45

Projekt:

Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech reg. č. CZ.1.07/2.3.00/45.0011

Didaktický materiál Kurz : Senzorové aplikace optických vláken Autor: Ing.Stanislav Petrík, CSc.

TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Ing.Stanislav Petrík, CSc.: Senzorové aplikace optických vláken

Jak donutíme světlo, aby se šířilo „za roh“

strana 1

2. – 3. ročník SŠ

A 60 min.

11.-12. Prostředí Laboratoř SŠ Hlavní myšlenka lekce Za obvyklých podmínek se světlo šíří ve formě paprsků po přímce od zdroje. Ve vhodných strukturách (světlovodech) však může světlo „téci“ podobně jako kapalina v potrubí. Zásadní otázky lekce Jakými zákonitostmi se řídí odraz a lom světla na rozhraní dvou prostředí? Můžeme zařídit, aby se světlo odrazilo úplně? Jak můžeme porušit podmínku úplného odrazu?

Příprava lekce Prezentace, kousky skla, laserové ukazovátko, zrcátko, kousky optických vláken. Vstupní požadavky na žáky (volitelné) Základní znalosti o světle, barva světla, intenzita, princip geometrické optiky (odraz a lom světla). Specifické kritérium úspěchu lekce (volitelné) Schopnost slovně popsat princip vedení světla ve skle pomocí série úplných vnitřních odrazů. Vazba na jiné lekce V navazující lekci lektor iniciuje diskusi na téma jak ovlivnit podmínky totálního odrazu světla v optickém vlákně a jak to můžeme využít pro detekci vějších vlivů, tj. pro vývoj optických vláknových senzorů.

Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 2

1) Motivace

Cíl aktivity Poukázat na problémy s měřením a přenosem signálů v nebezpečném prostředí. 10 min.

Tragický příběh dětí zasažených elektrickým proudem po přiblížení se k vedení vysokého napětí. Mohli byste připojit obyčejný měřicí přístroj k takovému vedení pomocí kovových kabelů? Co by se mohlo stát? Připojení pomocí skleněných vláken (izolantů) by bylo absolutně bezpečné! Máte zkušenost s „kopnutím“ elektrického proudu? (Nebo s korozí měděných drátů v autě kolem autobaterie?)

Pomůcky projektor, prezentace, kovový vodič, optické vlákno

2) Evokace

Cíl aktivity Vyvolat zájem hledat řešení pomocí optických vláken. 15 min. Pomůcky Kousky plochého skla, laserové ukazovátko, mnohovidové optické vlákno.

Proč je světlo skvělým prostředkem pro snímání a měření? Problémy a nebezpečí při měření fyzikálních veličin v prostředí s vysokým napětím, ve výbušném nebo v chemicky agresivním prostředí. Proč je skleněné vlákno lepší než kovový vodič? Vytvoříme pracovní skupiny a ukážeme, jak se může světlo šířit v kousku skla vnitřními odrazy. Do sklíčka žáci svítí ze strany laserovým ukazovátkem a na zdi pozorují, kudy se světlo šíří. Pokouší se světlo usměrnit. Zaznamenávají svoje zkušenosti (nakreslí jednoduché schéma).



strana 3

3) Uvědomění

Cíl aktivity Pochopit a „zažít“ vedení světla ohebným optickým vláknem. 20 min. Pomůcky Mnohovidová optická vlákna, laserové ukazovátko. Obrázky z prezentace.

Žáci ve skupinách se pokusí svítit do optických vláken. Všímají si souvislost mezi průměrem vlákna a obtížností tohoto úkolu. Proč to jde s tlustším vláknem lépe? Pokusí se svoje zkušenosti kvantifikovat – oznámkovat. Výsledky zaznamenávají do pracovních listů. Nakonec se jeden člen skupiny pokusí udržet nasvícení vlákna po delší dobu a další ohýbají vlákno a pozorují zeslabení vystupujícího světla. Ohyb porušuje podmínku pro vedení světla. Co by se dalo tímto způsobem detekovat? Skupiny navrhnou a zapíší 2 nápady na vytvoření jednoduchých vláknových snímačů.

4) Reflexe

Cíl aktivity Prezentovat výsledky experimentů a návrhy pro vynalézání nových senzorů.

Žáci prezentují svoje výsledky a nápady. Vyhlásíme soutěž o nejzajímavější nápad. Všichni přidělí body nápadům z ostatních skupin. Pokusíme se vyvolat atmosféru soutěžení ale i vzájemného uznání a ocenění úspěchu kolegů. Po sečtení bodů vyhlásíme vítěze a odměníme malou cenou (improvizovaný diplom).

15 min. Pomůcky



strana 4

5) Odborný výklad Prezentaci použijeme v bodech 1) a 2).

Optika - úvod Co je světlo? Historie Antika Antické období se vyznačovalo velmi pestrou škálou názorů na fenomény vnímané jako „světlo“: Starověké Řecko – převládal názor, že světlo vychází z očí (funguje jako slepecká hůl). V roce 55 př.n.l. – Lucretius prohlásil: „Toho druhu je sluneční světlo a teplo, protože obé se skládá z maličkých prvků, které prostorou vzduchu si chvátají chutě jak za mincí mince a strkány nárazy v týle.“ Objevují se úvahy o rychlosti světla – například Platón používal pojem „rychlost „zraku“ při pozorování hvězd -

Lektor promítne obrázky z prezentace (reprodukce z dobových vědeckých pojednání).

Středověk (11.st) Názory na původ a vlastnosti světla se dále vyvíjely ve středověku. Například Alhazen tvrdil, že „vidění není výsledkem jakéhosi vnitřního světla“. Pokusy s paobrazy poskytly důkaz ovlivňování očí zvenčí. Šíření světla již bylo celkem dobře popsáno a demonstrováno na zajímavých zařízeních, jako je například „camera obscura“. ojevily se i názory prakticky shodné s dnešním vnímáním světla: „Světlo se skládá z proudu drobných částic vytvářených ve Slunci a v plamenech na Zemi. Tyto částice se šíří přímočaře a odrážejí se od těles, na která cestou narazí.“ Byl popsán lom světla. -


Novověk (17.st) Dvě soupeřící teorie světla 1. Světlo je proudem drobných částic, jež se šíří nepředstavitelně vysokou rychlostí (Gassendi, podporoval Newton). 2. Vesmír vyplňuje určitá látka (označovaná jako „plenům“), která vyvíjí tlak na oči (Descartes, později vlnová teorie - Huygens).


