LABORATORIUM
W SZUFLADZIE

BOGDAN JANUS,
JACEK BŁONIARZ-ŁUCZAK

FIZYKA

Projekt okładki i stron tytułowych Bartosz Dobrowolski

Ilustracja na okładce Shutterstock

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Koordynator ds. redakcji Renata Ziółkowska

Redaktor Małgorzata Kopczyńska

Koordynator produkcji Mariola Grzywacka

Pomysłodawca serii i współpraca z autorami Zasław Adamaszek

Źródła ilustracji Zasław Adamaszek, Marek Goebel, Bartosz Dobrowolski

Źródła grafik na okładce: Shutterstock/Saint A, Zagory, Martina Vaculikova Źródła ilustracji: Bogdan Janus (zdjęcia), Jacek Błoniarz-Łuczak (zdjęcia), Bartosz Dobrowolski (grafiki), Marek Goebel (grafiki), Shutterstock/arttonick, PanicAttack, Tsekhmister, Jiri Vaclavek s. 35, Biblioteka Kongresu USA s.81, Caycee Cook s. 118, Schmidt_Alex s. 180, wavebreakmedia s. 181, iStock/kalus s.197, Craighead Group Cornell University s. 199.

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2016

ISBN 978-83-01-18824-5

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2016 r., (wyd. I)

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl

www.pwn.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN: Karol Ossowski/Mobisfera

Zielony(*) to konstrukcje podstawowe, niewymagające bogatego zaplecza warsztatowego ani pogłębionej wiedzy z zakresu optyki, elektroniki, mechaniki. Śmiało można do nich przystąpić z marszu. To niski koszt, niewielki nakład pracy, ale doskonały efekt pod warunkiem oczywiście zachowania staranności wykonania.

Żółtym kolorem(**) oznaczone są projekty, do realizacji których potrzebne jest niewielkie zaplecze warsztatowe (np. ręczne elektronarzędzia, lutownica) oraz pewne obycie ze zjawiskami optycznymi. Informacje podane w tekście są całkowicie wystarczające do zrozumienia zasady działania budowanego przyrządu, ale pożądane jest pogłębienie wiedzy na własną rękę.

Opisy czerwone(***) to konstrukcje i przyrządy wymagające pogłębionej wiedzy z optyki oraz elektroniki. Wymagane przy tym wyposażenie nie przekracza stanu posiadania przeciętnego amatora optyki, ale zakłada i warsztat, i wiedzę na poziomie średnio zaawansowanym. To konstrukcje wymagające także dużej precyzji wykonania dla osiągnięcia doskonałego rezultatu.

Zapraszamy na stronę: www.laboratorium.pwn.pl

WSTĘP

Fizyka, jak się okazuje, zna odpowiedzi na wszystko niczym zrzędliwy krewny.

Woody Allen

Jeżeli chcesz odkryć coś ważnego, pracuj tylko nad pytaniami, z których można wyprowadzić przewidywania eksperymentalne.

R.P. Feynman

Dla kogo jest ta książka? Jeśli po nią sięgnąłeś, prawdopodobnie dla Ciebie. Skoro zainteresowało Cię to opracowanie, to znaczy, że masz już coś wspólnego z fizyką. Być może jesteś uczniem, nauczycielem, a może entuzjastą prenumerującym czasopisma popularno-naukowe. Może po prostu w dzieciństwie bardziej od kierowania zdalnie sterowanym samochodem interesowało Cię, jak on działa i co ma w środku. Tak – ta książka jest dla Ciebie! Niektóre opisane doświadczenia są bardzo proste i może je wykonać właściwie każdy w zaciszu swojej kuchni lub w przydomowym warsztacie. Inne wymagają sprzętu, który powinien być na wyposażeniu każdej szkoły. A jeszcze inne są zaawansowane, ale sprzęt potrzebny do ich realizacji powinien być dostępny dla kół naukowych lub lepiej wyposażonych szkół. Każdemu projektowi przypisaliśmy stopień trudności w trójstopniowej skali.

O czym jest ta książka? Najprościej mówiąc o eksperymentowaniu. Jej głównym celem jest zainteresowanie szeroko pojętą fizyką doświadczalną. W kilku przypadkach nie stronimy od głębszego wyjaśniania zjawisk, ale należy podkreślić, że nie było ambicją autorów stworzenie podręcznika fizyki.

