Vedecký kuriér 2025
„Svietim, keď ma nevidíš. Zmiznem, keď ma uvidíš. Kto som?“ (NOT OFF)
Svetlo nám umožňuje vidieť svet — a predsa ukrýva množstvo fascinujúcich tajomstiev, ktoré ostávajú bežnému oku skryté. Vďaka edukatívnemu balíčku optiQUTE môžete tieto záhady preskúmať priamo na vašich hodinách fyziky či prírodovedy.
Balíček optiQUTE:
🔬 obsahuje jednoduché, no pôsobivé experimenty,
📦 dorazí priamo do vašej školy,
👩🔬 podporuje zvedavosť a kritické myslenie,
💡 je hravý a praktický.
Objavovanie tajomstiev svetla
Svetlo nás obklopuje každý deň, no jeho správanie je často prekvapivé a plné zaujímavých javov, ktoré si bežne neuvedomujeme. Tento balík jednoduchých experimentov ti umožní na vlastné oči vidieť, ako svetlo cestuje, láme sa, ohýba, skladá a mení svoju polarizáciu.
Stačí trocha zvedavosti a pár jednoduchých pomôcok – a svetlo vám odhalí svoje skryté tajomstvá.
Bezpečnostná inštrukcia: Pri experimentoch nikdy nepozeraj priamo do silného zdroja svetla alebo laserového lúča. Pred začiatkom si zlož z rúk a zápästí všetky odrazivé predmety, ako sú prstene či hodinky.
1. Zrak v lúči svetla
Pomôcky:
- laser s tromi lúčmi,
- sada šošoviek,
- schéma ľudského oka
Postup:
Vedľa schémy oka umiestni laserové zariadenie, ktoré vysiela tri rovnobežné lúče svetla. Laser nasmeruj tak, aby všetky tri lúče prechádzali presne cez predkreslené časti. Na mieste, kde je na obrázku nakreslená šošovka, umiestni skutočnú šošovku-spojku. Táto šošovka má za úlohu fyzicky zalomiť svetelné lúče podobne, ako to robí skutočné oko. Pozoruj, ako sa lúče po prechode spojkou lámu a zbiehajú v jednom bode, na zadnej časti oka, kde je na obrázku zobrazená sietnica.
Vysvetlenie:
Ľudské oko funguje ako optická sústava, ktorá pomocou rohovky a šošovky láme svetelné lúče tak, aby sa stretli na sietnici a vytvorili ostrý obraz. Rovnobežné laserové lúče, predstavujú svetlo prichádzajúce z diaľky. Keď tieto lúče prechádzajú cez spojku (typ šošovky podobný očnej šošovke), lámu sa a zbiehajú do jedného bodu – ohniska. Tento bod zodpovedá miestu, kde sa vytvára ostrý obraz na sietnici. Ak však lúče nedopadajú presne na sietnicu, obraz je rozmazaný. Pri krátkozrakosti sa lúče zbiehajú príliš skoro pred sietnicou, a preto potrebujeme rozptylku na upravenie rozptylu. Pri ďalekozrakosti sa lúče stretávajú až za sietnicou, takže na pomoc potrebujeme spojku, ktorá lúče zbieha viac dopredu.
2. Skladanie a ohýbanie svetla
Pomôcky:
- laserové ukazovátko
- fólia s jednou štrbinou
- klip na papier
- stena / biely papier
- prípadne lepiaca páska na upevnenie lasera
Postup:
Fóliu so štrbinou zafixuj do klipu a polož na stôl. Laserové ukazovátko (jeden lúč) nasmeruj na zárezy horizontálne – čím bližšie k fólii, tým lepšie, ale neboj sa pohrať sa. Na stene, alebo bielom papieri pozoruj, ako sa svetlo po prechode štrbinou rozptýlilo a aký obrazec (striedanie svetlejších a tmavších pruhov) vytvorilo za štrbinou.
Tip: Experiment je lepšie robiť v menej osvetlenej miestnosti, ideálne v tme.