Ing.Stanislav Petrík, CSc.: Senzorové aplikace optických vláken -

strana 5

Lektor promítne obrázky z prezentace (reprodukce z dobových vědeckých pojednání). Pokládá otázky, vyvolá diskusi: Jak si žáci představují světlo?

Newton byl zastáncem částicové teorie. Rozpracovává se teorie barev (rozklad světla hranolem). Původní představa byla založena na vnímání bílé barvy (bílá = čistá, průchod prostředím ji znehodnotí). Experiment se dvěma hranoly ukázal, že bílá barva = směs barev. Newton sestrojil zrcadlový dalekohled. -


Novověk 3 (17.st) Spor: Vlnová vs. Korpuskulární teorie Huygens: „světlo je určitý druh srážkovitého pohybu částic, jež se navzájem „postrkují“, a tak šíří vzruch z původního zdroje po způsobu kulovité tlakové vlny“ Ohromný Newtonův věhlas způsobil, že převládla částicová teorie. -

Lektor promítne teze z prezentace.

Novověk (18.st) Navzdory respektu k osobnosti Newtona vlnová povaha světla se nedala přehlédnout. Experimentální výzkum se rozvíjel například v těchto směrech: Young – zaostřování oka, barevné vidění Interference – pokus Vlnová teorie – barvy (různé vlnové délky) -


Novověk (18.-19.st) Fresnel – vlnová teorie (nezávisle na Youngovi) Teorie difrakce (ohybu) světla Probíhala soutěž o podstatu světla (1817) – kvůli Youngovi. Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 6

Poissonův kroužek znamenal vítězství vlnové teorie. -


Novověk (19.st) Vývoj v oblasti elektřiny a magnetismu: Oersted, Faraday - elektromagnetismus Maxwell – skládání barev,… Maxwellovy rovnice – popisují „vše“ z elektromagnetizmu Konstanta c ≈ rychlost světla: „Tato rychlost se do té míry blíží rychlosti světla, že nám to podle všeho poskytuje silný důvod k závěru, že samotné světlo (včetně sálajícího tepla a dalších záření, pokud existují) je elektromagnetickou poruchou ve formě vln, jež se šíří elektromagnetickým polem v souladu se zákony elektromagnetismu.“ -

Lektor promítne teze z prezentace.

Moderní éra(20.st) Planck popsal vyzařování žhavých těles (žárovka svítí na základě kmitání elektronů). Problém? Proč žárovka nezáří např. v RTG? Řešení: kvantová teorie – energie se vyzařuje v „balíčcích“. RTG – vysoké frekvence, třeba vynaložit hodně energie (v žárovce takové elektrony nejsou) k vytvoření kvantových (balíčků) Einstein vysvětlil fotoelektrický jev – důkaz světelných kvant – fotonů. To zahájilo obrovský rozmach moderní fyziky… -

Lektor promítne obrázky z prezentace (reprodukce z dobových vědeckých pojednání). Pokládá otázky, vyvolá diskusi: Jak si žáci představují záření? Co je to kvantování?

Co nás čeká Elektromagnetická optika (světlo, šíření, rychlost, spektrum, index lomu) Geometrická optika (lom a odraz, zobrazování) Vlnová optika (interference, polarizace, difrakce) Vláknová optika Vláknové senzory -

Lektor promítne teze z prezentace

Světlo Světlo je elektromagnetické vlnění Rychlost světla ve vakuu c=300 000 km/s Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 7

Vlnová délka, frekvence: c= λf -

Lektor promítne teze z prezentace s rovnicí pro rychlost světla.

Index lomu Index lomu n=c/v Závisí na vlnové délce n(λ) Vlnová délka v prostředí λ= λ0/n Interakce světla a hmoty Světlo = elektromagnetická vlna Hmota = kladné a záporné částice Vlastní rezonance (průchod, absorbce, reflexe) -

Proč jsou věci barevné? Jak funguje mikrovlnka?

GO – Odraz a lom Rozhraní 2 prostředí Lom světla Hustší (↑n) a řidší (↓n) prostředí _1 = _2 -

Lektor promítne obrázek s paprsky světla na rozhraní. Vysvětlí význam symbolů v rovnicích.

Proč vidíme duhu? Disperze Lze jinak rozložit světlo? Úplný odraz =90° _1 = _2 = _2⁄ _1 -

Lektor vysvětlí rovnici pro Snellův zákon. Diskuse se žáky, zkušenosti s viděním pod vodou. Aktivizace, evokace vzpomínek z prázdnin.

Nastane úplný odraz při n2>n1 ? Pokus na hranolu Úplný odraz – základ vláken



strana 8

Typy vedení světla Čočky Zrcadla Vlákno (úplný odraz) -

Lektor promítne obrázky z prezentace.

Zobrazování Zobrazovací elementy Čočky Zrcadla Soustavy (dalekohled, mikroskop,…) Brýlová optika -


Vlnová optika Interference Difrakce (ohyb) Polarizace -




strana 9

JAK DONUTÍME SVĚTLO, ABY SE ŠÍŘILO „ZA ROH“? PRACOVNÍ LIST

1. Jakými zákonitostmi se řídí odraz a lom světla na rozhraní dvou prostředí? Popište tak, aby to pochopila vaše prababička ☺:

___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

2. Myslíte si, že můžeme zařídit, aby se světlo odrazilo úplně?

___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

3. Jak můžeme porušit podmínku úplného odrazu?

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________

Pokus 1: Do sklíčka svítíme laserovým ukazovátkem. Nakreslete schéma pokusu!



strana 10

Popište, jak se vám daří/nedaří usměrnit světlo vycházející ze sklíčka!

