Pokus 1: Astronomická a terestrická refrakce a jevy, které způsobují
demonstrační pokus
Potřeby:
Skleněné akvárium (asi 30x 50x 35cm); kbelík (8 l); 0,5 kg soli; gumová hadička (dlouhá asi 1 m); tyčka na míchání; laser (např. laserové ukazovátko); intenzivní zdroj bílého světla (např. diapromítačka); clonka se štěrbinou o proměnné šířce; stínítko; izolepa; na papíru: nápis OPTIKA (asi 3x 15 cm), nakreslená lodička (asi 3x 5 cm), kresba nebo fotografie pohoří (asi 3x 15 cm), červený kruh ("sluneční kotouč") o průměru asi 5 cm, černá čtvrtka (A5) s otvory nebo nalepenými bílými body ("hvězdná obloha"), čtvrtka zastřižená do tvaru připomínajícího zakulacený povrch Země.
|
Příprava pokusu:
V osmilitrovém kbelíku rozpustíme ve vodě asi 0,5 kg soli. Do akvária nalijeme vodu asi do výše 15 cm. Abychom napodobili prostředí atmosféry, kde hustota vzduchu klesá s výškou, opatrně přepustíme hadičkou koncentrovaný vodný roztok NaCl z kbelíku (viz foto. 2.2.1.1) na dno akvária (pod sloupec vody). Po uklidnění difunduje solný roztok do horních vrstev čisté vody a naopak, takže hustota směrem vzhůru spojitě klesá.
Pokus 1a) Astronomická a terestrická refrakce - Zakřivení trajektorie světelných paprsků v atmosféře
 |
Při zatemnění necháme pronikat úzký svazek paprsků laseru (představující světlo hvězdy) téměř rovnoběžně s hladinou (mírně šikmo dolů) do roztoku. Svazek paprsků prochází prostředím, kde se mění hustota. Postupuje-li směrem do hustších vrstev - láme se stále více ke kolmici a zakřivuje svoji trajektorii viz foto. 2.2.1.2. Protože lidské oko vnímá předměty ve směru dopadu paprsků, pozoruje hvězdy o něco výše, než ve skutečnosti jsou. Budeme-li laserem pohybovat směrem nad akvárium (tak aby paprsky stále procházely roztokem), bude se zakřivení paprsků zmenšovat. V případě, že paprsek bude dopadat kolmo na hladinu, k zakřivení trajektorie nedojde. Z toho je zřejmé, jak refrakce závisí na výšce těles nad obzorem.
Pokus 1b) Jevy podmíněné astronomickou refrakcí - Prodloužení trvání dne
 |
Tento jev můžeme demonstrovat, připevníme-li izolepou na přední stěnu akvária čtvrtku (viz obr. 2.2.1.1), která představuje část povrchu Země. Paprsky Slunce (laseru) dopadají na místo "pozorovatele" P, když už je Slunce (laser) pod rovinou geometrického obzoru.
Poznámka: Ve skutečnosti je zakřivení paprsků v atmosféře výraznější, protože jednotlivé vrstvy atmosféry s přibližně stejnou hustotou jsou vzhledem ke tvaru Země kulové a ne rovinné vrstvy.
Pokus 1c) Jevy podmíněné astronomickou refrakcí - Změna tvaru slunečního (měsíčního) kotouče u obzoru
a)  |
b)  |
Červeným kruhem (představujícím sluneční kotouč) o poloměru asi 5 cm budeme posouvat po zadní stěně akvária směrem dolů. Je možné pozorovat, jak se tento kotouč (foto. 2.2.1.3a)) při posunutí za hustší vrstvy roztoku v akváriu (jako v případě atmosféry u obzoru) bude postupně zplošťovat (viz foto. 2.2.1.3b)). Je zřetelně vidět, že spodní část kotouče je zploštělá více (refrakce s klesající výškou nad obzorem roste).
