Ez az írás egy pályájának végén járó fizikatanár
szubjektív visszaemlékezése néhány „fényes” élményére. 1975-ben
végeztem az Eötvös Loránd Tudományegyetem fizikus szakán, ezt
követően tíz évet töltöttem az ELTE Általános Fizika Tanszékén, ahol
a kutatómunka mellett főként fizikatanár szakos hallgatókat
oktattam. Néhány év alatt rájöttem, hogy a tanítást jobban szeretem
a kutatásnál, így fizikatanári képesítést szereztem, és 1985-től
gimnáziumi fizikatanárként dolgoztam egészen 2011-es
nyugdíjazásomig.
Szivárvány
1984-ben (ekkor még az egyetemi tanszéken dolgoztam) Farkas Csaba
diákköri dolgozatot készített az én témavezetésemmel a
szivárványról. Csaba akkor harmadéves matematika-fizika szakos
hallgató volt, nagy lelkesedéssel dolgozott, és kiváló munkát
végzett. Szivárványt mindenki látott, hiszen meglehetősen gyakori
jelenség, de a kettős szivárvány látványában csak ritkán
gyönyörködhetünk.
Közismert, hogy a szivárványt esőcseppek hozzák
létre. A felhőben lebegő, gömb alakú esőcseppeket megvilágító fehér
napfény összetett, tartalmazza a látható spektrum színeit, vagyis a
különböző hullámhosszakat (frekvenciákat), amelyekre nézve a víz
törésmutatója kissé változó. Legkevésbé a vörös, legjobban az
ibolyaszínű fény törik meg, és ezért a vízcseppből (a prizmához
hasonlóan) színes fénynyaláb távozik. A jobb oldali ábrán olyan
sugármenetet látunk, amikor a fény egy belső visszaverődés után lép
ki a vízcseppből, ez eredményezi az elsőrendű szivárványt, amit
főszivárványnak hívunk. A bal oldali felső ábrán a fény fordítva, az
óramutató járásával ellentétes irányban halad a vízcseppben, két
belső visszaverődés után lép ki, és hozza létre a másodrendű
mellékszivárványt. A különböző körüljárási irányok magyarázzák, hogy
a fő- és a mellékszivárványban a színek sorrendje fordított, és azt
is megérthetjük, hogy a mellékszivárvány szélesebb, mint a
főszivárvány. További elmélkedést igényel, hogy megfejtsük, miért
csak speciális szögben belépő sugarak hoznak létre szivárványt
(ahogy az 1. ábrán
történik), miközben a napfény teljesen megvilágítja a vízcseppet,
illetve, hogy miért éppen 42° alatt látjuk a főszivárványt és
nagyjából 52° alatt a mellékszivárványt. Ezt 1637-ben René Descartes
tudta elsőként megmagyarázni, aki rájött: csak ezekre a speciális
beesési szögekre érvényes az, hogy ha két, egymáshoz nagyon közeli
fénysugár lép be a vízcseppbe, akkor ezek kilépéskor is párhuzamosak
maradnak. Ezek a beesési szögek a szivárvány színeire kissé
különbözőek, vagyis más-más színre kissé eltérnek egymástól. Ha a
közel párhuzamos belépő sugarak kilépéskor is párhuzamosak maradnak,
akkor az a szín felerősödik, egyébként a széttartó sugarak
összekeverednek, és fehér fényt eredményeznek. Ennél tovább
középiskolában nem lehet jutni a szivárvány elméleti leírásában,
vagyis nem haladhatjuk meg a geometriai optika kereteit.
Szélsőérték-számítással (matematika tagozatosokkal) meghatározhatjuk
a szivárvány szögeit, azonban további érdekes jelenségeket nem
tudunk értelmezni.