___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

Pokus 2: Laserovým ukazovátkem svítíme do optických vláken různých průměrů. Nakreslete schéma pokusu!

Ohodnoťte známkou 1 až 5 (1 – nejlepší), které vlákno přijímá světlo nejlépe:



strana 11

___________________________________________________________________________ Vlákno_1_(nejtenčí):_________________________________________________________ Vlákno_1_(střední):__________________________________________________ ________ Vlákno_1_(nejtlustší):_________________________________________________________ __________________________________________________________________ ________ Poznámky:__________________________________________________________________ ________________ __________________________________________________________

Pokus 3: Do vlákna svítíme laserovým ukazovátkem, vlákno ohýbáme a sledujeme, co se děje s vycházejícím světlem. Nakreslete schéma pokusu!

Napište 2 nápady, co by se dalo tímto způsobem detekovat/měřit! ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

____________________________________________



Jak se změní světlo při průchodu optickým vláknem

strana 12


A 60 min.

11.-12. Prostředí Laboratoř SŠ Hlavní myšlenka lekce Při konverzi elektrického signálu na optický a zpět, dochází ke znehodnocování pulzu časovými konstantami přenosového systému. Zásadní otázky lekce Jak se mění tvar pulzu? Na čem je závislá maximální propustnost optického systému? Jak můžeme porušit podmínku úplného odrazu?

Vstupní požadavky na žáky (volitelné) Základní znalosti elektroniky a práce s měřicí technikou. Specifické kritérium úspěchu lekce (volitelné) Schopnost slovně popsat důvod zkreslení signálu. Vazba na jiné lekce Pochopení látky pomůže žákům v dalších lekcích vyhodnotit signály z vláknových senzorů.

Příprava lekce Optické vlákno, funkční generátor, řízený zdroj paprsku, přijímač, osciloskop.



strana 13

1) Motivace

Cíl aktivity Poukázat na potřebu použití optických vláken i mimo oblast senzorů a výhody optického přenosu nad metalickým.

Žáci jsou upozorněni na neustále zvyšující potřebu rychlých datových přenosů. Žákům je připomenuta doba vytáčeného připojení k internetu. S žáky je probraná jejich činnost na internetu z hlediska náročnosti na datové přenosy. Dále je s žáky probrána problematika dlouhého metalického vedení vysokofrekvenčních signálů.

10 min. Pomůcky tabule, křídy

2) Evokace

Cíl aktivity Vyvolat zájem hledat řešení pomocí optických vláken.

Žákům budou dány konkrétní příklady na základě kterých budou vysvětleny jednotlivé negativní jevy provázející přenosy informací na delší vzdálenosti. Dále budou obeznámeni se situacemi vyžadující galvanické oddělení obvodů.

15 min. Pomůcky Tabule, křídy.



strana 14

3) Uvědomění

Cíl aktivity Změřit si svépomocí vlastnosti přenosového systému.

Žáci ve skupinách se pokusí vytvořit jednoduchý přenosový systém. Jejich úkolem bude změřit zkreslení a případné zpoždění signálu odeslaného optickou cestou, vůči signálu odeslaného na přímo do osciloskopu. Tato činnost pomůže žákům pochopit limitace prvků v optickém obvodu.

20 min. Pomůcky Optické vlákno, generátor, zdroj paprsku, přijímač, osciloskop.

4) Reflexe


Žáci se samostatně pokusí formulovat svá zjištění aby tak poskytli vyučujícímu zpětnou vazbu. Rovněž si tak procvičí schopnost pozorováním výsledků pokusu vyvodit závěry. To donutí žáky přemýšlet samostatně nad úkolem a podpoří tak přípravu na samostatnou technicky zaměřenou práci.

15 min. Pomůcky



strana 15

5) Odborný výklad Prezentaci použijeme v bodech 1) a 2).

Světlovody Přenos optického signálu Princip vedení světla byl demonstrován v devatenáctém století: Daniel Colladon (19. st.) Světlo lapené v proudu vody (pokus ;) – viz obrázek z prezentace) Využití na dekorativní účely (pařížská Opera) Za vynález optických vláken byla udělena Nobelova cena (2009, Charles Kao) Překážkou rozšíření byly nedostatečné vlastnosti a neexistence vhodné produktivní technologie. V roce 1988 byl položen první optický kabel mezi Evropou a USA. V současnosti lidstvo provozuje přes miliardu kilometrů optických kabelů. Aplikační oblasti optických vláken jsou: • Komunikace • Osvětlení • „Estetika“ • Medicína … -

Lektor promítne několik ilustrativních obrázků z prezentace.

Komunikace Hlavní výhody optických vláken pro komunikační účely jsou: • Menší útlum • Větší objem dat • EMC (eleoktromagnetická kompatibilita) • přenosový limit 111 Gb/s (v aplikovaných systémech jsou typické rychlosti 10 nebo 40 Gb/s) -

Lektor diskutuje s žáky o nutnosti zvyšovat přenosovou kapacitu vedení. Zeptá se na jejich aktuální rychlost připojení k internetu doma. Bylo by to možné bez optických vláken???

Další aplikace jsou: • • •

Inženýrské aplikace Osvětlení Vědecké aplikace

• -

Senzory Teploty



strana 16

- Tlaku - Deformací … a mnoho dalších. Typická vláknová experimentální uspořádání jsou uvedena na obrázcích z prezentace. -

Lektor promítne obrázky s uspořádáním pokusu.

Aplikace v medicíně jsou nejvýznamnější jako: • • •

Osvětlovače (chirurgie) Laparoskopie Endoskopie

-

Lektor promítne „nechutné“ obrázky z chirurgie. Diskutuje výhody laparoskopie pro pacienty (malá dírka namísto rozřezaného břicha…).

Textilní optická vlákna V poslední době se uplatňují aplikace v textilním průmyslu (chytré – smart oděvy).

Význam: • • •

Estetický Bezpečnostní „hračky“

-

Lektor promítne ilustrativní obrázky z prezentace.

