No title

Dokumentace projektu CZ.1.07/2.3.00/45.0040 Science Academy - kritický způsob myšlení a praktické aplikace přírodovědných a technických poznatků v reálném životě

Polarizace Dokumentace přípravy, technického zajištění, scénáře, fyzikálního pozadí a fotodokumentace vystoupení vzniklého v rámci projektu Science Academy – na téma Polarizace.

Výpis experimentů 1.

Polarizace polární lišky,

2.

vlnění vodní hladiny v akváriu,

3.

vlnění lana,

4.

vzájemné natáčení lineárních polarizačních filtrů,

5.

všechno kromě světla propustná membrána,

6.

odraz polarizovaného světla od zrcadla,

7.

odraz polarizovaného světla od skla,

8.

rozptyl polarizovaného světla v akváriu,

9.

optická aktivita fruktózy a sacharózy,

10. LCD z hodin, 11. LCD monitor, 12. mega pixel, 13. fotoelasticimetrie

Dokumentace experimentů Kompletní soupis experimentálního vybavení:  Kamera (s nabíječkou, AV kabelem a prodlužovačkou AV),  projektor (s napájecí šňůrou),  v místonsti, kde není bílá plocha také plátno,  mega pixel (s napájecím zdrojem),


 laserové ukazovátko,  upravený LCD monitor (se stojanem, napájecím kabelem a VGA kabelem),  upravený budík s LCD (s bateriemi),  polarizační fólie na plexiskle (pro monitor),  kruhové polarizační brýle,  lineární polarizační brýle,  kruhové a lineární polarizační fólie,  zrcadlo,  notebook (s nabíječkou),  akvárium (a kýbl, příp. hadice na nalévání),  trocha mléka,  meotar (s napájecí šnůrou),  2x kádinka (objem 600 ml až 800 ml),  1000 ml nasyceného roztoku sacharózy (řepného cukru),  1000 ml nasyceného roztoku fruktózy (ovocného cukru),  3x stativ (proprojektor, kameru a mega pixel),  izolepa,  nůžky,  eurofólie,  kus plexiskla,  malá svěrka,  kus dřeva, které se vejde zevnitř na kratší stranu akvárka, s držadlem,  prodlužovačku (buben s prodlužovačkou),  všechno kromě světla propustná membrána – trubička se dvě vzájemně zkříženými polarizačními filtry  mince, propiska… (předmět, který můžeme propustit membránou výše),


 vetší Petriho miska nebo kus tabulového skla,  pravítko,  magenty  vrtačka  lano nebo silná šňůra.

Celkové zapojení a sestavení před vystoupením Kameru a projektor umístíme na příslušné stativy, připojíme k síti a vzájemně propojíme tak, aby projektor ukazoval reálný obraz z kamery. Pokoušíme se eliminovat rušivé zobrazení různých nastavovacích prvků a údajů z kamery. Kamera slouží na projekci malých experimentů a detailů. Meotar připojíme k síťovému napájení, namíříme na vhodnou bílou projekční plochu nebo plátno. Nachystáme dva lineární polarizační filtry. Jeden takový aby byl stejně velký (nebo větší) jako podložní sklo meotaru. Položíme jej na podložní sklo (používáme jej jako polarizátor). Druhý stejně velký filtr pak používáme jako analyzátor. Do kádinek zvlášť nalijeme zhruba 500 ml roztoků sacharózy a glukózy. Doporučujeme označit, ve které kádince je co. (Pozor, při zobrazení meotarem se zamění levá a pravá strana!  ) Je dobré experiment vyzkoušet a množství roztoků v jednotlivých kádinkách upravit tak, aby při dané orientaci polarizačních filtrů jeden roztok nabýval maxima propustnosti a druhý minima (viz konkrétní popis experimentu). Na stativ umístíme megapixel, umístíme na viditelné místo a nasměrujeme směrem k publiku, připojíme napájení ze stabilizovaného zdroje 12 V, alespoň 1,5 A. Poblíž monitoru umístíme příslušnou polarizační fólii na plexisklu. (Rovina polarizace je pod úhlem 45°.) Upravený monitor připevníme na stojan. Připojíme přes přiložený napájecí zdroj do sítě. VGA kabelem spojíme s notebookem, kterým pouštíme do projektoru vhodné obrázky. Notebook doporučujeme též připojit k síti a vypnout automatický přechod do úsporného režimu, zamykání apod. Akvárium umístíme na stůl, naplníme víc než z poloviny vodou (ne však přes asi 15 cm pod okraj) a přidáme mléko (stačí několik mililitrů). Díky tomu se voda mírně zakalí a je v ní lépe vidět paprsek laseru. Zatemníme místnost. Vyzkoušíme laserové ukazovátko – jeho funkčnost a dostatečně intenzitu pro dané zatemnění místnosti.


Do hodin nebo budík s LCD dáme baterie. Sejmeme z něj svrchní polarizační filtr a nachytáme k použití poblíž budíku. Z izolepy vystříháme různé tvary nebo písmena a nalepíme je na eurofóli, která slouží jako podložka. V polarizovaném světle mají tvary různé barvy – vhodné vyzkoušet předem. S různou fólií může být dosaženo různých výsledků.

Provedení jednotlivých experimentů 1. Polarizace polární lišky

Obr. 1: Vhodný obrázek polární lišky.