Aki figyelmesen megnézte a főszivárvány színeit,
észrevehette, hogy nem egyszerűen a színkép megszokott sorrendjét
látja felülről lefelé (vörös, narancs, sárga, zöld, kék, ibolya),
hanem a kék alatt egyre halványabban ismétlődő lila íveket is
láthatunk. Ennek az a magyarázata, hogy a szivárvány
interferenciajelenség, minden színre erősödések és gyengítések
sorozata jön létre, azonban az elsőrendű maximumok többé-kevésbé
elnyomják a többit. A Huygens–Fresnel-elv szerint a hullámfront
minden egyes pontjából elemi hullámok indulnak ki, amelyek
interferenciája eredményezi az új hullámfrontot. Síkhullám esetén
(homogén közegben) az új hullámfront is sík, ezért terjed a fény
egyenes vonalban. A vízcseppbe (a Descartes-féle szögben) belépő
síkhullám viszont nem síkhullámként lép ki, hanem hullámos
felületként, amelynek elemi hullámai eredményezik a szivárvány
színeinek interferenciáját. Matematikailag ezt egy integrállal lehet
leírni, amit a szivárvány Airy-féle integráljának nevezünk.
Ha a szivárvány interferenciajelenség, akkor az
erősítések és gyengítések okozta jellegzetes vonalsorozatot egyetlen
színnel is létre lehet hozni. Ezt valósította meg egyetlen
vízcseppen Farkas Csaba vörös színű hélium-neon lézerrel (ami
akkoriban terjedt el a világ oktatási intézményeiben). A vízcsepp
egy függőleges üvegpálca végén függött, amit vízszintes
lézersugárral világított meg. Nemcsak a fő- és a mellékszivárványt
észlelte az elsötétített laborban, hanem egészen a 13-ad rendű
szivárvány megfigyeléséig is eljutott. Számítógépes programot is írt
az akkor korszerűnek számító ABC-80-as gépre, amit színes tévéhez
lehetett kapcsolni. Erről dolgozatában úgy készültek képek, hogy a
színes tévé képernyőjét filmes fényképezőgéppel lefényképezte.
(Mielőtt megmosolyogjuk az elavult technikát, gondoljunk arra, hogy
a fény évében jelen folyóirat csak fekete-fehér képeket közöl.)
Fényfoltok szappanhártyán
1988-ban Baranyai Klára ötödéves matematika-fizika szakos hallgató
(ELTE) szakdolgozati témavezetője voltam. Dolgozatának címe: Színek
megjelenése különböző fizikai kísérletekben. A kiváló és igen
részletes szakdolgozat talán legélvezetesebb része egy híres
kísérletező, Jearl Walker (1987) cikkében szereplő demonstráció
adaptálása volt. Mindannyian láttunk már színes csíkokat, foltokat
szappanhártyán, szappanbuborékokon. Ebben az esetben egy viszonylag
nagyméretű, hagyományos, kocka alakú teásdoboz kör alakú nyílására
kell kifeszíteni a szappanhártyát. A doboz belsejét fekete,
fényelnyelő anyaggal kell borítani, hogy amikor a hártyát
megvilágítjuk, akkor csak a róla visszaverődő fényt észleljük, ne
zavarjon a doboz belsejéből visszaverődő fény. A hártya képét ernyőn
jeleníthetjük meg. A 2. ábra
mutatja a kísérleti összeállítást.
Idézek a szakdolgozatból: „A kezdetben szürke kép
felülről lefelé haladva kiszínesedik. Vízszintes színes csíkok
jelennek meg, amelyek lassan lefelé vándorolnak. A felső csíkok
egyre szélesebbek lesznek. Hosszú idő után a hártya teteje elveszti
színét, az ernyőn feketének látszik. Ezután a hártya elpattan.”
A jelenség magyarázata, hogy a szappanhártya első
és hátsó felületéről is történik visszaverődés, és ez a két
fénynyaláb interferenciára képes. Furcsa színek jönnek létre
(ugyanúgy, mint például az olajfoltokon), nem a prizma színképének
szép tiszta színeit látjuk. Ennek az a magyarázata, hogy bizonyos
színek esetében erősítés, más esetekben gyengítés, esetleg teljes
kioltás is történhet, és ezek keveréke jut a szemünkbe. A függőleges
szappanhártya két felülete közötti folyadék lassan lefelé mozog,
ezért vastagsága felülről lefelé egyre nő. A színeket a
rétegvastagság határozza meg. Erősítéskor az optikai útkülönbségnek
a fél hullámhossz páros számú többszörösének, gyengítéskor páratlan
számú többszörösének kell lennie. Ezért ismétlődnek a színek, ezért
alakulnak ki a csíkok. Amikor a hártya felül már annyira
elvékonyodik, hogy a látható fény hullámhosszánál sokkal kisebb
lesz, akkor már sem erősítés, sem gyengítés nem történik, ilyenkor
egyáltalán nem verődik vissza fény a hártyáról, hanem a megvilágító
fény teljesen áthalad rajta, ezért a hártya felső részét egyre
szélesebben feketének látjuk, csak alatta maradnak meg a csíkok.