Světlovody Vedení světla:

- je možné několika způsoby: Čočkami Zrcadly Úplným odrazem - vlákna Rozhodující parametry pro jejich uplatnění jsou: ztráty (útlum), cena, a další, -

Lektor promítne odpovídající obrázky z literatury

Lom světla Opticky hustší (↑n) a řidší (↓n) prostředí – vztah mezi úhly paprsků a indexy lomu: _1 = _2 Úplný odraz nastává, když: =90° Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011

Ing.Stanislav Petrík, CSc.: Senzorové aplikace optických vláken _1

strana 17

= _2 = _2⁄ _1

Nastane úplný odraz při n2>n1 ? Na obrázku z prezentace je pokus na optickém hranolu.

Optické vlákno Optické vlákno je kanál pro vedení světla. Tvoří ho 2 soustředné válce (sklo, plast, křemík). Funkční části jsou jádro a plášť. Paprsky se šíří jádrem (úplný odraz) Do pláště zasahují světelné „obalové“ vlny. -


Samostatným problémem je navádění světla do optického vlákna. Numerická apertura (NA) je maximální úhel, při kterém může vstoupit paprsek do vlnovodu (schopnost přijmout a vést). Světlo se v optickém vlákně šíří ve formě vidů. Vlákna dělíme na: Vícevidová vlákna Širší jádro – více vidů Počet vidů ~ lambda Používají se na krátké vzdálenosti. Jsou levnější. Přenesou více světla - větší výkon. Pro komunikační účely jsou použitelné pro pomalejší přenosové rychlosti, negativní roli hraje disperze. -


Jednovidová vlákna Používají se na přenosy signálů na dlouhé vzdálenosti. -


Vícevidová vlákna se konstruují jako: -

Skokový index lomu

nebo -

Gradientní vlákna



strana 18

Zkreslní signálu na výstupu způsobuje disperze a ztráty. -


Ztráty Útlum v optickém vlákně je způsoben: - Nečistotami - Rozptylem - Mikro ohyby - Makro ohyby - Spoji Disperze Existuje několik mechanizmů optické disperze: - Barevná disperze - Spektrální šířka zdroje - Vidová disperze Gradientní vlákna odstraňují takzvanou mezividovou disperzi. -


Materiály a výroba Požadavky jsou: malé ztráty a a pokud možno nulová disperze. Germanátová a křemičitá skla mají nejlepší vlastnosti při vlnové délce 1300nm. Chalkogenní skla – IR 4000nm. Plastová vlákna jsou použitelná na velmi krátké vzdálenosti. Výroba optických vláken (skleněných) se uskutečňuje tažením z preformy (viz obrázky z prezentace). Preforma: usazování celé preformy z chloridů křemíku, germánia (příměsí) na kovovou tyčinku. Délka vlákna souvisí s velikostí preformy, může dosahovat až 100 km. -


Spojování Cíl: - Mechanicky stabilní spojení odolné proti ohybu - Minimalizace ztrát - Mechanické spojky, optické konektory a adaptory Ztráty vznikají vytékáním paprsků, odrazem a podélným a laterálním nesrovnáním. Nesrovnání jader (geometrie, index lomu) Rozdílné NA -




strana 19

Typy konektorů FC PC APC Lektor promítne odpovídající obrázky z literatury



strana 20

JAK SE ZMĚNÍ SVĚTLO PŘI PRŮCHODU OPTICKÝM VLÁKNEM PRACOVNÍ LIST

4. Jaký vliv má optické vlákno na světlo, které se jim šíří? Popište a nakreslete svoje představy:

___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

5. Jak a proč se změní barva přenášeného světla? Popište!

___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

1. Jak a proč se změní šířka přenášeného světelného impulzu? Popište!

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ Pokus 1: Vytvoříme jednoduchý přenosový systém se zdrojem impulzů, optickým kabelem a osciloskopem. Nakreslete schéma pokusu!



strana 21

Lektor vám pomůže zobrazit na osciloskopu impulzy, které vysílá zdroj. Nakreslete a popište!

___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________



strana 22

Kolik impulzů za jednu sekundu je schopen vyslat zdroj? Proč je tento počet omezen? Co to znamená pro rychlost vašeho připojení k internetu? Nakreslete a popište!

___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________



Optické vlákno – náš „šestý smysl“?

strana 23


A 2x60 min. 11.-12.

Prostředí Laboratoř SŠ Hlavní myšlenka lekce Už víme, že světlo se může šířit ve světlovodech tenkých jako vlas – v optických vláknech. Pro vedení světla musí být splněny určité podmínky. Úmyslným porušením těchto podmínek můžeme ovlivnit intenzitu („sílu“) světla a naučit optické vlákno „vnímat“ okolní prostředí. To je základ optických vláknových senzorů Zásadní otázky lekce Jak můžeme ovlivnit odraz a lom světla na okraji optického vlákna? Můžeme zařídit, aby světlo z vlákna uniklo? Jak můžeme porušit podmínku úplného odrazu?

Příprava lekce Prezentace, kousky optických vláken, písemný návod na experimentování s optickými vlákny, zdroj světla, fotodetektor, kapaliny s různými indexy lomu (voda, alkohol, glycerín, jedlý olej. Vstupní požadavky na žáky (volitelné) Základní znalosti o světle, barva světla, intenzita, princip geometrické optiky (odraz a lom světla). Znalost prvků vláknové optiky (vlákno, zdroj světla, fotodetektor). Specifické kritérium úspěchu lekce (volitelné) Schopnost slovně popsat princip amplitudových optických vláknových senzorů s porušením podmínky úplného vnitřního odrazu světla.



strana 24

Vazba na jiné lekce V navazující lekci lektor iniciuje diskusi na téma jak ovlivnit další vlastnosti vedeného světla, například šířku světelného impulzu.



strana 25

1) Motivace

Cíl aktivity Poukázat na problémy s měřením některých životně důležitých veličin v nebezpečném prostředí.