Poznámka: Pro větší efekt můžeme vystřihnutý červený kotouč připevnit na promítací objektiv diapromítačky (při zatemnění místnosti).
Pokus 1d) Jevy podmíněné astronomickou refrakcí - Zelený paprsek
 |
 |
Necháme-li procházet roztokem při zatemnění úzký svazek bílého světla (viz foto. 2.2.1.4) jako při demonstraci astronomické a terestrické refrakce v pokusu 1a), můžeme zachytit na stínítku barevné spektrum. Bílé světlo se při průchodu nehomogenním prostředím rozkládá na své spektrální složky viz foto. 2.2.1.5. Nejvýše je světlo červené, nejníže fialové. Proč je poslední záblesk zelený, je vysvětleno v příkladech 16 - 18 v kapitole 2.1.2.1c).
Pokus 1e) (U[17]) Jevy vyvolané terestrickou refrakcí - Demonstrace chodu paprsků atmosférou v případě svrchního (spodního) zrcadlení
Necháme-li procházet při zatemnění laserový paprsek roztokem mírně šikmo vzhůru (viz foto.2.2.1.6), světelný paprsek přichází do vrstev se stále menší hustotou a láme se více a více od kolmice. Je-li pokles hustoty velký, dojde na určité vrstvě k totálnímu odrazu paprsku a ten se potom bude stále více lámat ke kolmici do hustších vrstev. Pozorovatel v místě P pozoruje zdroj paprsků ve směru dopadajících paprsků a vidí jej i v případě, že je mezi ním a zdrojem nějaká překážka.
 |
V případě spodního zrcadlení je situace zcela analogická pouze s tím rozdílem, že hustota s výškou roste. Paprsek bude probíhat tak, jako na foto. 2.2.1.6, když ji otočíme o 180o (vzhůru nohama).
Pokus 1f) Jevy vyvolané terestrickou refrakcí- Svrchní (spodní) zrcadlení
a)  |
b)  |
Umístíme-li za akvárium na stěnu místo laseru v pokusu 1e) nápis OPTIKA, můžeme spatřit tento nápis třikrát, viz foto. 2.2.1.7. Nejníže vzpřímený nápis, který vidíme pomocí paprsků, jež nezakřivují příliš trajektorii (šíří se vrstvami o relativně stálém indexu lomu). Jednou nápis vidíme vzhůru nohama, protože vznikl zrcadlením, při kterém paprsky zakřivují svoji trajektorii jako v pokusu 1e). Nejvýše vidíme vzpřímený nápis, který vzniká pomocí paprsků, jež zakřivily svoji trajektorii jako v pokusu 1a) (nedošlo k totálnímu odrazu, a proto je obraz vzpřímený). Chod paprsků (v případě lodičky) je znázorněn v příkladu 24 v kapitole 2.1.2.2a). Na foto. 2.2.1.7 a) a b) je vidět, jak zrcadlení závisí na rozložení hustoty (budeme-li se dívat na nápis za akváriem z různých úhlů).
a)  |
b)  |
Umístíme-li za akvárium kresbu lodičky (foto. 2.2.1.8 a)) a budeme-li ji posouvat, vidíme, že se různě deformuje (foto. 2.2.1.8 b)). Skutečná lodička může být i za obzorem (zakryjeme-li spodní část obrazu), a my přesto vidíme její obraz (nebo jeho části). Tyto obrazy se mohou různě skládat a díky různému rozložení hustoty vzduchu i zvětšovat a mohou vypadat značně fantasticky. Nemusíme někdy ani rozeznat, jaký předmět se zrcadlí.
Mezi námořníky kolují po staletí různé mýty a legendy. Např. loď tzv. "Bludného Hplanďana" hledjícího ztracenou lásku. Tato loď, která námořníkům měla přinášet neštěstí, byla bez posádky a nikdy neměla reagovat na signály námořníků. Snadno se mohlo jednat o deformovaný obraz vzdálené lodi skryté za obzorem.