Hanghullámokkal kör alakú rezonanciaábrákat kelthetünk, mert így
állóhullámokat alakíthatunk ki a hártyában. A tanulók különösen azt
élvezték, amikor az akkoriban népszerű heavy metal zene ütemére
mozgott, kavargott a színes „szappanhártya-forgatag”.
Autók középső visszapillantó tükre
A legtöbb gépkocsivezető tudja, hogy ha az autók középső
visszapillantó tükrén egy kis kallantyút elfordítunk, akkor ugyanaz
a tükörkép jelenik meg, de halványan, ami éjszakai vezetéskor
hasznos lehet, hogy a mögöttünk haladó jármű fénye ne vakítson el
minket. Gyárilag ezek a középső tükrök síktükrök, vagyis se nem
nagyítanak, se nem kicsinyítenek (persze vannak, akik ezt a tükröt
domború, tehát kicsinyítő panorámatükörre cserélik). Egyszer
valahogyan eszembe jutott, hogy megértsem, hogyan működnek ezek a
középső tükrök. Sehol sem találtam leírást róluk (lehet, hogy
rosszul kerestem, mert mára már axiómává vált, hogy az interneten
minden fent van), ezért megkérdeztem a kollégáimat, ismerőseimet,
hogy mit tudnak erről. Mivel nem kaptam választ (illetve olyan
bonyolultak voltak a javasolt megoldások, hogy azokat elvetettem),
így magam próbáltam megfejteni a rejtvényt, ami végül is sikerült.
Az autók középső visszapillantó tükrének a
„trükkje” az, hogy bár a tükör homlokfelülete is sík, hátlapja is
sík, de ez a két sík nem párhuzamos, hanem 5–6°-os szöget zár be
egymással. A hátlap foncsorozott, vagyis ezüst-, illetve
alumíniumtartalmú bevonattal van ellátva, ami nagyon jó
fényvisszaverő. Ezzel szemben a homlokfelület egyszerű üveg, ami
részben visszaveri, részben átengedi a fényt. Ha tehát úgy forgatjuk
a tükröt, hogy a hátoldali tükröző felület a szemünkbe juttatja a
visszavert fénysugarakat, akkor fényerős képet látunk, ha pedig
éjszaka elforgatjuk a tükröt, és a homlokfelületét használjuk
fényvisszaverő közeghatárnak, akkor gyenge fényintenzitású képet
láthatunk.
A tükör működését jól szemlélteti, ha
lézer-mutatópálcával megvilágítjuk, és egy ernyőre vagy a falra
kivetítjük a visszavert sugarakat. A visszavert fényfoltok egy
egyenes mentén helyezkednek el, egymástól meglehetősen nagy
távolságra, és általában négy–öt, esetleg még több foltot is
megfigyelhetünk. Ezek közül az első gyengébb, mint a második: az
elsőt használjuk éjszakai vezetéskor, a másodikat nappal, azonban
fokozatosan gyengülve még további visszavert sugarakat is láthatunk.
Ez azért van, mert a fénysugár egy része ide-oda „pattog” a két
üveglap között, miközben gyengül, ahogy egyre több sugár lép ki a
homloklapon.
Manapság a fizikatanításnak sok nehézséggel kell
megküzdenie, ezek közül az egyik az, hogy az órákon jól bevált
gyakorlati alkalmazásként tanított eszközök elavulnak. Például ma
már nem használnak fotocellát; alig használják a bimetált; hiába
vannak sorba kötve a karácsonyfaizzók, nem alszik el a füzér, ha
kiég egy izzó, hanem fogja magát, és azonnal rövidzárrá alakul; a
mágneses memóriákat elektrosztatikus elven működő memóriák váltották
fel a mobilok, kamerák
|
|
memóriakártyáiban, és még hosszan sorolhatnánk.