Zapojíme monitor podle popisu výše. Sejmeme z něj svrchní polarizační fólii (pokud je umístěna) a promítáme obrázek polární lišky. Dobře funguje například Obr. 1. Na monitoru vidíme bílou plochu. (Při pohledu pod velkým pozorovacím úhlem vidíme obraz, protože dochází k částečné polarizaci). Přiložíme polarizační filtr, díky čemuž uvidíme obraz jako na normálním monitoru. Pokud filtr otočíme o 90° (můžeme realizovat jeho převrácením). Změní se liška polární na lišku lesní – vidíme inverzní obraz (viz Obr. 2). Zejména při větším počtu diváků je vhodné monitor Obr. 2: Inverzní obrázek polární lišky. snímat kamerou, aby výsledek viděli i diváci, kteří neuvidí přímo na monitor. Pozn.: V plánu je zakoupit pro tento experiment velkou obrazovku nebo televizi. Zatím využíváme malého monitoru ze zběrného dvora.


Obr. 3: Upravený monitor bez předního polarizačního filtru, na kterém jsou položeny dva polarizační filtry s opačnou rovinou polarizace – jsou vidět obě lišky – pravá hnědá a liška modrá v inverzních.

2. Vlnění vodní hladiny v akváriu V akváriu necháme ustálit vodní hladinu a pak na kratším konci začneme generovat vlny. Jde to snadno například menším dřevěným hranolem s držadlem. Průběh také můžeme snímat kamerou a promítat. 3. Vlnění lana Lano uchytíme ve vrtačce, kterou drží performer v ruce. Druhý konec přichytíme k něčemu pevnému v místnosti tak, aby bylo lano ideálně natažené na šířku celé místnosti. Vrtačku pomalu spouštíme a vytváříme různě polarizované stojaté vlnění na laně. 4. Vzájemné natáčení polarizačních filtrů Lze demonstrovat přímo proti světlu, nebo v prošlém světle na meotaru.


Vzájemně vůči sobě natočíme dva lineárně polarizované filtry a sledujeme intenzitu prošlého světla. Pokud jsou shodně orientovány, nabývá intenzita maxima, pokud jsou orientace kolmé, vidíme tmu (v ideálním případě). Dále použijeme tři polarizační filtry. Dva z nich orientujeme kolmo na sebe, takže nevidíme nic a pak mezi ně vsuneme třetí filtr, který je natočen o 45° vůči rovině prvního polarizačního filtru – světlo částečně prochází. S polarizačními filtry předvádíme jen propustnost za použití dvou filtrů. Pozorujeme, že ať natáčíme filtry, jak chceme, propustnost se nemění. Změna nastává, pokud jeden z filtrů převrátíme. Obr. 4: Dva polarizační filtry s rovnoběžnou rovinou polarizace.

Obr. 6: Tři polarizační filtry natočené vůči sobě postupně o 45° .

Obr. 5: Dva polarizační filtry s kolmou rovinou polarizace.

Obr. 7: Všechno kromě světla propustná membrána .


5. Všechno kromě světla propustná membrána Všechno kromě světla propustná membrána je konstruována tak, že uvnitř skleněné (nebo plexisklové) trubky jsou po obvodu umístěny dva polarizační filtry. Dolní polovinu celou pokrývá jeden a horní polovinu druhý filtr. Filtry mají vzájemně otočenou rovinu polarizace o 90° Obr. 8: Konstrukce všechno kromě světla propustné membrány.

Tímto uspořádáním je dosaženo toho, že uprostřed trubky se vytvoří zdání membrány, která je však pouze optická. Trubku umístíme svisle a skrze ní pouštíme různé předměty (mince, propisky…).

6. Odraz polarizovaného světla od zrcadla Na kameru nasedíme lineární polarizované brýle tak, že objektiv snímá skrze jeden z filtrů. Před kameru dáme zrcadlo. Na projektoru pozorujeme, že kamera vidí vlastní objektiv, ale téměř nevidí skrze druhý polarizační filtr. Obr. 9a: Co je vidět, když na sebe zamrkáme do zrcadla nebo do kamery s polarizačními brýlemi.

Obr. 9b: Co je vidět, když na sebe zamrkáme do zrcadla nebo do kamery s polarizačními brýlemi.


To samé mohou sledovat diváci přímo, pokud jim rozdáme polarizované brýle nebo polarizační filtry. Pak vyměníme brýle za kruhově polarizované a provedení zopakujeme. Tentokrát na sebe kamera nevidí, ale skrze druhý polarizační filtr vidíme. Opět je možná varianta, při které mohou vše sledovat diváci přímo, pokud jim rozdáme kruhově polarizované brýle nebo kruhově polarizované filtry.

7. Odraz polarizovaného světla od skla 8. Kus skleněné tabule nebo větší Petriho misky natočíme tak, aby odrážel nějaký dostatečně jasný předmět (například stropní světlo) a obraz opět sledujeme skrze polarizační filtr, který různě natáčíme. To samé mohou sledovat diváci přímo, pokud jim rozdáme polarizované brýle nebo polarizační filtry. 9. Rozptyl polarizovaného světla v akváriu Do akvária posvítíme laserem tak, aby diváci Obr. 10: Co je vidět, když na sebe zamrkáme do zrcadla nebo do kamery s polarizačními brýlemi. viděli procházející paprsek. Na mléce, které je ve vodě se část procházejícího svazku difraktuje a dochází k částečné polarizaci. Podobně můžeme to samé vidět, posvítíme-li do akvária silným zdrojem bílého světla. Můžeme ověřit, tak že se díváme na světlo skrze lineární polarizační filtr, který různě natáčíme (můžeme opět snímat kamerou). To samé mohou sledovat diváci přímo, pokud jim rozdáme polarizované brýle nebo polarizační filtry.


