Zařízení pro pokusy s infračerveným světlem

Jan Tokar

překlad: Růžena Kolářová

Zařízení, které navrhuji pro pokusy s infračerveným světlem může být použito jak na základní tak na střední škole. Učitel ho může vyrobit se žáky ve fyzikálním kroužku a žáci s ním pak mohou za pomoci učitele provádět jednoduché pokusy. Efekty těchto pokusů mohou žáky překvapit a dokonce udivit: světlo, které neregistrujeme našimi smysly „fyzicky existuje“ - je reálné. Naskýtá se tak dobrá příležitost, aby si žáci uvědomili,že kouzelný svět světla není omezen jen na oblast viditelného světla, ale rozprostírá se za hranice toho, co přijímáme naším zrakem. Tento svět může žák objevovat a obdivovat velmi jednoduchými pokusy.

Zařízení je složeno z následujících částí:

1. Generátoru infračerveného záření, který je na bázi astabilního multivibrátoru vytvářejícího pravoúhlé kmity (obr. 1a). Generátor řídí vysílací diodu emitující infračervené záření. Dioda spolu s multivibrátorem vytváří svazek infračerveného světla modulovaného kmity generátoru. Jako generátor infračervených impulsů lze také použít populárního „pilota“ (ovladače) zařízení audio-video.

Seznam částí:

T1, T2, T5 – BC 211

T3 – BPYP 35

T4 – BC 117 (nebo podobný)

D – vysílací dioda (vybrat podle použitého fototranzistoru)

R1, R4, – 220 kW

R2, R3, – 33 kW

C1, C2, – 22 nF

Gl – 0,5 W/ 8 Ω

2. Detektoru infračerveného záření, ve kterém je fototranzistor jako čidlo infračerveného záření a akustický zesilovač (obr. 1b).

Po sestavení generátoru (vysílače) i detektoru se musí ověřit funkčnost zařízení. K tomu je třeba nasměrovat vysílací diodu emitující infračervené záření na fototranzistor, což se projeví zvukem v reproduktoru. Zařízení je tak sestavené, že musí reagovat už ze vzdálenosti několika desítek centimetrů. Pro zlepšení průběhu pokusů je generátor s diodou emitující infračervené záření i tranzistor přijímače se zesilovačem zamontován do  plastových krabiček opatřených úchytem, pomocí něhož se upevňuje ve školních stativových zařízeních (např. pro optiku), které mohou být umístěny na příslušné lavici. Takto sestavené zařízení plní úlohu optické lavice a umožňuje libovolné vzájemné posunování jednotlivých částí zařízení (obr. 2). Technika provádění pokusů je stejná jako při provádění stereotypních školních pokusů s viditelným světlem. Pro zjednodušení názorných obrázků budeme vysílač infračerveného záření znázorňovat obdélníkem a písmenem N a přijímač obdélníkem s písmenem O.

Pokusy s využitím popsaného zařízení:

1. Zkoumání propustnosti a absorpce infračerveného záření

Zařízení seřídíme tak, aby byl slyšet zvuk, jehož zdrojem je detektor. Do cesty infračerveného záření umísťujeme tělesa z různých látek, např. tabuli z plexiskla, papír, začazené sklo, ebonit, baňku s vodním roztokem síranu měďnatého (obr. 3).

Jako výsledek pokusu pozorujeme v různém stupni zeslabování zvuku, kdy do cesty infračerveného světla umísťujeme tělesa, která ho různě pohlcují. Pro ostatní tělesa může být změna zvuku nepatrná, taková tělesa infračervené světlo propouštějí a jen trochu ho absorbují.

2. Určení ohniska infračerveným světlem

Do cesty infračerveného záření umístíme čočku, např. skleněnou (čočkou může být i laboratorní baňka). Posunujeme čočku mezi vysílačem a přijímačem až nalezneme takovou polohu, ve které je intenzita zvuku největší. Při této poloze je detektor v ohnisku čočky (obr. 4). Je vhodné ukázat žákům závislost ohniskové vzdálenosti na tvaru a druhu čočky. Jako čočku můžeme použít baňku naplněnou vodou a potom pokus opakovat s prázdnou baňkou. Takto demonstrujeme závislost ohniskové vzdálenosti na indexu lomu čočky.

Vliv poloměru křivosti na ohniskovou vzdálenost pozorujeme, když použijeme baňky o různých průměrech při stejném prostředí v baňkách.

3. Odraz infračerveného světla

Tímto pokusem můžeme kvalitativně ověřit zákon odrazu světla a také vliv druhu odrážející plochy na absorpci infračerveného záření (obr. 5).

Jako odrážející plochu můžeme použít list bílého papíru a pak opakovat pokus s listem černého papíru. V druhém případě nebude slyšet prakticky žádný zvuk z detektoru, protože černý povrch listu papíru absorboval infračervené světlo.

4. Lom infračerveného světla

Vysílač i přijímač nastavíme tak, aby přímka je spojující nesplývala s vysílaným svazkem infračerveného světla. Potom do cesty svazku umístíme optický hranol. Otáčíme hranolem tak dlouho až v přijímači uslyšíme signál (obr. 6).

5. Odraz infračerveného světla na dutém zrcadle

Vysílač a přijímač umístíme tak, jak je znázorněno na obr.7a. Jako duté zrcadlo můžeme použít hliníkovou pokličku. Posunujeme přístroji vzájemně tak, aby intenzita zvuku byla co největší. Pak je možné pak říci, že čidlo detektoru je v ohnisku.

Doplněním tohoto pokusu může být modelování dutého zrcadla pomocí listu papíru. Pokus začneme s rovným listem papíru (ne svinutým), obr. 7b, a potom list jemně ohýbáme a současně sledujeme intenzitu zvuku v reproduktoru (obr. 7c). K tomuto pokusu se nejlépe hodí list papíru z jedné strany bílý a z druhé strany černý. Pokus provádíme nejprve pro bílou stranu a pak pro černou stranu listu.

6. Interference infračerveného světla

Do cesty svazku infračerveného světla umístíme difrakční mřížku (obr. 8).

Posunujeme-li přístroji (podél optické osy) pozorujeme vznik nulového proužku. Při posunování přijímače kolmo k optické ose (doleva, doprava) sledujeme zanikání a následně objevení se zvuku. V závislosti na mřížkové konstantě použité mřížky můžeme sledovat proužky různého řádu.