Díky zvětšení zrcadlení se může stát z nevinného mořského živočicha částečně vynořeného z vody (třeba lachtana) obrovská příšera moří. I v dnešní době může svrchní zrcadlení klamat. Jistě by se pomocí něj dalo vysvětlit mnoho případů UFO.
Spodní zrcadlení vzniká analogicky, roste-li prudce hustota s výškou. Chod paprsků v případě spodního zrcadlení je znázorněn např. na obr. 1.5.6.
Pokus 1g) Jevy vyvolané terestrickou (astronomickou) refrakcí - Mihotání vzdálených zdrojů světla (např. hvězd)
Umístíme-li za akvárium černou čtvrtku se světlými body (hvězdnou oblohu), můžeme si ukázat tzv. mihotání hvězd, ke kterému dochází nejvíce u obzoru. Rozvlníme-li mírně roztok soli na dně akvária a budeme-li sledovat skrz akvárium "hvězdnou oblohu", zjistíme, že se "hvězdy" pohybují, vlní, přeskakují - tzv. mihotají. Je to způsobené změnami indexu lomu v důsledku promíchávání vzduchu (zvláště výrazné je např. nad komíny apod.).
Pokus 1h) Jevy vyvolané terestrickou refrakcí - Zvednutí obzoru
Uklidní-li se roztok po rozvlnění v pokusu 1g), ale nebude-li již díky tomuto promíchání takový pokles hustoty s výškou, že by docházelo k zrcadlení, můžeme si ukázat zvednutí obzoru.
Díky zakřivení trajektorie paprsků (jako v pokusu 1a)) vidíme i poněkud za geometrický obzor a např. pozorované pohoří (umístíme-li fotografii pohoří za roztok v akváriu foto. 2.2.1.9a)) se nám zdá vyšší, než ve skutečnosti je (viz foto. 2.2.1.9b)).
a)  | b)  |
demonstrační pokus
Potřeby:
3 zdroje světla 6,5V; stojan na přichycení zdrojů světla; 3 barevné kruhové filtry (červený, modrý, zelený); stínítko; čtvrtka zastřižená do tvaru připomínajícího zakulacený tvar Země.
Příprava pokusu:
 |  |
| Foto. 2.2.1.10 Příprava pokusu 2. | Foto. 2.2.1.11 Model vzniku zeleného paprsku. |
Do stojanu umístíme 3 zdroje světla s clonkami (barevné filtry nasadíme na objektivy zdrojů) tak, abychom jejich barvy mohli na stínítku libovolně skládat (foto. 2.2.1.10). Složíme-li světlo červené, modré a zelené, vzniká světlo bílé.
Pokus
Napodobit vjem pozorovatele zeleného paprsku můžeme následujícím způsobem (provádíme při zatemnění místnosti). Na rozdíl od reálného případu, kdy se bílé sluneční světlo rozkládá díky refrakci, budeme my pro názornost modelu skládat světla barevná.
Jednotlivé zdroje světla osvětlí stínítko jako kotouče příslušné barvy: Necháme-li dopadat na stínítko nejvýše "kotouč" zelený (stopa světla zelené barvy), níže modrý a nejníže červený (ve skutečnosti při rozkladu světla vlivem refrakce je modrý kotouč výše než zelený), ale tak aby se z větší části překrývaly, vznikne nám "sluneční kotouč" bílého světla se spodním okrajem červeným a horním zeleným (v atmosféře je modrá barva většinou rozptýlená). Tyto okraje lidské oko nevnímá (viz kapitola 1.5.3.1c)). Když však zapadne bílý sluneční kotouč s červeným spodním odrazem za obzor (mezi stínítko a zdroje světla postavíme čtvrtku, představující obraz Země, která nám tyto kotouče odcloní), na stínítko bude dopadat pouze horní zelená úseč - zelený paprsek viz foto. 2.2.1.11 (do oka pozorovatele dopadá zelené světlo nejstrměji).
Zpět