10. Optická aktivita fruktózy a sacharózy Roztoky sacharidů (glukózy a sacharózy) postavíme na meotar. Pod ně dáme lineární polarizační filtr a meotar zapneme. Na projekční stěně vidíme osvětlenou plochu s půdorysy kádinek. Pak shora vodorovně podržíme další lineární polarizační filtr, který natáčíme ve vodorovné rovině. Vidíme, že světlo procházející skrze cukry má jinou intenzitu než světlo jdoucí mimo ně. Každý cukr se dokonce chová jinak. (Pozor, na projekčním plátně jsou převráceny strany.) Obr. 11: Roztoky sacharózy s polarizačním filtrem.

Obr. 12: Roztoky sacharózy s polarizačním filtrem.

11. LCD z hodin

Obr. 14: Digitální budík bez přední vrstvy polarizačního filtru, na kterém jsou položeny dva polarizační filtry s kolmou rovinou polarizace.


Připravené hodiny se sejmutým svrchním polarizačním filtrem ukážeme divákům. Na hodinách překvapivě není nic vidět a není to tím, že by v nich nebyla baterka. Před hodiny umístíme polarizační filtr (opět musí být rovina polarizace natočena o 45° vůči vodorovnému nebo svislému směru – jako v případě monitoru) a vidíme buď černá čísla a šedé pozadí nebo šedá čísla a černé pozadí. Situaci můžeme změnit natočením nebo převrácením polarizačního filtru, čímž dostáváme právě inverzní obraz. Obr. 13: Digitální budík s vyndaným předním polarizačním filtrem. Obr. 15: Upravený monitor bez předního

12. Lpolarizačního filtru.

CD moni tor

Poku s se prová dí stejně jako v případě LCD hodin. Na monitor pouštíme různé obrázky (vhodná je už zmíněná polární liška, různé vlajky, logo supermana…). V případě dostatečně zaujatého publika se lze zabývat problematikou šedé. Pokud pustíme obyčejnou šedou, s otáčením polarizačního filtru také dochází ke změně její intenzity. Pokud pak pustíme šedou, která je tvoře šachovnicí černých a bílých pixelů, dostáváme šedou, která je invariantní vůči otočení polarizačního filtru.


13. Mega pixel Mega pixel je soustava tvořená z barevného podsvícení. Obr. 16: Speciálně vyrobený model pixelu. To je rozděleno na R (červený), G (zelený) a B (modrý) sektor. Nad tímto zdrojem světla jsou umístěny dva vzájemně zkřížené polarizační filtry. Před každý sektor je pak umístěn ještě jeden otočný polarizační filtr, který je vsunut mezi dva stacionární filtry. Jejich otáčením pak můžeme volit, kterou barvu uvidíme při čelním pohledu na tento model. Experiment je možno doplnit ukázkou aditivního míchání barev. 14. Fotoelasticimetrie Na podložní sklo meotaru umístíme lineární polarizační filtr. Druhý polarizační filtr pomocí magnetů připevníme k výstupní čočce meotaru, tak aby intenzita na projekčním plátně byla minimální (filtry mají kolmé polarizační roviny). Obr. 17: Fotoelasticimetrie plexiskla před monitorem.

Obr. 18: Fotoelasticimetrie plexiskla pomocí meotaru.

Na meotar můžeme položit pravítko, nebo kus plexiskla, který stahujeme pomocí svěrky. Na projekční stěně sledujeme, že daný předmět vidíme a dokonce sledujeme i různé barevné čáry. Ty


jsou dány mj. mechanickým pnutím materiálu. Sledujeme, jak se mění barva a rozložení čar s upínáním/povolováním svěrky. Můžeme použít různé tvary vzorku – pokud jsou k dispozici. Na plochu meotaru položíme eurofólii s nachystaným nápisem/tvary z izolepy. Sama eurofólie může měnit polarizační stav světla a izolepa se chová podobně jako pravítko nebo plexisklo. Pás izolepy můžeme i přímo v procházejícím polarizovaném světla na meotaru napínat. Obr. 19: Fotoelasticimetrie pravítka před monitorem.

Obr. 21: Fotoelasticimetrie izolepy před monitorem.

Obr. 20: Fotoelasticimetrie pravítka před monitorem.

Obr. 22: Záběr na upravený monitor přes kruhově polarizované brýle.


Fyzikální pozadí pokusů a jejich motivace, cíle Cíle vystoupení Vystoupení Polarizace úzce navazuje na jednu z výzkumných oblastí Ústavu fyziky materiálů, konkrétně pevnost materiálů při zatížení. Konkrétní vědecký obor je elasticimetrie, která přímo využívá vlastnosti polarizovaného světla k určení namáhání a napětí materiálů. Ačkoliv jde v dnešní době již jen o okrajovou záležitost ve zkoumání pevnosti materiálů, stále slouží jakoověřovací metoda výpočtů. Téma polarizace bylo vybráno nejen pro svou spjatost k Ústavu fyziky materiálů, ale i pro svou atraktivnost pro laické publikum. Ta tkví ve zdánlivé složitosti a vysoce učenému tématu, jakým polarizaze světla jistě je. Zároveň je ale praktické využití polarizované světla dnes běžnou součástí technologických vybavení domácnosti – displeje, 3D kina, polarizační filtry u fotoaparátů. Každý se tedy již s polarizovaným světlem setkal, s největší pravděpodobností se do něj díváte nyní, když čtete na svém počítači tyto řádky a zároveň o něm dovolím si říc, nic nevíte. Představení tak ukazuje polarizované světlo jako zcela běžnou součást našeho života, vysvětluje jej v co nejjednoduššípodobě a je plné mnoha zajímavostí, které se kolem polarizovaného světla dětí ve světě vědy nebo ve světě živočišné říše.