Krótko mówiąc, masz przed oczami zbiór przepisów na samodzielne przeprowadzenie kilkudziesięciu doświadczeń i projektów fizycznych. Przepisy te charakteryzują się jedną ważną, wcale nie tak oczywistą cechą: wszystkie zostały wykonane przez autorów. W ten sposób potwierdzamy, że są one wykonalne, a uzyskane efekty są zgodne z opisami. Uważamy to za ogromną zaletę, zważywszy, że nierzadko istnieje ogromna przepaść między wyobrażeniem o tym, jak powinno wyjść doświadczenie, a jego późniejszą realizacją. Gwarantujemy, że każde z doświadczeń zostało wielokrotnie przetestowane. Bywało, że droga do osiągnięcia satysfakcjonującego efektu była kręta i okupiona wieloma nieudanymi próbami. Nie opisywaliśmy jednak tego procesu błądzenia. Otrzymujesz gotowe i najlepsze – według autorów – sposoby na wykonanie doświadczeń. Pamiętaj jednak, że nie jesteśmy wyroczniami i nie upieramy się, że nie da się ich zrobić lepiej. Wprost przeciwnie! Pewnie się da. Zresztą co to znaczy „lepiej”? Sami mając ogromną przyjemność w poszukiwaniu optymalnego rozwiązania, gorąco zachęcamy do odnajdywania własnych naukowych ścieżek, dostosowanych do Twoich potrzeb. Można więc powiedzieć, że trzymasz w dłoniach swoistą książkę kucharską i tak należy ją traktować. Paradoksalnie – w książkach tego typu, nie o samo czytanie chodzi, ale o samodzielne wykonanie przepisu. Podobnie jak w przypadku przepisów kulinarnych, tak i tutaj każdy projekt można zrobić trochę inaczej. Smacznego!

Autorzy

W książce użyto oznaczeń określających poziom trudności poszczególnych doświadczeń. Stopniowania dokonano w trzech kategoriach. Każdej kategorii przypisano inny piktogram:

1. Doświadczenia, w których mogą wystąpić trudności pojęciowe:

zn1 zagadnienia łatwe

zn2 zagadnienia średnio trudne

zn3 zagadnienia trudne, wymagające wcześniejszego poznania tematu

2. Doświadczenia, w których mogą pojawić się trudności sprzętowe:

zn4 elementy tanie, ogólnie dostępne, niewymagające specjalnego przygotowania, proste w obsłudze

zn5 elementy tanie, ewentualnie z utrudnioną dostępnością lub wymagające pewnego przygotowania, średnio trudne w obsłudze

zn6 elementy drogie lub trudno dostępne lub wymagające wiedzy eksperckiej przy obsłudze lub przygotowaniu

3. Doświadczenia, w których pojawiają się zagrożenia:

zn7 brak zagrożeń lub zagrożenia minimalne

zn8 zagrożenie zdrowia w przypadku nieumiejętnej obsługi sprzętu lub przy niezachowaniu zasad bezpieczeństwa

zn9 przy wykonywaniu doświadczenia należy zachować szczególną ostrożność, gdyż niezachowanie zasad bezpieczeństwa może mieć poważne konsekwencje dla zdrowia lub życia

INTERFERENCJA

INTERFERENCJA ŚWIATŁA NA POJEDYNCZEJ SZCZELINIE **

Tabliczka z informacją o klasie lasera

Potrzebne

Wskaźnik laserowy (**) małej mocy klasy IIIa lub inny laser półprzewodnikowy ze skupioną wiązką (ze względów bezpieczeństwa nie zalecamy mocy większych niż 5 mW). Plamka laserowa musi być mała i wiązka musi być równoległa (czyli rozmiar plamki nie powinien zależeć od odległości lasera do ekranu).

Cienka szczelina. (**) Ponieważ chcemy sprawdzić, jak szerokość szczeliny wpływa na wynik eksperymentu, mamy dwa wyjścia: (i) przygotować wiele szczelin o różnych szerokościach lub (ii) znaleźć szczelinę o regulowanej szerokości. „Jakąś tam szczelinę” możemy uzyskać na wiele sposobów, np. wycinając ją w kartonie, ale na nic nam się ona zda – po prostu doświadczenie nam nie wyjdzie. Potrzebujemy szczeliny wyrafinowanej, tzn. takiej, która ma idealnie równoległe i niepostrzępione w skali mikrometrów krawędzie. Tak wyspecjalizowane narzędzie można uzyskać na wiele sposobów, np. zbliżając do siebie ostrza żyletek do golenia (można je kupić w sklepach z kosmetykami, drogeriach lub po prostu przy kasach w sklepach z artykułami spożywczymi). Tak uzyskaną szczelinę „utrwalamy” poprzez naklejenie żyletek na biurową taśmę klejącą. Dzięki temu możemy przenosić i umieszczać szczelinę w różnych punktach toru optycznego, nie martwiąc się zanadto, że podczas przenosin ustalona szerokość szczeliny ulegnie niezamierzonej zmianie. Niestety, opisane rozwiązanie nie jest regulowane, co oznacza, że za każdym razem, kiedy chcemy zmienić szerokość szczeliny, musimy demontować, a następnie montować żyletki na nowo lub musimy przygotować wiele szczelin o różnej szerokości. Problem również stanowi równoległe ustawienie żyletek, a ponadto na rynku jest wiele żyletek kiepskiej jakości, których ostrza są poszarpane w skali mikrometrów. Próbując wielu rozwiązań, doszliśmy do wniosku, że bardzo dobrą i wygodną w użytkowaniu szczelinę uzyskujemy poprzez zbliżenie do siebie szczęk suwmiarki! Suwmiarka to urządzenie służące do precyzyjnego określania wymiarów przedmiotów. Ponieważ w suwmiarce liczy się precyzja właśnie, od razu mamy spełnione dwa warunki niezbędne dla powodzenia naszego eksperymentu: (i) równoległość i (ii) gładkość krawędzi. Dodatkowo mamy wygodną regulację szerokości szczeliny i – dodatkowy bonus – mamy odczyt tej szerokości (wszak suwmiarka służy właśnie do określania wymiarów). Jako najprostsze w obsłudze polecamy suwmiarki elektroniczne, które po prostu wyświetlają wynik na swoim wyświetlaczu LCD. Ważne, aby przed wykonaniem pomiaru wyzerować suwmiarkę przy maksymalnie zamkniętych szczękach.

