTÓW OPTYCZNYCH ZESTAWU 6.1. Prezentacja właściwości światła laserowego Zastosowane źródła światła w generatorze laserowym są diodami laserowymi o monochromatycznym świetle czerwonym (o długości fali emisji 635nm) i mocy 1mW każda. Zaletą tego typu źródła jest mała rozbieżność wiązki światła, istotna przy doświadczeniach z optyki geometrycznej. Pozostaje inwencją nauczyciela stopień rozszerzenia tego zagadnienia o typowe rodzaje laserów, moce i zakresy widmowe emitowanego przez nie światła, sposoby ich wykorzystania i ochrona przed promieniowaniem. 6.2. Prezentacja zjawiska odbicia pięciu równoległych wiązek światła laserowego od zwierciadlanych powierzchni 6.2.1. Zwierciadło płaskie Do doświadczenia należy użyć generatora światła laserowego, zwierciadła płaskiego oraz - przy prezentacji kąta padania i odbicia - tablicy z podziałką kątową (patrz doświadczenie 6.7).
9 LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 Przysłaniając dowolną ilość wiązek należy zwrócić uwagę uczniów na wzajemną równoległość zarówno promieni padających jak również odbitych. Ustawiając zwierciadło prostopadle do toru wiązek padających, możemy zwrócić uwagę na fakt pokrycia się wszystkich wiązek padających i odbitych. kąt padania = kąt odbicia Rys. 2. Odbicie promieni światła laserowego od zwierciadła płaskiego 6.2.2. Zwierciadło wklęsłe Do doświadczenia użyjemy w tym przypadku źródła światła, zwierciadła wklęsłego i elementów do przysłaniania. Obserwując promienie przecinające się w jednym punkcie, formułujemy prawo dotyczące ogniska rzeczywistego zwierciadła wklęsłego. Ustawiając zwierciadło prostopadle do toru wiązek oraz tak, by jego środek znalazł się na osi promienia środkowego, możemy zwrócić uwagę na fakt pokrycia się środkowej wiązki padającej i odbitej (rys. 3a).
LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 10 Rys. 3a. Odbicie promieni świetlnych od zwierciadła wklęsłego Jeżeli zwierciadło wklęsłe odchylimy o pewien kąt względem osi optycznej, promienie świetlne odbite od zwierciadła przetną się w innym punkcie wyznaczając kąt przecięcia od głównej osi optycznej równej odchyleniu zwierciadła (rys. 3b). Rys. 3b. Odbicie promieni świetlnych od zwierciadła wklęsłego 6.2.3. Zwierciadło wypukłe Do doświadczenia użyjemy źródła światła i zwierciadła wypukłego. Obserwując promienie odbite, które tworzą wiązkę rozbieżną, wskazujemy punkt poza zwierciadłem będący pozornym ogniskiem zwierciadła wypu-
11 LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 kłego i leżący na przedłużeniu rozbieżnych promieni odbitych. Ustawiając zwierciadło prostopadle do toru wiązek oraz tak, by jego środek znalazł się na osi promienia środkowego, możemy zwrócić uwagę na fakt pokrycia się środkowej wiązki padającej i odbitej (rys. 4a). Rys. 4a. Odbicie promieni świetlnych od powierzchni zwierciadła wypukłego Jeżeli zwierciadło wypukłe odchylimy o pewien kąt względem osi optycznej, promienie świetlne odbite od zwierciadła utworzą wiązkę rozbieżną, a przedłużenie tych wiązek wskaże pozorne ognisko zwierciadła wypukłego (rys. 4b). Rys. 4b. Odbicie promieni świetlnych od powierzchni zwierciadła wypukłego
LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 12 6.3. Prezentacja transmisji światła przez soczewkę skupiającą Do doświadczenia użyjemy źródła światła oraz soczewki dwuwypukłej (skupiającej). Obserwując promienie po przejściu przez soczewkę, wskazujemy na zjawisko załamania się promieni i skupienia ich w jednym punkcie, zwanym ogniskiem rzeczywistym soczewki dwuwypukłej. Doświadczenie to ilustruje pewne właściwości soczewki, natomiast wszelkie zależności matematyczne pozostawia się nauczycielowi do uzupełnienia po prezentacji modelowanych zjawisk optyki geometrycznej. Rys.5. Przejście światła przez soczewkę skupiającą 6.4. Prezentacja transmisji światła przez soczewkę rozpraszającą Do doświadczenia użyjemy źródła światła i soczewki dwuwklęsłej (rozpraszającej). Obserwując promienie wychodzące z soczewki, podkreślamy fakt ich rozbieżności. Na przedłużeniu promieni rozproszonych wskazujemy możliwość odnalezienia ogniska pozornego soczewki dwuwklęsłej. W doświadczeniu zwracamy również uwagę, iż promienie skrajne są odchylane bardziej w stosunku do promieni środkowych, leżących bliżej tzw. osi optycznej soczewki.