Hasonló dolog történt az autók középső visszapillantó tükrével is. A
legújabb autókban már nincs kis kallantyú a tükrön, mert a tükör
automatikusan észleli a külső és belső fényviszonyokat, „tudja”,
hogy éjszaka van, és „érzi”, hogy túlságosan erős a mögöttünk jövő
jármű fénye, ezért elsötétíti a tükör képét. Fototranzisztorral vagy
fotodiódával érzékeli a jármű a fényintenzitást, és az ún.
elektrokromatikus hatást kihasználva sötétíti el az üveget meglepően
gyorsan és minimális energiafelhasználással. Vannak manapság már
okos üvegek (smart glass) is, nemcsak okos telefonok és okos tévék.
Lassan a környezetünkben lévő tárgyak mind „okosabbak” lesznek, mint
mi, legalábbis sokszor ilyen érzések támadhatnak bennünk.
Háromdimenziós szemüvegek régen és most
A fényképezés, a mozi megjelenésével egyidejűleg felmerült az
emberekben az igény, hogy a képet térben lássuk, amit ma már a
fiatalok mind így mondanak, hogy 3D-ben. A háromdimenziós
fényképezés valamikor a XIX. század végén kezdődött, amikor két
különböző szögből fényképezték le ugyanazt a tárgyat, és a két
papírképet egy olyan eszközbe (a sztereoszkópba) tették, hogy egyik
szemünkkel csak az egyiket, másikkal csak a másikat lássuk. A múlt
század első felében minden gimnázium szertárában volt ilyen eszköz,
tartozott hozzá gazdag képsorozat, amelyek egy-két középiskola jól
őrzött szertárában még ma is megtalálhatók.
Évtizedekkel ezelőtt sokan jósolták, hogy a
holografikus film lesz a térbeli mozi megoldása. A jóslat nem vált
be, ám egyre népszerűbbek a multiplex mozikban a 3D-filmek,
amelyeket a közönség speciális szemüveggel lát három dimenzióban. Ha
megkérdezünk egy fizikatanárt, hogyan működik az ilyen mozi, mire
való a szemüveg, nagy valószínűséggel a következő választ kapjuk: A
szemüvegben a két lencse helyén polárszűrőket találunk, amelyek csak
egymásra merőleges polarizáltságú fényt engednek át. A moziban két
vetítőgép két képet vetít a vászonra, de úgy, hogy ezek a képek
polarizált fényűek, továbbá a két kép egymásra merőleges
polarizáltságú. Az egyik szemünkbe csak az egyik kép juthat el a
szemüvegen át, míg a másik szemünkbe csak a másik, és az agyunk a
két képből térhatású látványt hoz létre. Nagyjából ez lenne a
tanárok válasza, ami régebben helyes is volt, mára azonban némiképp
megváltozott a helyzet.
A mai 3D-mozikban nem lineáris polárszűrőket
használnak, hanem ún. cirkulárisan polárosakat. A lineáris
polárszűrő a polarizálatlan fényből olyat állít elő, amelyben az
elektromos vagy a mágneses mező rezgése egyetlen síkban történik.
Ilyen polárszűrőket hosszú, párhuzamos molekulákat tartalmazó
műanyag lemezekkel tudnak a legegyszerűbben előállítani, és régebben
valóban ilyen lemezek voltak a 3D-szemüvegekben. A cirkuláris
polárszűrőkön áthaladva a fény megcsavarodik, mintha egy csavarvonal
haladna előre. Az elcsavarodás lehet jobbcsavar vagy balcsavar, amit
úgy képzelhetünk el, hogy a fény a kiegyenesített hüvelykujjunk
irányába halad, miközben a többi ujjunk mutatja az elcsavarodás
irányát. A mai mozikban azért változtattak a régihez képest, mert a
régi rendszer csak akkor működött tökéletesen, ha teljesen egyenesen
tartottuk a fejünket. A mai 3D-mozikban akármerre dönthetjük a
fejünket, ugyanolyan jól érvényesül a térhatás.