Život námořníků v ponorce závisí na nabití elektrických baterií. Kdyby se vybily pod určitou úroveň, ponorka se již nikdy nevynoří… Je velmi důležité znát aktuální stav nabití akumulátorů. Index lomu elektrolytu akumulátoru závisí na stavu nabití. Index lomu je optická veličina. Optické vlákno je citlivé na změnu indexu lomu. Pomůžeme zachránit námořníky?

10 min. Pomůcky projektor, prezentace, optické vlákno, zdroj světla, fotodetektor

2) Evokace

Cíl aktivity Vyvolat zájem hledat řešení pomocí optických vláken. 2x15 min. Pomůcky mnohovidové optické vlákno, optické vlákno, zdroj světla, fotodetektor.

Proč je světlo vedené optickým vláknem skvělým prostředkem pro snímání a měření? Problémy a nebezpečí při měření fyzikálních veličin v prostředí s vysokým napětím, ve výbušném nebo v chemicky agresivním prostředí. Proč je skleněné vlákno lepší než kovový vodič? Vytvoříme pracovní skupiny a ukážeme, jak můžeme ovlivnit intenzitu světla změnou indexu lomu okolí optického vlákna. Žáci svítí speciálním zdrojem do optického vlákna a měří fotodetektorem výstupní intenzitu světla. manipulací s povrchem vlákna zjišťují, že intenzita světla se dá ovlivnit. Zaznamenávají svoje zkušenosti (nakreslí jednoduché schéma).



strana 26

3) Uvědomění

Cíl aktivity Pochopit a „zažít“ možnosti ovlivňovat intenzitu světla v optickém vlákně vnějším působením.

Žáci ve skupinách svítí speciálním zdrojem do optického vlákna a měří fotodetektorem výstupní intenzitu světla, vlákno ohýbají a sledují výstupní napětí na fotodetektoru. Výsledky zaznamenávají do pracovních listů. Ohyb porušuje podmínku pro vedení světla. Co by se dalo tímto způsobem detekovat? Skupiny navrhnou a zapíší 2 nápady na vytvoření jednoduchých vláknových snímačů.

2x20 min. Pomůcky Mnohovidová optická vlákna, zdroj a detektor světla. Obrázky z prezentace.

4) Reflexe


Žáci prezentují svoje výsledky a nápady. Vyhlásíme soutěž o nejzajímavější nápad. Všichni přidělí body nápadům z ostatních skupin. Pokusíme se vyvolat atmosféru soutěžení ale i vzájemného uznání a ocenění úspěchu kolegů. Po sečtení bodů vyhlásíme vítěze a odměníme malou cenou (improvizovaný diplom).

2x15 min. Pomůcky



strana 27

5) Odborný výklad Prezentaci a text použijeme v bodech 2) a 3).

Trochu povídání… Optické vláknové senzory (OVS) Výhody OVS: Citlivost Dielektrická konstrukce Chemická/biologická odolnost Odolnost proti elektromagnetickému rušení Miniaturní rozměry … - Lektor vysvětlí výhody optických vláknových senzorů ve srovnání s klasickými senzory. Použije metodu diskuse se žáky (využije vědomostí a vlastnoručních zkušeností žáků z předchozích lekcí). Podle použitého optického vlákna OVS rozdělujeme na: Vlastní senzory: V tomto případě optické vlákno pracuje jako citlivý prvek, v němž dochází ke změně intenzity, fáze, frekvence a polarizačního stavu. - Lektor promítne obrázek z prezentace. Nevlastní senzory: U nichž vlákno představuje prvek vstupu – výstupu signálu. Modulace se neuskutečňuje ve vlákně. - Lektor promítne obrázek z prezentace. Podle druhu konstrukce: Vláknově – optická konstrukce: Optické vlákno je citlivý prvek. - Lektor promítne obrázek z prezentace. Optická konstrukce: Využívá nevlastní senzory. - Lektor promítne obrázek z prezentace. Neoptická konstrukce: Signál prochází skrz optické vlákno, využívá se neoptického fyzikálního jevu - Lektor promítne obrázek z prezentace. Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 28

Podle způsobu modulace světla: Amplitudová (intenzitní) modulace - Lektor promítne obrázek z prezentace. Fázová modulace - Lektor promítne obrázek z prezentace. Připomene pojem fáze vlny. Modulace (výběru) vlnové délky - Lektor promítne obrázek z prezentace. Zeptá se žáků, co si představují pod pojmem „vlnová délka“. Frekvenční modulace - Lektor promítne obrázek z prezentace. Polarizační modulace - Lektor promítne obrázek z prezentace. Zopakuje definici polarizačního stavu světla. Amplitudová modulace: Změnou útlumu: Přímé zeslabení světla je způsobené změnou koeficientu tlumení v optickém prostředí. - Lektor vysvětlí princip s použitím obrázku z prezentace. Se změnou indexu lomu: Tato změna je způsobena například indukovaným dvojlomem. - Lektor vysvětlí princip s použitím obrázku z prezentace. Porušením okrajových podmínek šíření světla - Lektor vysvětlí princip s použitím obrázku z prezentace. (Co jsou „okrajové podmínky pro vedení světla?) Změna vzájemné vazby světlovodů - Lektor vysvětlí princip s použitím obrázku z prezentace. Generace záření Dle konstrukce lze fázové optické vláknové senzory či optické vláknové interferometry dělit: Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


Senzory Senzory Senzory Senzory Senzory

strana 29

s Machovým-Zehnderovým interferometrem se Sagnacovým interferometrem s Michelsonovým interferometrem s mezividovým interferometrem s Fabry-Perotovým interferometrem

- Lektor vysvětlí principy jednotlivých typů senzorů s použitím obrázků z prezentace.

Pojďme si to vlastnoručně vyzkoušet… Cíle pokusů: 1. 2. 3. 4. 5.

Získat praktické zkušenosti s manipulací s optickými vlákny. Vyzkoušet vliv ohybů na útlum vlákna. Vyzkoušet vliv mikroohybů na útlum vlákna. Vyzkoušet reflexní senzor. Vyzkoušet senzor hladiny kapaliny.

