ŚWIATŁOWODY

prof. dr hab. Mirosław Karpierz

1. Doświadczenie z łyżeczką w szklance

Nalać wodę do przeźroczystej szklanki z równymi ściankami. Szklanka z wodą jest soczewką cylindryczną o czym można się przekonać spoglądając przez szklankę na przedmioty umieszczone na zewnątrz szklanki. Włożyć do szklanki łyżeczkę, słomkę lub patyczek. Patrząc z boku na granicy woda/powietrze łyżeczka wydaje się podzielona na dwie rozsunięte części. Przesunięcie to zmienia się wraz z przesuwaniem łyżeczki w lewo i w prawo w stronę brzegu szklanki. Jest to spowodowane załamaniem światła na granicach woda/szkło i szkło/powietrze. Gdy nie ma wody, załamanie na obu powierzchniach szkła (równoległych) jest takie samo i promień światła ulega tylko małemu przesunięciu bez zmiany kierunku.

Po zbliżeniu do brzegu szklanki, część łyżeczki zanurzona w wodzie zanika. Wynika to ze zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia, które pojawią się, gdy światło pada pod dużym kątem na granicę ośrodków od strony ośrodka gęstszego optycznie. W doświadczeniu można zmierzyć w przybliżeniu maksymalne rozsuniecie obrazów łyżeczki w wodzie i powietrzu a także maksymalną szerokość łyżeczki, której nie widać (wielkość obszaru z którego zachodzi całkowite wewnętrzne odbicie). Czy wyniki te ulegną zmianie, jeśli użyta zostanie szklanka o innej średnicy? Jak wyniki doświadczenia zmienią się, jeśli zamiast wody użyta zostanie inna ciecz?

2. Doświadczenie Colladona

Do doświadczenia potrzebny jest wskaźnik laserowy. W plastikowej przeźroczystej butelce należy zrobić okrągły otwór na bocznej ściance u dołu butelki. Otwór powinien być taki, aby wypływająca przez niego woda tworzyła równomierną cylindryczną strużkę. Okleić ściankę wokół otworu nieprzeźroczystym papierem. Świecąc wskaźnikiem laserowym z drugiej strony butelki zaobserwować prowadzenie światła w strużce wylewającej się wody. Doświadczenie jest bardziej efektowne w zaciemnionym pomieszczeniu.

3. Doświadczenie z ugięciem światła na płytach CD i DVD

Do doświadczenia potrzebny jest wskaźnik laserowy. Oświetlić wskaźnikiem laserowym rowki na płycie CD. Zaobserwować na ścianie lub kartce papieru powstałe ugięte promienie światła. Zmierzyć odległość pomiędzy dwoma sąsiednimi promieniami. W takich samych warunkach dokonać pomiarów dla płyty DVD. Stosunek zmierzonych odległości jest równy stosunkowi odległości pomiędzy rowkami na obu płytach. Na płycie CD rowki są w odległości 1,6 mikrometra a na płycie DVD odpowiednio 0,74 mikrometra.

4. Doświadczenie z bańkami mydlanymi

Obserwować pod światło puszczane bańki mydlane lub cienkie błonki mydlane. Patrząc na bańki mydlane, widać, że niektóre z nich mienią się różnymi barwami. Widoczne kolory są wynikiem interferencji światła odbitego od dwóch ścianek błony. Fale, których długość jest zbliżona do podwójnej grubości błony nie ulegają odbiciu. Natomiast fale, których długość jest zbliżona do połowy grubości błony są silnie odbijane. Ponieważ światło widzialne ma fale o długości od około 0,4 mikrometra (światło fioletowe) do około 0,7 mikrometra (światło czerwone), to błony o grubości kilku dziesiątych mikrometra przepuszczają selektywnie światło. Dla błon zbyt cienkich i zbyt grubych nie zachodzi taki efekt i są one wtedy przeźroczyste.

5. Zadanie z prędkością światła

Po jakim czasie światło obiegnie kulę ziemską? Ile razy może to zrobić w ciągu 1 sekundy?

Prędkość światła to 300 000 km/s. Obwód Ziemi to około 40 000 km. Aby przebyć taką odległość światło potrzebuje 4/30 sekundy (czyli około 0,13 s). W ciągu 1 sekundy światło może zatem obiegnąć Ziemię 30/4=7,5 razy.

Sygnał elektryczny w drucie porusza się z prędkością taką jak fala elektromagnetyczna. Podobnie jak dla światła w ośrodku materialnym, prędkość sygnału w drucie jest mniejsza od prędkości światła w próżni, ale z nią porównywalna. Dlatego rozmawiając przez telefon nie słyszymy dużych opóźnień (sygnał telefoniczny dociera do nas częściowo po kablu metalowym a częściowo światłowodem, przy czym na dużych odległościach głównie jest to światłowód). Pojawiające się opóźnienia są bardziej spowodowane różnymi elementami toru telekomunikacyjnego (w tym liniami opóźniającymi), a nie długością kabla i światłowodu.

Zeszyt ćwiczeń

Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

2

Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

---