Érdekes kísérletet végezhetünk, ha mindkét fajta
(régi és új) szemüvegünk is van. Először vegyük fel a régi
szemüveget, és álljunk tükör elé, mondjuk a fürdőszobában, ha ott
elég erős a fény. Csukjuk be az egyik szemünket, és nézzük meg a
tükörben a tükörképünket. A nyitott szemünket látjuk, a csukott
szemünket viszont nem, olyan, mintha átlátszatlan fekete fólia lenne
a szemüvegben a csukott szemünk oldalán. Ezt könnyen megérthetjük,
hiszen a nyitott szemünkről a tükörbe érkező kép éppen olyan
polarizáltságú, mint amit a nyitott szemünk előtti polárszűrő
átenged, a tükör nem változtatja meg a lineárisan poláros fényt. A
csukott szemünkről érkező, merőleges polarizáltságú fényt a nyitott
szemünk előtti szűrő nem engedi át, ezért nem látjuk a csukott
szemünket (3. ábra, balra).
Ha viszont ugyanezt a kísérletet az újfajta 3D-szemüveggel végezzük,
akkor az a furcsa látvány fogad, hogy éppen fordítva, a csukott
szemünket látjuk a nyitott szemünkkel, viszont a nyitott szemünket
nem látjuk, mert előtte feketévé válik a fólia. Ennek az a
magyarázata, hogy az elcsavarodást a tükör nem változtatja meg, de a
haladási irányt igen, amint ez a 3. ábra jobb oldalán
látható. Vagyis a tükör a jobbcsavarból balcsavart, a balcsavarból
jobbcsavart állít elő. Tehát ha mondjuk a csukott szemünk előtt lévő
polárszűrő balcsavart hoz létre, akkor ebből a tükör jobbcsavart
képez, amit viszont a nyitott szemünk előtti polárszűrő átenged,
ezért látjuk a csukott szemünket. Viszont a nyitott szemünkből
jobbcsavaros fény érkezik a tükörre, ami balcsavarosként verődik
vissza, de ezt nem engedi át a nyitott szemünk előtti polárszűrő,
tehát nem láthatjuk a nyitott szemünket!
Szemüvegek és kontaktlencsék
Hagyományosan a fénytan tanításakor az egyik legfontosabb
alkalmazásként a szemüveget szoktuk emlegetni. Furcsa módon a
kontaktlencsékről szinte soha nem teszünk említést. Pedig a világban
igencsak elterjedőben vannak, leginkább az Egyesült Államokban és
Japánban. Ahogy a szemüvegek esetében is, ugyanígy a kontaktlencsék
terén is hatalmas a fejlődés. Vannak már bifokális, illetve
multifokális kontaktlencsék is, ez utóbbiakat szokás nálunk
progresszív lencsének is hívni. Ezeknek meghatározott helyzetben
kell állniuk, hogy például az alsó részük erősebb dioptriájú, a
felső pedig gyengébb dioptriájú legyen. Az állandó pozíciót például
úgy lehet elérni, hogy a kontaktlencse alsó peremét kissé nehezebbre
gyártják, és egyszerűen a gravitáció mindig beforgatja a
kontaktlencsét a megfelelő helyzetbe, hiszen ezek a lencsék szinte
úsznak a szaruhártya állandóan folyadékkal borított felületén.
Sokan vannak, akiknek van szemüvegük is,
kontaktlencséjük is, és szerencsés esetben mindkettővel élesen
látnak. Érdekes megfigyelést tehetünk arról, hogy ugyanakkorának
látjuk-e a tárgyakat kontaktlencsével, illetve szemüveggel, mint
puszta szemmel. Nem könnyű a megfigyelés, mert csak akkor hordunk
szemüveget vagy kontaktlencsét, ha nélkülük nem látunk tisztán.