Myšlenkové bloky ve vystoupení 1. (Elektromagnetické) vlnění 2. Polarizace světla 3. Opticky aktivní látky 4. Odraz (Elektromagnetické) vlnění Každý z nás se někdy setkal s vlněním vody (například když fouká vítr, nebo když hodíme do vody kámen) nebo třeba vlněním plachty nebo prostěradla při foukání větru. Zvuk je také vlnění, jen vypadá trochu jinak (podélné vlnění). Oproti tomu se voda a prostěradlo vlní příčně. Úplně stejný druh vlnění je světlo. Nedochází však ke kmitání vzduchu ani jiného materiálů. Jedná se o vlnění elektromagnetické.  Vlnění vodní hladiny v akváriu.


Polarizace světla Přirozené světlo má náhodnou rovinu vlnění. Dokonce to ani nemusí být roviny. Ze všech směrů můžeme vybrat jeden. Tím dostáváme polarizované světlo. Existují různé způsoby jak tuto polarizaci provést, například polarizační fólií. Lidské oko samo osobě rozdíl mezi polarizovaným a nepolarizovaným světlem nerozezná, ale přesto se polarizované světlo chová významně jinak. Díky polarizaci pak mám takové vymoženosti jako LCD nebo 3D kina.  Polarizace polární lišky,  vlnění vodní hladiny v akváriu.  vzájemné natáčení lineárních polarizačních filtrů,  kruhové polarizační filtry,  odraz polarizovaného světla,  mega pixel. Opticky aktivní látky Některé běžně se vyskytující látky, resp. jejich roztoky mohou ovlivňovat – stáčet – rovinu polarizovaného světla. Typicky jsou to cukry, ale může se jedna i o složité polymery. Toho se pak využívá při stanovení koncentrace cukrů nebo v již zmíněných LCD.  Optická aktivita fruktózy a sacharózy,  LCD z hodin,  LCD monitor – inverze barev,  LCD monitor – vysvětlení. Odraz Přirozený způsob, jakým můžeme získat polarizované světlo. Při každém odrazu nastává částečná polarizace. (Platí, jen pokud se světlo odráží od nekovových materiálů.) Odraz se děje u rozhraní dvou prostředí. Může nastat případ, kdy žádné světlo neláme, ale všechno se odráží – úplný odraz.  Odraz polarizovaného světla.


Zajímavosti Zvířata a polarizované světlo Schopnost vnímat polarizované světlo je u mnoha organismů zásadní, obzvláště v případech, kdy jiný způsob orientace by byl neúčinný. Využívají jej například pouštní mravenci, některé druhy hmyzu (včely), někteří motýli a netopýři. Polarizované světlo živočichové nevyužívají pouze k orientaci. V průběhu evoluce si tato vlastnost našla v životě rozličných organismů i další role. Například hmyz je schopen podle polarizace světla zhodnotit kvalitu listů, aniž by s nimi musel přijít do přímého kontaktu. Podle polarizace světla nad povrchem listu dokáže hmyz vidět míru transpirace, jelikož voda je silný polarizátor světla a dle toho posoudit zdravotní stav listu. Komáří samice dokonce dokáží podle stupně polarizace rozpoznat množství organického uhlíku ve vodě a vybrat tak svým budoucím larvám vhodné místo s dostatkem potravy pro jejich zdárný vývoj. Haidingerův snop Lidské oko není citlivé na polarizované světlo. Přesto, díky Obr. 3: Haidingerův snop. odrazům na čočce může člověk rozeznat polarizované světlo i jeho orientaci. Někteří lidé vnímají při pohledu do slunce nebo na LCD obrazec připomínající dvojici zkřížených přesýpacích hodin, jedněch žlutých a druhých modrých. Tomuto jevu se říká Haidingerův snop a způsobuje ho polarizace světla. Podle orientace snopů pak můžeme určit směr polarizace. Údajně je dokonce možné tuto schopnost trénovat.


Scénář v.1 Realizovaný na Dni otevřených dveří Ústavu fyziky materiálů 12.11.2014 Adamem Weiserem a Vojtěchem Procházkou.

Doba vystoupení: 45 minut.

Bodový scénář experimentů 1. Úvod, 2.

představení se,

3.

polarizace polární lišky,

4.

vlnění vodní hladiny v akváriu.

5.

vzájemné natáčení lineárních polarizačních filtrů,

6.

všechno kromě světla propustná membrána,

7.

kruhové polarizační filtry,

8.

odraz polarizovaného světla,

9.

optická aktivita fruktózy a sacharózy,

10. rozptyl, odraz, 11. LCD z hodin, 12. mega pixel, 13. LCD monitor – inverze barev, 14. LCD monitor – vysvětlení, 15. fotoelasticimetrie, 16. ÚFM, závěr.