13 LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 Rys.6. Przejście światła przez soczewkę rozpraszającą Wszelkie zależności matematyczne i określenie zdolności rozpraszającej soczewki dwuwklęsłej należy dokonać po prezentacji ogólnej idei doświadczenia. 6.5. Zjawisko załamania wiązki światła w pryzmacie Do doświadczenia użyjemy źródła światła i pryzmatu. Obserwując wiązkę promieni należy zwrócić uwagę na ich załamanie w pryzmacie, z zachowaniem równoległości wszystkich pięciu promieni po opuszczeniu pryzmatu. Rys. 7. Przejście światła przez pryzmat
LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 14 6.6. Transmisja wiązki światła przez płytkę płasko-równoległą Do doświadczenia użyjemy źródła światła i płytki płasko-równoległej. Z obserwacji promieni wyprowadzamy wniosek, iż nastąpiło w płytce przesunięcie promieni wychodzących z zachowaniem ich wzajemnej równoległości. Przesunięcie promieni uzależnione jest oczywiście od cech materiału, z którego wykonano płytkę, a dokładnie od jego współczynnika załamania. Rys. 8. Przejście światła przez płytkę płasko-równoległą 6.7. Zjawisko załamania i całkowitego wewnętrznego odbicia Do doświadczenia użyjemy: źródła światła, tarczy z podziałką kątową, zwierciadła płaskiego, płytki płasko-równoległej oraz półkrążka. Ze źródła światła wykorzystujemy tylko jeden promień. Uzyskujemy to poprzez przysłonięcie pozostałych wiązek zwierciadłem płaskim. Półkrążek lub płytkę płasko-równoległą należy ułożyć na tarczy, tak jak pokazano na poniższych rysunkach. Na rysunkach 9 i 10 przedstawiono zjawisko załamywania się światła na granicy ośrodków o różnych gęstościach. Prowadzący zajęcia powinien
15 LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 wyznaczyć współczynnik załamania materiału z którego wykonano półkrążek lub płytkę płasko-równoległą i zaznaczyć, że wzór na współczynnik załamania n=sin /sin odpowiada stosunkowi prędkości v 1 /v 2 rozchodzenia się światła odpowiednio w obu ośrodkach. Rys. 9. Załamanie światła w półkrążku Rys. 10. Załamanie światła w płytce płasko-równoległej
LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 16 Rys. 11a. Załamanie promienia światła w półkrążku gr =90 0 Rys. 11b. Załamanie promienia światła dla kąta granicznego
17 LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 Rys. 11c. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia promienia światła w półkrążku Rys. 12. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia w płytce płasko-równoległej
LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 18 Na rys.11a zilustrowano zjawisko załamania światła w półkrążku. Światło, padając prostopadle do powierzchni kołowej krążka nie załamuje się (nie zmienia kierunku). Rozważamy w tym pokazie drugą powierzchnię krążka powierzchnię płaską i przejście światła z ośrodka o większej gęstości do ośrodka rzadszego. Na rysunku 11a pokazano typowe zjawisko zał a- mania przy małym kącie padania promienia światła. Jednakże zwiększając kąt padania możemy osiągnąć jego wartość graniczną (tzw. kąt graniczny gr ). W takim przypadku (rys. 11b) promień załamany ślizga się wzdłuż prostoliniowego boku półkrążka kąt załamania =90 0. Z dalszym wzrostem kąta padania następuje zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia rysunek 11c. Ze znanej zależności sin gr =1/n, po zmierzeniu kąta granicznego, można wyznaczyć współczynnik załamania ośrodka n. 6.8. Aberracja sferyczna i sposoby jej korygowania. Do doświadczenia użyjemy źródła światła ze wszystkimi pięcioma promieniami, soczewki płasko-wypukłej i soczewki korygującej płaskowklęsłej. Prowadzący powinien wskazać, iż jest to jedna z wad soczewek a także, że można ją korygować poprzez użycie - jak w ćwiczeniu - innej soczewki lub ograniczaniu przysłoną promieni padających skrajnie na soczewkę. Rys. 13. Przykład zjawiska aberracji sferycznej
19 LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 Rys. 14. Przykład korekcji zjawiska aberracji sferycznej 6.9. Całkowite wewnętrzne odbicie propagacja światła w światłowodach optycznych. Do doświadczenia użyjemy źródła światła z jednym promieniem i płytki płasko równoległej (rys. 1, pozycja 15). Całkowite wewnętrzne odbicie występuje na granicy dwóch ośrodków. Zjawisko można zauważyć w ośrodku o większym współczynniku załamania. Wprowadzając promień ze źródła światła do płytki płasko równoległej zjawisko zaobserwujemy, gdy kąt padania (między normalną do powierzchni a kierunkiem promienia) jest znacznie większy od kąta granicznego, wyznaczanego ze wzoru sin α gr /sin β = n 1 /n 2, gdzie β=90 o. Rys. 15. Propagacja światła w światłowodzie
LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 20 6.10. Oko i widzenie prawidłowe, krótkowzroczne i dalekowzroczne. Do doświadczenia użyjemy źródła światła ze wszystkimi pięcioma promieniami, odpowiedniej soczewki dwuwypukłej (rys.1, poz. 8, 9, 10) oraz planszy ze schematem oka. Prowadzący powinien przypomnieć wiadomości z anatomii o miejscu powstawania obrazu na siatkówce oka i tzw. akomodacji (tj. takiej zmianie grubości soczewki ocznej, by bez zmiany jej położenia obraz był ostry i zogniskowany dokładnie na siatkówce). Celowe jest również zasygnalizowanie przyczyn i skutków krótkowzroczności i dalekowzroczności oraz możliwości ich korygowania (pkt. 6.10). Siatkówka O 1 O 2 Rys. 16. Przykład widzenia prawidłowego i właściwego skupienia promieni na siatkówce
21 LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 O 1 O 2 Rys.16. Przykład widzenia krótkowzrocznego (obraz powstaje przed siatkówką) O 1 O 2 Rys. 17. Przykład widzenia dalekowzrocznego (obraz powstaje za siatkówką) 6.11. Sposoby korygowania wad wzroku W celu zademonstrowania korekty dalekowzroczności należy zastosować soczewkę dwuwypukłą (rys.1, poz. 11). Aby skorygować krótkowzroczność, stosujemy soczewkę dwuwklęsłą (rys.1, poz. 12).
LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 22 O 1 O 2 Rys. 18. Przykład skorygowania dalekowzroczności przez zastosowanie soczewki skupiającej (dla osiągnięcia lepszej wypadkowej zdol- ności zbierającej układu optycznego: oko - soczewka dodatkowa) O 1 O 2 Rys. 19. Przykład skorygowania krótkowzroczności przez zastosowanie soczewki rozpraszającej (wypadkowa ogniskowa układu optycznego oko-soczewka rozpraszająca przesuwa ostry obraz na siatkówkę)
23 LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 6.12. Idea działania: aparatu fotograficznego, lunety Galileusza i lunety Keplera -Aparat fotograficzny Do prezentacji użyjemy źródła światła, soczewki skupiającej oraz tablicy ze schematem aparatu fotograficznego (rys. 20). W prezentowanym przykładzie, na kliszy światłoczułej zogniskowany jest obraz punktu. W rzeczywistości obraz tworzy ich zbiór. Ostrość ustawia się poprzez zmianę położenia soczewki. -Luneta Galileusza Do prezentacji użyjemy źródła światła, soczewki dwuwypukłej i soczewki płasko-wklęsłej. Prowadzący zajęcia powinien przypomnieć, że okularem jest tutaj soczewka rozpraszająca, umieszczona między obiektywem lunety a jego ogniskiem (tak jak w lornetkach teatralnych). Rys. 20. Schematyczna budowa aparatu fotograficznego
LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 24 Rys 21. Przykład idei budowy lunety Galileusza -Luneta Keplera Do prezentacji użyjemy źródła światła, soczewki dwuwypukłej i soczewki płasko-wypukłej. Rys. 22. Przykład idei budowy lunety Keplera
25 LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 Prowadzący powinien przypomnieć, że w lunetach Keplera okular będący soczewką skupiającą pełni rolę lupy. Luneta Keplera daje obrazy odwrócone. 7. OGÓLNE UWAGI DOTYCZĄCE GWARANCJI Powyższy opis zawiera wybrane propozycje doświadczeń wraz z rysunkami pomocniczymi. Autorzy zestawu pozostawiają intencji nauczyciela dydaktyczne i metodyczne ujęcie zagadnień w programach szkół z zakresu fizyki (w dziale optyki). Materiał przedstawiony w niniejszym opracowaniu jest czytelny i wyczerpuje zakres materiału nauczania. Zastosowane diody laserowe nie stanowią niebezpieczeństwa (klasa II bezpieczeństwa laserowego), aczkolwiek celowe jest podkreślenie, iż bezpośrednie patrzenie w źródło światła może uszkodzić wzrok. Urządzenie nie wymaga specjalnej konserwacji. Dla zachowania estetycznego wyglądu dopuszcza się czyszczenie elementów miękką, antystatyczną ściereczką. Uwaga! Podczas czyszczenia urządzenie musi być odłączone od sieci zasilającej. Składowanie zestawu: w pomieszczeniu o temperaturze powietrza 5 C i wilgotności 85%. Uwaga! Należy stosować zasilacz stabilizowany 3V lub 2 baterie 1.5V. Przekroczenie napięcia 3V grozi trwałym uszkodzeniem generatora wiązek laserowych!
LASEROWY ZESTAW DYDAKTYCZNY LX-2901 26 Firma LASOTRONIX udziela 12 miesięcy gwarancji. Wszelkie naprawy urządzenia wykonuje producent. Naruszenie plomb lub próba naprawy we własnym zakresie powoduje utratę gwarancji. Producent gwarantuje użytkownikowi przegląd aparatu w przypadku jakichkolwiek wątpliwości co do sprawności technicznej urządzenia.