Mégis azt a talán meglepő megállapítást tehetjük, hogy a
kontaktlencsék gyakorlatilag nem változtatják meg a tárgyak
látszólagos méretét, velük mindent ugyanakkorának, csak élesebbnek
látunk. Ezzel szemben, ha pozitív dioptriás szemüvegünk van, akkor
nagyobbnak látjuk a világot, ha viszont negatív dioptriásra van
szükségünk, akkor szemüveggel minden kisebbnek látszik. Ennek az a
magyarázata, hogy ha a korrigáló lencse nagyon közel van a
szemünkhöz (ez a kontaktlencse esete), és ha mondjuk négyszeres
nagyítású képet állít elő a szemünktől 25 cm-re lévő könyvről, akkor
a lencse által előállított látszólagos kép éppen négyszer messzebb,
tehát a szemünktől 1 méterre keletkezik. A kép négyszer nagyobb, de
négyszer messzebb is van, tehát ugyanakkorának látjuk, mint
kontaktlencse nélkül. Persze mindez nagyon kellemes a számunkra,
mert az 1 méterre lévő dolgokat már tisztán látjuk a puszta
szemünkkel, viszont az 1 méterre lévő könyv betűi már olyan
kicsiknek tűnnek, hogy nem tudjuk elolvasni, hiába nyújtjuk messzire
a kezünkben lévő könyvet. A szemüvegek lencséje néhány milliméterre
van a szemünktől, ezért a fenti érvelés csak közelítőleg érvényesül,
ilyenkor a látásunk szögnagyítása kissé megváltozik.
Elgörbülő fény
változó koncentrációjú oldatokban
Végezetül egy érdekes jelenségről írok, amelyet lehet elméleti
feladatként is tárgyalni, de talán még érdekesebb a kísérleti
megfigyelése. Azt szoktuk mondani, hogy a fény egyenes vonalban
terjed, de ez a kijelentés csak homogén közegekre érvényes. Ha
például különböző koncentrációjú sóoldatokat rétegezünk egymásra, de
még jobb, ha ugyanezt vizes cukoroldatokkal tesszük, akkor jól
megfigyelhető, hogy a fény elgörbül az oldatban. Történt egyszer,
hogy egy népszerű országos verseny számára kértek tőlem feladatot,
és én éppen ezzel a jelenséggel kapcsolatban fogalmaztam meg a
kérdést, amely lényegében így hangzott: „Egy közegben függőleges
irányban változik az optikai törésmutató. Erre merőlegesen vékony
fénysugarat indítunk, amely a közegben körív mentén halad. Hogyan
függ a törésmutató a magasságtól?” (Gnädig et al., 2014) A feladat
nagy felháborodást váltott ki nemcsak a diákok, hanem a tanárok
részéről is, amit a verseny szervezője végül úgy szerelt le, hogy
kísérletileg megvalósította az összeállítást, és láthatóvá tette a
jelenséget.
Mi okozta a felháborodást? Mit gondoltak a
versenyzők? Úgy érveltek, hogy a törésmutató csak függőlegesen
változik, vízszintesen nem, tehát a vízszintesen érkező vékony
fénysugár csak egyféle törésmutatóval „találkozik”; azzal, amit a
közegbe lépésekor talál, tehát egyáltalán nem térhet el az egyenes
iránytól. Erre a megállapításra a diákokat (és számos kollégát is)
az vezette, hogy a geometriai optika végtelen vékony fénysugarát
akarták alkalmazni erre az esetre is. Azt kellett volna észrevenni,
hogy nincs végtelenül vékony fénysugár, hanem csak véges vastagságú
létezhet. Ha tehát a törésmutató függőlegesen változik, mondjuk,
felfelé csökken, akkor a nyaláb teteje olyan közeget észlel,
amelyben gyorsabb a fény, az alja viszont lassabban halad, vagyis a
fénysugár lefelé elgörbül!
A fizikában nagyon sokszor egyszerű modelleket
használunk, és időnként előfordul, hogy olyannyira megszokjuk ezek
használatát, például a geometriai optika esetében, hogy már el is
felejtjük, hogy minden modellünknek megvannak a maguk korlátai, és
még akkor is az egyszerűsített modellt erőltetjük, amikor annak már
nincs meg a létjogosultsága. Szép is, nehéz is a fizikatanár élete.
Kulcsszavak: fizikatanítás, szivárvány, interferencia,
visszapillantó tükör, 3D-mozi, kontaktlencse
IRODALOM
Gnädig Péter – Honyek Gy. – Vigh M.
(2014): 333 furfangos feladat fizikából. Typotex, Budapest
Walker, Jearl (1987): Music and Ammonia
Vapor Excite the Color Pattern of a Soap Film. The Amateur
Scientist. Aug. •
WEBCÍM
|
|