Dnes jsme si pro vás nachystali vystoupení o polarizaci. Dlouho jsme přemýšleli, jak lidem jednoduše vysvětlit, co to polarizace je. Nejjednodušší se nám to zdá na něčem, co všichni známe


nebo si alespoň dovedeme představit. Dovedete si představit polární lišku? Polární liška je bílá, zatím co liška obecná je zbarvená dohněda. A rozdíl je právě v polarizaci. Experiment: polarizace polární lišky. Lišku polární tedy z lišky obecné dostaneme právě tak, že ji zpolarizujeme. Bohužel, polarizace lišky je poměrně složitá věc a tak vám pro začátek vysvětlíme polarizaci světla. Světlo je vlnění a vypadá v podstatě stejně jako vlny, které můžeme vytvořit v našem akvárku. Důležité je, že vlnění na vodě se pohybuje zprava doleva, zatímco vlny, jak se zdá, se houpou nahoru a dolů. Zkrátka pohyb kmitání a šíření je na sebe kolmý. A to u každého vlnění, nejen toho na hladině vody. Experiment: vlny na vodní hladině. Světlo ale není vlnění vody, jedná se o vlnění elektromagnetické. Na rozdíl od vody nekmitá jen nahoru dolů, ale může kmitat i doleva-doprava nebo pod libovolným jiným úhlem. Kmitá prostě chaoticky ve všech směrech, jak se mu to zrovna líbí. Světlo je také strašně nerozhodné a směr kmitání neustále mění (i tisíckrát za sekundu) a dokonce může kmitat ve více směrech zároveň. To už jsme ale v kvantové fyzice. Polarizace světla znamená, že ze všech těchto různě natočených vln vybereme jen ty, které kmitají jedním směrem. Dejme tomu nahoru a dolů. To můžeme provést například polarizačním filtrem. Polarizační filtr vypadá jako šedá fólie. Naše oči nerozeznají polarizované a nepolarizované světlo, jako třeba včely. Abychom si to mohli ověřit, že je světlo opravdu polarizované, potřebujeme ještě druhý polarizační filtr. Experiment: vzájemné natáčení lineárních polarizačních filtrů. Světlo vidíme jen v tom případě, když oběma filtry vybereme stejnou nebo alespoň podobnou polarizaci. To je případ, kdy jsou k sobě filtry rovnoběžně. Pokud filtry natočíme kolmo na sebe, druhý filtr nepropustí nic, protože propouští přesně opačně polarizované světlo, než první filtr. A na základě toho jsme si pro vás připravili speciální membránu ... Experiment: všechno kromě světla propustná membrána. Ta je schopná propustit pouze mince. Když se zadaří, projdou pro třeba i klíče. Její vyrobení by teď mělo být jasné, ve skleněné trubici máme dva polarizační filtry, které jsou na sebe kolmo. Naše oči tak vidí tmavou membránu, ktará tam ale ve skutečnosti není. Tahle hračka ale není jediná věc, kde se používá polarizace. Polarizace má i praktické využití. Byly jste někdo ve 3D kině? U vstupu vám zapůjčí tyto brýle s podivnými šedými filtry. To jsou právě polarizační filtry. Abychom viděli 3D obraz, potřebujeme, aby do každého oka přicházel jiná


informace. Ve starých technologií se to řešilo červeným a modrým filtrem, každý si jistě tyto brýle pamatuje. Zážitek ze 3D je ale výrazně zhoršený červeno-modrým vjemem obrazu, který je tak vlastně jen dvoubarevný. Ve 3D kině dnešní generace se to řeší jinak. Není zde jedna promítačka, ale dvě a je potřeba zařídit aby obraz z každé promítačky šel do jiného oka. Proto každá promítačka posílá jinak polarizované světlo, které se na plátně smíchá. Vaše brýle jej pak ale zase dekódují, protože polarizační filtr na na vašich brýlých je pro každé oko jinak natočený. Experiment: polarizace polární lišky s použitím brýlí. Nevýhodou tohoto uspořádání je, že když si náhodou opřete hlavu o něčí rameno, tak se obrazy prohodí, protože brýle natočíte o devadesát stupňů. Z tohoto důvodu je lepší použít kruhové polarizační brýle. Kruhově polarizované světlo vypadá podobně jako závit na šroubku – šroubovice. Můžeme vytvořit pravotočivě a levotočivé světlo. Do každého oka pouštíme jeden typ polarizace a problém s opřením hlavy je vyřešen. Do fyziky kruhové polarizace zde ale zabředávat nebudeme. Ale pokud byste si ji chtěli vyzkoušet u nás v praxi, zkuste sinasadit kruhově polarizované brýle a zamrkat na sebe do zrcadla. Výsledný efekt vás překvapí! Experiment: odraz polarizovaného světla v zrcadle. To byla vsuvka k 3D kinům o kterých můžeme říct, že jsou relativně čerstvým „vynálezem“. Polarizované světlo však nevzniká pouze cíleně člověkem, ale může vznikat naprosto „přírodní cestou“ například při odrazu nebo rozptylu světla. Experiment: rozptyl, odraz. Jak už bylo řečeno, včely polarizaci světla vidí a tak kdyby uměly mluvit, řekli by nám, že světlo kolem nás je mírně polarizované. Této přírodní polarizace využívají včely k orientaci v prostoru, vedle nich také někteří mravenci a mnoho dalších zvířat. Například samičky komára podle polarizace světla odraženého na vodní hladině rozpoznají kvalitu vody a podle toho se rozhodnou, kam je nejvýhodnější naklást vajíčka. Waw. Ezperiment rozptylu světla zde můžeme napodobit. Do akvária s vodou přidáme trochu mléka a vcelku věrně tak napodobíme prostředí, ve kterém se v atmosféře šíří světlo. Pokud do akvária posvítíme, uvidíme stejné namodrání, jaké způsobuje rozptyl světla v naší atmosféře. A že je rozptýlené světlo polarizované můžete vidět, když před akvárium dáme polarizační filtr a začneme s ním natáčet. Je vidět že v různém natočení prochází různé množství světla, tedy v některé rovině je světla více, v jiné méně. Nemáte tu někdo včely? Odraz světla a jeho následnou polarizaci můžeme ukázat podobně. Když se natočíme sklo proti světlu tak, aby dobře světlo odráželo a teď použijeme polarizační filtr, vidíme, že odraz od skla je dobře patrný jen v určitém natočení fitru. Tedy světlo je polarizované právě v této rovině.