Vysvetlenie:
Svetlo sa na štrbine ohýba a potom postupuje viacerými smermi, pričom sa jednotlivé vlny spočítavajú. Výsledné striedanie svetlejších a tmavších pruhov ukazuje, že ide o vlny, pre ktoré sa v niektorých smeroch sčítavajú – konštruktívna interferencia a v iných odčítavajú – hovoríme tomu deštruktívna interferencia. Aby bol jav pozorovateľný, musí byť štrbina dostatočne úzka. Taká úzka, aby pre svetlo predstavovala prekážku.
3. Magické filtre
Pomôcky:
- 3 polarizačné filtre a možno fixka
Postup:
Polarizačný filter prepustí zhruba polovicu svetla. Vezmi dva polarizačné filtre, polož ich na seba a zarovnaj. Sleduj, koľko svetla polarizátorom prejde, ak jedným z nich budeš otáčať. Pri určitom nastavení cez filtre neprejde žiadne svetlo. Zafixuj toto “kolmé” nastavenie a teraz medzi filtre vlož tretí filter “šikmo”. Zrazu cez polarizačné fólie opäť vidíš, teda svetlo znovu prechádza.
Teraz zafixuj dva filtre v polohe “rovnobežné”, keď prepúšťajú maximum svetla. Vlož šikmo medzi ne filtre tretí filter. Bude svetla viac, alebo menej?
Tip: na každý filter si kľudne nakresli fixkou šípku (do niektorého z rohov), ktorá ti potom ukáže, aké je vzájomné natočenie filtrov (pri kolmom nastavení dvojice filtrov budú ich šípky navzájom kolmé).
Vysvetlenie:
Červené filtre prepustia iba fotóny červenej farby, podobne polarizačné filtre prepustia iba fotóny istej polarizácie. Polarizácia je vlastnosť svetla, ktorú našimi očami priamo nevnímame. Súvisí so spôsobom ako elektromagnetické pole (svetlo) kmitá – podobne ako struna môže aj svetlo kmitať v rôznych smeroch (hore-dolu, doprava-doľava, …). Množstvo svetla, ktoré prejde cez “skrížené polarizátory” závisí od uhla vzájomného natočenia polarizátorov (Malusov zákon). Ak sú kolmé, tak druhým polarizátorom žiadne svetlo neprejde. Ak sú rovnobežné, tak prejde všetko svetlo, ktoré prešlo tým prvým. A ak sú nastavené šikmo (uhol 45 stupňov), tak prejde polovica svetla. Samotným polarizačným filtrom prejde typicky polovica svetla, pretože bežné svetlo zo žiarovky, lasera, alebo slnka, je nepolarizované, preto množstvo svetla nezávisí od natočenia filtra. Svetlo sa stane polarizovaným až po prechode cez polarizátor. S polarizáciou sa stretnete pri slnečných okuliaroch, obrazovkách (skúste), fotografi používajú polarizačné filtre na zvýraznenie farieb, v 3D kinách sa polarizačné okuliare využívajú na vytvorenie 3D efektu.
4. Polarizačný kaleidoskop
Pomôcky:
- lepiaca páska (čím priehľadnejšia, tým lepšie)
- nožnice
- priehľadný (plastový) podklad
- dva polarizačné filtre
Postup:
Na pripravený tenký kus priehľadného plastu nalep kúsky lepiacej pásky. Pásku ukladaj v rôznych smeroch, môžeš ju vrstviť a prekrývať, čím vytvoríš zaujímavý vzor alebo koláž. Keď máš koláž hotovú, vlož ju medzi dva polarizačné filtre a jedným z nich pomaly otáčaj na mieste s dostatkom svetla, napríklad pri okne. Sleduj, ako sa koláž zafarbí a pri otáčaní mení farby.
Vysvetlenie:
Lepiaca páska je typom materiálu, v ktorom sa svetlo rôznej polarizácie šíri rôznou rýchlosťou, čo spôsobuje tzv. dvojlom. Vo výsledku polarizačná páska aktívne mení polarizáciu, t.j. spôsob, akým svetlo kmitá. A pre rôzne vlnové dĺžky (farby) je táto zmena rôzna. Druhý polarizačný filter bude pre rôzne farby nepriepustný (v závislosti od natočenia pásky a počtu vrstiev pásky), čoho výsledkom je rôznofarebná mozaika.