Cílem měření je demonstrovat citlivost optického vlákna na ohyby. Postup: a) Zapojíme napájení pro optický přijímač a optický vysílač. Propojíme modul optického vysilače. b) Propojíme pomocí optického vlákna vysílač s přijímačem. c) Připojíme voltmetr a změříme napětí pomocí voltmetru, které odpovídá optickému výkonu (lektor rozdá žákům obrázek se zapojením). d) Na váleček natočíme 1 a poté 3 závity a odečteme napětí. Postupně změříme všechny 3 válečky. Naměřená data zapíšeme do tabulky.

Váleček Optický výkon U (V) 1 2 3

Dále si ověříme vliv mikroohybů na útlum vlákna - princip mikroohybového vláknového senzoru. Postup: a) Využijeme zapojení z předchozího měření. (lektor rozdá žákům obrázek se zapojením). Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 30

b) Optické vlákno vložíme mezi mikroohybové podložky. c) Změříme sílu prstů jednotlivých žáků ve vaší skupině – tlačíme na mikroohybové podložky postupně ukazováčkem. Údaje zapíšeme do tabulky.

Tlak prstů Optický výkon U (V) Žák 1 Žák 2 Žák 3 Žák 4

Vyzkoušíme i princip a funkci reflexního senzoru. Postup: a) Propojíme optický vysílač a přijímač pomocí reflexního senzoru (optické vlákno se třemi konektory). (lektor rozdá žákům obrázek se zapojením). b) závislost optického výkonu (napětí) na vzdálenosti sondy od reflektoru (rovného povrchu) a naměřená data zapisujte do tabulky. c) Sledujte odraz od různých typů povrchů.

Vzdálenost senzoru Optický výkon od povrchu (mm) U (V) 0 1 2 ….

Povrch Optický výkon U (V) Papír Kov Plast

Vyzkoušíme princip senzorů kapalin Postup: Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 31

d) Připojíme oholené vlákno tvaru U jedním koncem k optickému vysílači a druhým koncem k optickému přijímači. (lektor rozdá žákům obrázek se zapojením). e) U-sondu ponoříme do nádoby s měřenou kapalinou. f) Odečteme hodnoty z měřicího přístroje a hodnoty zaznamenáme do tabulky

Prostředí

Index lomu Optický výkon n U (V)

vzduch etylalkohol glycerin voda

Literatura: [1] Turán,J. - Petrík,S.: Optické vláknové senzory. Alfa, Bratislava, 1991 (ISBN 80-0500655-1). [2] M. Kucharski, J. Brouček: Optická vlákna a senzory, (pracovní sešit), 1992 Elcom-Štolba, ISBN 80-900 721-2-9.



strana 32

OPTICKÉ VLÁKNO – NÁŠ „ŠESTÝ SMYSL“? PRACOVNÍ LIST

6. Jak můžeme ovlivnit odraz a lom světla na okraji optického vlákna? Popište a nakreslete svoje představy:

___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

7. Můžeme zařídit, aby světlo z vlákna uniklo? Jak? Popište a nakreslete:

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________



strana 33

Pokus 1: Svítíme speciálním zdrojem do optického vlákna a měříme fotodetektorem výstupní intenzitu světla. Manipulací s povrchem vlákna zjišťujeme, jak se dá ovlivnit intenzita světla. Zaznamenejte svoje zkušenosti! Nakreslete jednoduché schéma pokusu!

Popište, co se děje s intenzitou světla! ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________



strana 34

Ohyb optického vlákna porušuje podmínku pro vedení světla. Co by se dalo tímto způsobem detekovat? Navrhněte a zapište 2 nápady na vytvoření jednoduchých vláknových snímačů

___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________



strana 35

Pokus 2.: Postup: e) f) g) h)

Zapojte napájení pro optický přijímač a optický vysílač. Propojte pomocí optického vlákna vysílač s přijímačem. Připojte voltmetr a změřte napětí pomocí voltmetru (které odpovídá optickému výkonu). Na váleček natočíme 1 a poté 3 závity a odečteme napětí. Postupně změříme všechny 3 válečky.

Nakreslete jednoduché schéma pokusu!

Naměřená data zapíšeme do tabulky.

Váleček Optický výkon U (V) 1 2 3

Pokus 3.: Postup: d) Využijte zapojení z předchozího měření. e) Optické vlákno vložíme mezi mikroohybové podložky. Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 36

f) Změřte sílu prstů jednotlivých žáků ve vaší skupině – tlačíme na mikroohybové podložky postupně ukazováčkem. Údaje zapíšeme do tabulky. Nakreslete jednoduché schéma pokusu!

Tlak prstů Optický výkon U (V) Žák 1 Žák 2 Žák 3 Žák 4

Popište svoje poznatky!

___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ Pokus 4.: Postup: g) Propojte optický vysílač a přijímač pomocí reflexního senzoru (optické vlákno se třemi konektory). h) Změřte závislost optického výkonu (napětí) na vzdálenosti sondy od reflektoru (rovného povrchu) a naměřená data zapisujte do tabulky. i) Sledujte odraz od různých typů povrchů. Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 37


Vzdálenost senzoru Optický výkon od povrhu (mm) U (V) 0 1 2 ….

Povrch Optický výkon U (V) Papír Kov Plast


___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 38

Pokus 5.: Postup: a) Připojíme oholené vlákno tvaru U jedním koncem k optickému vysílači a druhým koncem k optickému přijímači. (lektor rozdá žákům obrázek se zapojením). b) U-sondu ponoříme do nádoby s měřenou kapalinou. c) Odečteme hodnoty z měřicího přístroje a hodnoty zaznamenáme do tabulky Nakreslete jednoduché schéma pokusu!

Prostředí

Index lomu n

Optický výkon U (V)

vzduch ethylalkohol glycerin voda


___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________



strana 39

Literatura: [1] Turán,J. - Petrík,S.: Optické vláknové senzory. Alfa, Bratislava, 1991 (ISBN 80-0500655-1). [2] M. Kucharski, J. Brouček: Optická vlákna a senzory, (pracovní sešit), 1992 Elcom-Štolba, ISBN 80-900 721-2-9.