Experiment: optická aktivita fruktózy a sacharózy. Stejně tak polarizaci ovlivňují i látky běžně okolo nás. Například cukry. Na ukázku tady máme dva roztoky cukru – sacharózy a glukózy, na které se podíváme v polarizovaném světle. Vinaři tohohle využívají, když chtějí zjistit kolik cukru je v námi oblíbeném roztoku, který jim tam kvasí. Použijí zařízení s několika polarizačními filtry a podle toho, jak moc dochází ke natočení polarizovaného, snadno určují koncentraci cukru. Experiment: LCD z hodin. (Vysvětlení principu LCD, rozložení filtrů…) Tímhle způsobem by se dala vytvořit hodně pomalá černobílá televize. Představte si to, zezadu budete svítit světlem a jednotlivé body, jak obecně známo jest, pixely, by byly vyplněny roztokem cukru. A podle toho jak moc bychom chtěly ten který krystal mít světlý nebo tmavý, tolik sukru bychom do něj dali a tolik světla by obrazovka propouštěla. Jenže aby se obraz změnil, pořád bychom museli přidávat nebo ubírat cukru. Existují však i pro tento účel vhodnější látky, tzv. tekuté krystaly. Tekuté krystaly se využívají jako náplně LCD (z angl. liguid crystals display), což doslova znamená displej z tekutých krystalů, která natáčejí rovinu polarizovaného světla podle toho jak velké na ně přivedeme napětí. A woilá, polarizovaná běžná obrazovka je na světě. Technologie od dob vynálezu LCD pokročily a dnes umíme vyrobit takový displej i barevný. Ale pořád to není nic jiného, jen je tam několik barev. Dnešní displeje mají i několik milionů pixelů, čímž se zvyšeje jeho rozlišení a kvalita obrazu pro naše oči. Tady pro vás model jednoho pixelu máme. Experiment: Mega pixel. Tím jak ovládáme intenzitu jednotlivých barev pixelu, které jsou vždy červené, zelené a modré, dostáváme různou výslednou barvu. (Podle potřeby můžeme zařadit aditivní míchání barev, vznik černé a bílé z pořadu o míchání barev světla.) A aby těch barev nebylo málo, tak si ukážeme ještě jedno využití polarizovaného světla. Představme si, že chceme vyrobit, třeba lopatu. Jak se dozvíme, kde lopatu udělat nejsilnější aby nepraskla? Můžeme využít tzv. fotoelasticimetrii. Vytvoříme si průhledný model lopaty z vhodného materiálu, třeba plexiskla a strčíme ji do polarizovaného světla. Experiment: fotoelasticimetrie. Tam, kde je lopata nejvíce namáhána a kde hrozí nejvíce k jejímu porušení, tam se světlo polarizuje nejvíce a mi tak vidíme přímo rozložení napětí v daném materiálu. Tady na UFM to pečlivě studují a


propočítávají, takže když byste potřebovali vyrobit kvalitní lopatu, zajděte za těmito pány. Tady vidíte dále pnutí v pravítku, izoletě, celofánu a dalších průhledných věcech kolem nás. A to byla poslední věc od nás dneska. Děkujeme Vám za pozornost a doufáme, že jsme vás aspoň trošku donutili přemýšlet.

Pozn.: Aby vjem z vystoupení a síla pochopení byla ještě větší, potřebuje publiku každému rozdat jeho polarizační brýle nebo alespoň polarizační filtry. Obr. 23: Fotografie z vystoupení Polarizace na Dnech otevřených dveří Ústavu fyziky materiálů ze dne 12.11.2015.


Scénář v.2 - Liška polarizovaná Scénář vznikl pro plánovaná vystoupení na školách, měl by více zaujmout mlad publikum.

Úvod Polární liška poprvé Toto představení bude tak trochu o fyzice a světle, ale hlavně se tu budeme bavit o liškách. Známe dva druhy lišek. Lišky obecné a lišky polární. Málo se už ví, že správné jméno tohoto druhu je liška polarizovaná.

Vlna na laně - rovina polarizace Abychom rozuměli slovu polarizace. Světlo je vlna, konkrétně vlna příčná. Po tomto laně teď také běhá příčná vlna. A já mohu měnit rovinu její polarizace – rovinu, ve které kmitá.