Suwmiarki elektroniczne można kupić już za ok. 60 zł w każdym sklepie z artykułami budowlanymi lub w sklepie z narzędziami.

Przyciskiem ZERO zerujemy wskazanie suwmiarki przy całkowicie zamkniętych szczękach. (**)

Miarka rozwijana o długości min. 2 m. (**)

Klamerki do wieszania prania. (**)

Ekran (**) (biała ściana lub biała kartka przyklejona do ściany).

Przygotowanie do doświadczenia

Bardzo ważnym aspektem większości doświadczeń optycznych jest znalezienie sposobu na stabilne mocowanie elementów układu. W znakomitej większości opisów problem ten jest zupełnie pomijany. Prawdopodobnie istnieje ciche założenie, że każdy jest wyposażony w stół optyczny z całym kompletem elementów mocujących (do soczewek, laserów, szczelin, siatek dyfrakcyjnych, polaryzatorów itd.). Chcielibyśmy Cię bardzo na to wyczulić, bo w praktyce okazuje się, że trudności w mocowaniu elementów optycznych urastają do rangi największych, tzn. powodują, że nie możemy zaobserwować oczekiwanego efektu. Z naszego doświadczenia wynika, że jeśli w eksperymencie N elementów znajduje się w torze optycznym, to N - 1 musi być zamocowanych na sztywno, a w przypadku tylko jednego elementu możecie pozwolić sobie na pracę „z ręki”.

Ustaw następujący tor optyczny:

Jeśli w naszym eksperymencie jako ekranu użyjemy ściany, to pozostają nam dwa elementy w torze optycznym: (i) wskaźnik laserowy i (ii) szczelina (czyli w naszym przypadku suwmiarka). Z powodów praktycznych wskaźnik laserowy powinien być zamocowany na sztywno. W tym celu możesz wykorzystać klamerki, które chwycą odpowiednio laser i pozwolą utrzymać całość stabilnie na blacie stołu.

Klamerki mają też tę przyjemną cechę, że mogą posłużyć jako blokada przycisku zapalającego wiązkę laserową (**). Suwmiarką możemy operować „z ręki”. Doświadczenie wykonujemy w ciemności.

UWAGA! Podczas pracy z laserami należy zachować szczególną ostrożność. Nie wolno kierować wiązki w stronę oczu lub zaglądać do wnętrza lasera. Należy również uważać, aby wiązka odbita nie trafiła w oczy.

Przebieg doświadczenia

Po ustawieniu układu optycznego wykonujemy doświadczenie:

Zamknij maksymalnie szczęki suwmiarki i przyciskiem ZERO wyzeruj jej wskazania.

Ustaw laser w odległości ok. 200 cm od ekranu i skieruj wiązkę laserową w stronę ekranu.

Zacznij od szerokiej szczeliny. Otwórz szeroko szczęki suwmiarki.

Ustaw suwmiarkę w wiązce laserowej blisko lasera, w odległości ok. 5 cm od niego.

Powoli zamykaj szczęki suwmiarki (**), uzyskując coraz węższą szczelinę. Cały czas pilnuj, aby wiązka laserowa przechodziła między szczękami. Najlepiej, gdy wiązka trafia w miejsce, gdzie szczęki suwmiarki mają cienką i ostrą krawędź (ale nie w samo ostrze). Obserwuj na ekranie plamkę laserową.

Kiedy szczelina jest bardzo wąska, na ekranie dzieje się coś zaskakującego. Plamka laserowa ulega rozmyciu i jednocześnie pojawiają się naprzemiennie występujące ciemne i jasne obszary, tzw. prążki.

Zawężanie szczeliny powoduje poszerzenie prążków (por. zdjęcie poniżej).

Zawężanie szczeliny powoduje „rozmycie” obrazu interferencyjnego: d to szerokość szczeliny