Ohnuté vlákno „ochutnává“ kapaliny

strana 40


A 60 min.

11.-12. Prostředí Laboratoř SŠ Hlavní myšlenka lekce Při ponoření oholeného optického vlákna do kapalin se mění index lomu mezi vláknem a okolím. Tím dochází k dalším útlumům a lze tak měřit index lomu kapalin. Zásadní otázky lekce Jak se mění úroveň přijatého signálu v závislosti na indexu lomu kapaliny? Jaký typ vlákna je pro tuto aplikaci vhodný?

Vstupní požadavky na žáky (volitelné) Základní znalosti elektroniky a práce s měřicí technikou, znalost paprskové optiky. Specifické kritérium úspěchu lekce (volitelné) Schopnost slovně popsat důvod poklesu úrovně signálu. Vazba na jiné lekce Lekce staví na teoretické přípravě z předchozích lekcí.

Příprava lekce Optické vlákno, zdroj paprsku, přijímač, voltmetr, ampérmetr, laboratorní zdroj, vzorky kapalin.



strana 41

1) Motivace

Cíl aktivity Poukázat na možnosti použití optických senzorů a jejich přednosti oproti jiným možnostem detekce složení látek.

Žáci jsou postaveni před problém odlišení různých kapalin. Dostanou za úkol vymyslet, jakým způsobem lze takovéto měření provést. Pracují ve skupinách a své nápady zapisují na papír.

10 min. Pomůcky papír a psací potřeby



strana 42

2) Evokace

Cíl aktivity Vyvolat zájem o princip senzoru a umožnit žákům dovození principu funkce a návrhu senzoru včetně volby použitých vláken.

Žákům je v krátkosti zopakován výklad paprskové optiky, kde je kladen důraz hlavně na chování paprsků na rozhraní dvou materiálů s odlišnými indexy lomu. Poté je žákům rozdán pracovní list za účelem zopakování nabytých vědomostí nutných k provedení experimentu. Před postupem do další části je výstup pracovních listů zkontrolován a doplněn vyučujícím. Tím je zajištěno, že budou žáci schopni sestavit samostatně měřící soustavu pro experiment.

15 min. Pomůcky Pracovní list, psací potřeby.

3) Uvědomění

Cíl aktivity Sestavit měřící soustavu a změřit si svépomocí vlastnosti vzorků kapalin. 20 min. Pomůcky Optické vlákno, laboratorní zdroj, zdroj paprsku, přijímač, voltmetr, ampérmetr, vzorky kapalin.

Žáci ve skupinách se pokusí vytvořit jednoduchý měřící systém. Ten se sestává z laboratorního zdroje napájecího přes ampérmetr zdroj paprsku, který je přes oholené optické vlákno připojen do přijímače. Na přijímači je pak připojen voltmetr. Posledním krokem přípravy je tvorba měřící smyčky na oholené části vlákna. Žáci nejprve nastaví pracovní bod vysílače (proud 20 mA) a zaznamenají výstupní hodnotu napětí pro vzduch. Následně ponoří vytvořenou smyčku na vlákně do jednotlivých vzorků kapalin a zapisují hodnoty z voltmetru spolu s názvem kapaliny.



strana 43

4) Reflexe

Cíl aktivity Prezentovat výsledky experimentů. 15 min.

Žáci si dohledají indexy lomu jednotlivých vzorků kapalin a na jejich základě vytvoří graf závislosti napětí na indexu lomu. Zpětnou vazbou žákům i učiteli je onen graf, který určí použitelnost daných součástek/vlákna (strmostí grafu), správné provedení měření (shoda typu závislosti a absence významnějších výkyvů v grafu). Další možnost reflexe poskytuje slovní zhodnocení výsledku měření zástupcem žáků.

Pomůcky Počítač s internetem, tabulkový procesor.



strana 44

5) Odborný výklad Části předešlých prezentací související s chováním paprsků na rozhraní jsou použity ve druhé části této lekce. Důvodem je zopakování látky nutné k pochopení principu senzoru, které by bylo jinak jen velmi obtížné. Optickým vláknovým senzorem rozumíme optické vlákno, u kterého dochází působením vnějších podmínek k modulaci signálu. Může dojít ke změně fáze, amplitudy, polarizační nebo spektrálního složení signálu přenášeného světlovodem. Na optický senzor musí být připojen zdroj světla (laser, laserová dioda) a detektor (fotodioda, PIN dioda). Vyhodnocením změn signálu na detektoru je možné usuzovat na typ a intenzitu změny veličiny, která ji způsobila. Podle funkce, kterou optické vlákno plní u daného optického vláknového senzoru, dělíme senzory na vlastní a nevlastní. Vlastní optické vláknové senzory využívají přímého působení měřené fyzikální veličiny (tlak, ohyby, mikroohyby) na přenosové vlastnosti optického vlákna. Nevlastní optické vláknové senzory používají optického vlákna pouze k přenosu optického signálu a k vlastní modulaci signálu měřenou veličinou dochází mimo optické vlákno. Podle toho, zda optický senzor vyhodnocuje změny přímého signálu nebo odraženého, dělíme optické vláknové senzory na přenosové (transmisnítní) a odrazové (reflexní). U přenosového optického vláknového senzoru je oddělen vstup a výstup optického vlákna. Odrazový optický vláknový senzor má zpravidla totožné vstupní vlákno s výstupním. Nejčastější dělení optických vláknových senzorů je podle způsobu modulace světla. Senzory dělíme na: • amplitudové • fázové • polarizační • spektrální (změna vlnové délky). Optické vláknové senzory s amplitudovou modulací jsou založeny na změně amplitudy (intenzity záření) vyvolané působením fyzikální veličiny. K modulaci může dojít u vlastních senzorů např. změnou indexu lomu pláště optického vlákna nebo změnou koeficientu útlumu v důsledku ohybů vlákna či mikroohybů. U nevlastnich senzorů může dojít k modulaci např. vzájemným pohybem pevného a pohyblivého konce přerušeného optického vlákna, změnou polohy odrazné plochy. Optické vláknové senzory s amplitudovou modulací se používají zejména jako senzory polohy či posunutí, senzory tlaku a síly, senzory výšky hladiny, senzory koncentrace látek, senzory teploty aj. AMPLITUDOVÉ OPTICKÉ VLÁKNOVÉ SENZORY Nejjednodušší optické vláknové senzory využívají intenzitní (amplitudovou) Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 45