Polarizační filtry Vzájemné natáčení lineárních polarizačních filtrů Světlo samo o sobě polarizované nebývá. Kmitá si, jak se mu zrovna chce. Ale i světlu můžeme postavit do cesty filtr, který propustí jen tu část světla, která kmitá správným způsobem. Je to polarizační filtr a projde přes něj jen světlo, které kmitá svisle. Ovšem když ho trochu pootočím, pustí světlo které kmitá takto, a tak dále. Když dám za sebe takové filtry dva, může se stát, že jsou oba natočené stejně, a pak se chovají jako jediný filtr. Pokud jsou na sebe kolmé, pak nepropustí nic. A pokud budou vůči sobě pootočené, propustí jen tu část světla, která se po prvním fitru přizpůsobí druhému filtru.

Tři filtry Mám dva zkřížené filtry. Žádné světlo přes ně nemůže projít. Když přidám třetí filtr před ně nebo za ně, nic se na tom nezmění. Ale když ho zasunu doprostřed, najednou světlo procházet může. Zdá se, že každý další filtr pomůže světlu stočit se správným směrem.


Polarimetrie - barvičky z izolepy Jak složité je sehnat takový filtr? Je to až překvapivě snadné. Dá se koupit v potřebách pro fotografy, ale obstojně poslouží i základní konstrukční prvek – izolepa. Ta má dokonce tu vlastnost, že stočí polarizaci pro každou barvu jinak, takže pak vidíme takovéto barvičky. V tomto místě otočila zelené světlo, aby prošlo přes výstupní filtr, v tomto místě pomohla červenému. Barvičky se samozřejmě budou měnit, pokud budu s izolepou otáčet. Můžu ji i vrstvit a s trochou snahy pak dostanu hezký obrázek.

Deformace plexiskla Vypadá to jako hezká hračka, ale má to zajímavé využití. Pokud budu nějaký takový kus materiálu namáhat, třeba ho ohýbat nebo natahovat, obrázek, který uvidím se bude podle toho měnit. Takže když vyrábím karabinu pro horolezce, mohu si udělat její model z plexiskla, pak si ho takhle promítnout a zatížit ho. A vidím, ve kterém místě bude moje karabina namáhaná moc, kde mám materiál zesílit, kde mohu ubrat a kde ho mám více prohnout.

Trubička s membránou Znalost světla a jeho polarizace také vědcům umožňuje konstruovat složitější zařízení. Jedno takové tu máme na ukázku. V této trubičce vidíte takovou černou přepážku, Je to speciální polopropustná membrána, která nepropouští světlo, ale pouze hmotné objekty (tedy objekty, jejichž částice mají nenulovou klidovou hmotnost). A vám by teď mělo být jasné, jak tohle funguje.

Polarizační brýle Polarizační brýle - rozptyl světla Slovo polarizovaný nebo polarizační nakonec možná někteří znáte. Ne snad přímo z biologie v podobě lišky polarizované, ale možná máte doma polarizační brýle. Často je mívají řidiči nebo plavčíci. Světlo, které se odráží nebo rozptyluje na lesklém povrchu – mokré silnici nebo třeba vodní hladině – je totiž po odrazu také polarizované. Takové brýle pak alespoň část tohoto odraženého světla nepropustí a lépe se vám po dešti pojede, protože silnice před vámi se nebude tolik lesknout.

Polarizační brýle a 3D kino A dost možná máte doma ještě jedny polarizační brýle. Možná jste někdy byli v kině a krom filmového zážitku jste si odnesli takovýto suvenýr. Tohle jsou brýle z 3D kina. V 3D kině potřebujete promítat do levého oka diváka promítat jiný obraz než do pravého. A na to jsou docela


dobré naše filtry. Stačí je dát kolmo na sebe a to, co může projít do pravého oka, nemůže do levého a naopak. Má to jednu chybu. Stačí naklonit hlavu, a obrazy se prohodí. A vám bude nejspíš špatně.

Kruhové polarizační filtry Vezmeme si na pomoc zase tohle lano, které tu bylo na začátku. Světlo může být polarizované ještě jedním trochu zvláštním způsobem. Může se točit jakoby ve šroubovici. A ta může být pravotočivá a nebo levotočivá. A nic se na tom nezmění, i kdybyste se na hlavu postavili. Takže k 3D kině zpravidla najdete tyto takzvaně kruhové polarizační filtry.

Odraz polarizovaného světla V kině můžete jít pro pop-corn a můžete jít taky na záchod (zpravidla, když jdete na nějaký horror). Na záchodě se podíváte do zrcadla, jak vám vaše polarizované brýle sluší, a co uvidíte? Máte-li lineární brýle, nic tak zajímavého, až na to, že se uvisíte v tmavém fitru, protože brýle propouští jen přesně polovinu světla, se nestane. Pokud si ale vezmete kruhově polarizované brýle, budete se divit, zamrkejte na sebe. Při zavřeném pravé oku se vám stane, že levá část „skla“ brýlýá úplně zčerná. Při zavřeném levém oku zčerná pravé „sklo“. Vysvětlení není až tak těžké, ale potřebuje vaše hluboké zamyšlení, zkuste si to promyslet doma u šálku s čajem a zažijte jako dezert k čaji pocit pochopení 

LCD Polarizace polární lišky Vypadá to, že jsme trochu zapomněli na lišky. Říkali jsme, že existuje liška polární a liška obecná. Pravdou ovšem je, že existuje pouze jeden druh lišky. Liška polarizovaná, která může volně přecházet mezi stavem polární a obecná. Zejména pokud hovoříme o lišce zobrazené na LCD monitoru.

LCD z hodin Jak vlastně funguje LCD? Zkusmě to s tím úplně nejjednodušším – s displejem těchto hodin. Samotný displej je tvořen opět dvěma zkříženými filtry, jaké už jsme tu viděli víckrát. Mezi nimi je vrstva krystalů, které můžeme přinutit natáčet se. Ty nám ty fungují jako třetí vsunutý filtr, který umožní světlu projít nebo ne. Tenhle displej je vlastně velmi primitivní. Vstupní a výstupní filtry se nijak nemění, displej sám není ani podsvícený. Na jeho dně je zrcátko, a displej tak vlastně jen


propustí okolní světlo, nebo ho přimějeme, aby světlo nepropouštěl a pak vidíme na displeji tmavou čáru.

LCD monitor Barevný LCD monitor, který máte v notebooku nebo doma na stole funguje vlastně dost podobně. Také obsahuje vstupní a výstupní filtr a vrstvu krystalů, které samy od sebe stočí světlo tak, aby prošlo, ale můžeme je přimět to nedělat a světlo nestáčet. Výstupní filtr ho pak nepropustí. Tento výstupní filtr jsme z našeho displeje strhli a nahradili ho touhle deskou. Když ji sundáme, chybí výstupní filtr, který by vybíral, který pixel má ztmavnout, a tak vidíme bílou rovnoměrně podsvícenou plochu. Když filtr vrátíme na místo, rozhodne, že světlo odsud projde všechno a zde projde pouze trochu a zde jen modrá. Důležité je, že monitor není polarizovaný svisle nebo vodorovně (i když by samozřejmě mohl být), ale diagonálně. Když tedy náš filtr nasadíme obráceně, je to stejné, jako bychom ho otočili o devadesát stupňů. Teď tedy nepropustí to, co projít mělo a nechá projít to, co měl zadržet. Černá místa zbělají a bílá zčernají. A barevná místa také obrátí na negativ.

LCD monitor – barvy Monitory a displeje které používáme obecně vytváří barvy tak, že skládají zelené, červené a modré světlo. V místě každého pixelu jsou tři malinkaté zdroje světla. Abychom viděli modro zelenou liščí tlapičku, musely naše tekuté krystaly stáčet světlo z modré části pixelu, trošku stočit zelenou a nestáčet červenou část. Výstupní filtr pak nechal projít všechnu modrou, trochu zelené a žádnou červenou. Když ho obrátíme, udělá přesný opak. Nepropustí modrou, propustí zbylou část zelené a propustí všechnu červenou. A my pak spoustu červené a trochu zelené vidíme jako ryšavou liščí tlapičku.

Mega pixel


Aby na to bylo lépe vidět, udělali jsme takhle velký pixel. Je to vlastně megapixel (asi je i tisíckrát vetší). Funguje přesně stejně jako pixel v displeji. (s malou výjimkou – má barevné ledky, displej má bíle podsvícení a masku barevných filtrů) Světlo z barevného zdroje – červeného, zeleného a modrého – projde přes jeden filtr a nakonci musí projít přes druhý polarizační filtr postavený kolmo na ten první. A mezi nimi je další vrstva filtrů, které můžeme natáčet tak, aby propouštěli světla více nebo méně, podle toho, kolik ho právě chceme.

Závěr Polarizované světlo je docela fajn. A má ještě jednu výhodu. Pokud si takhle upravíte monitor, nikdo vám na něj nebude moct koukat přes rameno. Tedy pokud nebude mít zrovna ty správné sluneční brýle.

Navíc Optická aktivita fruktózy a sacharózy Roztoky stáčí rovinu polarizace. Měří se tím i cukernatost. Nevím kam to zařadit. Mohlo by to trochu pomoct u tekutých krystalů (ostatně je to podobné) nebo by to šlo zařadit před polarimetrii.

Dokumentace projektu CZ.1.07/2.3.00/45.0040 Science Academy - kritický zp·sob my²lení a praktické aplikace p°írodov¥dných a technických poznatk· v reálném ºivot¥

Fotodokumentce pokus· s kapalným dusíkem


Obr. 1: mí£ek pohán¥ný dusíkem

Obr. 2: mí£ek pohán¥ný dusíkem


Obr. 3: zhá²ení sví£ky v parách

Obr. 4: prskavka v parách dusíku





Obr. 7: exploze lmovky

Obr. 8: zavírání lmonky


Obr. 9: lmovka p°ed výbuchem

Obr. 10: balonek chlazený dusíkem






Obr. 14: slévání vroucí vody a kapalného dusíku





Obr. 17: vznik mlhy

Obr. 18: vodní mlha





Obr. 21: rozbíjení ba¬ky ºárovky

Obr. 22: vlákno svítící v dusíkových parách





Obr. 25: vlákno svítící v kapalném dusíku






Obr. 29: zapojení ºárovky p°es tlumivku s vypína£em

Obr. 30: zapojení ºárovky p°es tlumivku s vypína£em


Obr. 31: prolévání dusíku p°es lcový klobouk

Obr. 32: prolévání dusíku p°es lcový klobouk

No title

Recommend Documents