modulaci nosného snímaného optického signálu. Amplitudová modulace optického signálu se může uskutečnit jednímz následujících způsobů: a) změnou útlumu, to je přímé zeslabení světla průchodem optickým prostředím, b) změnou přechodu a odrazu světla, c) porušením okrajových podmínek šíření světelného signálu v optickém prostředí, d) změnou vzájemné vazby světlovodů, e) generací záření. Významná skupina intenzitních optických vláknových senzorů pracuje na principu porušení okrajových podmínek šíření (v optickém vlákně) vlivem snímané fyzikální veličiny. Nejčastěji se využívá porušení podmínky úplnéhovnitřního odrazu, např. na rozhraní mezi jádrem a pláštěm optického vlákna. Podmínku úplného odrazu lze porušit buď změnou zakřivení optického vlákna, nebo změnou poměru indexu lomu. -

Lektor promítne obrázek a připomene výklad z předchozího modulu.

Při ohybu optického vlákna pod kritický poloměr nastává průnik světla do pláště optického vlákna, to se může šířit podél optického vlákna jako plášťové módy, nebo může uniknout do okolního prostředí. Tím se snižuje intenzita světelného signálu, šířícího se jádrem optického vlákna, nebo se intenzita zvýší, průnikem světla z okolního prostředí do jádra vlákna. -

Lektor promítne obrázek a připomene výklad z předchozího modulu.

Mikroohybové senzory mají velké výhody: vysokou citlivost, velký dynamický rozsah a kompaktnost, vyplývající z toho, že není nutné optické vlákno přerušit. Na promítaném obrázku se pro modulaci optického signálu používá silikátová modulační destička. Při působení fyzikální veličiny na tuto destičku dochází vlivem elastooptického jevu k modulaci vstupního signálu. Tento senzor lze použít např. pro měření tlaku. Senzor s porušením okrajové podmínky ponořením vlákna do kapaliny. K porušení podmínky dochází ponořením konce vlákna nebo holého jádra do kapaliny. Na tomto principu jsou založeny senzory optické hustoty, koncentrace, úrovně kapaliny. Přesnost měření změn indexu lomu je velmi velká, což umožňuje použití senzorů například na měření koncentrace oleje ve vodě. -

Lektor promítne a popíše obrázky z literatury. aktivuje diskusi se žáky, snaží se vyvolat tvořivé nápady.

Lektor v diskusi s žáky zopakuje principy amplitudových optických vláknových senzorů s důrazem na citlivost optického vlákna na hodnotu indexu lomu okolního prostředí. Promítne obrázky ilustrující únik světla z konce optického vlákna a z pláště optického vlákna ohnutého do tvaru U. Evokuje „vymýšlení“, jak by se to dalo využít na snímání a měření přítomnosti a vlastností různých druhů kapalin. Vyzkoušíme princip senzorů kapalin


Ing.Stanislav Petrík, CSc.: Senzorové aplikace optických vláken -

strana 46

Lektor promítne obrázky z prezentace – principy senzorů kapalin: a) na bázi reflexního senzoru (vlákna spojená do tvaru „Y“) b) na bázi ohnutého oholeného vlákna (vlákno ve tvaru „U“)

Vyzkoušíme princip a funkci reflexního senzoru kapalin: Postup: j) Propojíme optický vysílač a přijímač pomocí optického vlákna se třemi konektory. (lektor rozdá žákům obrázek se zapojením). k) Změříme závislost optického výkonu (napětí) na okolním prostředí a naměřená data zapisujeme do tabulky. Prostředí



Vyzkoušíme citlivost ohnutého vlákna („U“) na index lomu okolního prostředí (kapaliny): Postup: l) Připojíme oholené vlákno tvaru U jedním koncem k optickému vysílači a druhým koncem k optickému přijímači. (lektor rozdá žákům obrázek se zapojením). m) U-sondu ponoříme do nádoby s měřenou kapalinou. n) Odečteme hodnoty z měřicího přístroje a hodnoty zaznamenáme do tabulky

Prostředí





strana 47

OPTICKÉ VLÁKNO „OCHUTNÁVÁ“ KAPALINY PRACOVNÍ LIST

1. Jak se mění úroveň přijatého optického signálu v závislosti na indexu lomu kapaliny?

Popište a nakreslete jednoduchý graf: ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

8. Můžeme zařídit, aby světlo z vlákna uniklo? Jak? Popište a nakreslete:

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________



strana 48

Pokus 1: Postup: o) Připojíme oholené vlákno tvaru U jedním koncem k optickému vysílači a druhým koncem k optickému přijímači. p) U-sondu ponoříme do nádoby s měřenou kapalinou. q) Odečteme hodnoty z měřicího přístroje a hodnoty zaznamenáme do tabulky

Prostředí

Index lomu n


vzduch ethylalkohol glycerin voda




strana 49

Popište, co se děje s intenzitou světla! ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

Nakreslete graf závislosti výstupní intenzity světla na indexu lomu použité kapaliny!

Popište svoje poznatky! ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________



strana 50

___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

Připravte si tři sklenice vody. V první rozpusťte jednu kostku cukru, ve druhé dvě kostky a ve třetí tři. Zopakujte Pokus 1, výsledky zapište do tabulky:

Prostředí


Voda + 1 kostka cukru Voda + 2 kostky cukru Voda + 3 kostky cukru

Umí váš optický vláknový senzor rozlišit rozdíly ve sladké chuti vody ve sklenici? Navrhněte další využití tohoto senzoru pro „ochutnávání“ kapalin!

___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________


45

Recommend Documents