SÚŤAŽ: Utajená mozaika
Vytvor si svoj vlastný polarizačný obraz zo svetla – a ukáž nám, aké farby dokážeš vykúzliť! Podľa návodu vyššie vytvor koláž – experimentuj s rôznym tvarmi, smermi a vrstvami. Výsledok (fotografie alebo video) nám spolu s názvom diela zašli do 30. októbra na e-mailovú adresu: sutaz@qute.sk s predmetom “Utajená mozaika”.
Porota vyberie finálne diela, o ktorých bude hlasovať verejnosť. Autor/i víťaznej práce získajú okrem vecnej odmeny aj možnosť zúčastniť sa letnej školy (alebo návštevy) v laboratóriách partnerov QUTE.sk.
5. Svetelná šifra
Pomôcky:
- baterka/laserové ukazovátko,
- polarizačné filtre 2ks,
- detektor = papier, fixka/ pero,
- mince (nebudú súčasťou balenia)
Postup:
Alica a Bob majú spoločnú úlohu – vytvoriť tajný šifrovací kľúč (náhodnú postupnosť núl a jednotiek). Alica si pripraví baterku, ktorú nasmeruje na Bobov detektor (papier/kartón, na ktorý dopadá lúč). Obaja si pripravia jeden polarizačný filter a mincu.
Obaja hodia mincou a vygenerujú jeden náhodný bit, ktorý nazveme bázový. Ak hodia rub, tak si do prvého riadku zapíšu výsledok ako +, ak hodia líc, tak si zapíšu x. Výsledky si navzájom nepovedia. Alica hodí mincou ešte raz a tentokrát si zapíše 0, ak je výsledok rub a 1, ak je výsledok líc. Tento bit budeme volať logický.
V prvej fáze Alica podľa hodnôt svojich bitov umiestni za baterku polarizátor natočený nasledovne: +0 → 0° (vertikálne), +1 → 90° (horizontálne), x0 → 45° (diagonálne), x1 → -45° (antidiagonálne). Bob umiestni pred papier polarizátor natočený do polohy vertikálnej, ak jeho bázový bit je +, a do polohy diagonálnej, ak je jeho bázový bit x. Dohodli sa, že Alica blikne každú desiatu sekundu ‒ medzitým obaja hodia mincami, nastavia svoje polarizátory a Bob si zapíše výsledok (vytvorí svoj vlastný logický bit), t.j. či svetlo na papier dopadlo (napíše hodnotu 0), alebo nie (napíše hodnotu 1). Celý pokus zopakujú aspoň 20-krát (závisí ako dlhý kľúč chcú nakoniec mať). Alica aj Bob skončia s dvojriadkovým zápisom, v ktorom sa náhodne striedajú hodnoty bitov. V prvom riadku majú bázové bity ( + alebo x) a v druhom riadku tie logické (0 alebo 1) .
V druhej fáze si Bob a Alica verejne porovnajú iba svoje bázové bity, t.j. prvé riadky. Druhé riadky zostanú tajné. Stĺpce, v ktorých sú bázové bity rôzne, odstránia. Logické bity v stĺpcoch, ktoré zostali, sú úplne rovnaké a tvoria unikátny šifrovací kľúč. Tento kľúč vedia použiť na posielanie tajných správ napr. pomocou tzv. Vernamovej šifry (známej aj ako one time pad).
Vysvetlenie:
Týmto experimentom sme si ukázali základný princíp kvantovej kryptografie – distribúciu šifrovacieho kľúča. Bezpečnosť je dosiahnutá vďaka tomu, že samotné nuly a jednotky nie sú medzi Alicou a Bobom nikdy komunikované a ich hodnoty nie sú obsiahnuté v informácii o bázových bitoch. Hodnoty sú zakódované do štyroch zvolených polarizácií svetla, a neexistuje spôsob ako tieto štyri polarizácie rozlíšiť súčasne. Polarizátorom vieme odlíšiť iba navzájom kolmé polarizácie, t.j. vertikálnu a horizontálnu, alebo diagonálnu a antidiagonálnu. Ide teda o matematicky bezpečný prenos informácií (bitov) pomocou vlastností svetla a jeho polarizácie. Takýto typ bezpečnej komunikácie je dnes už komerčne dostupný a prvé linky sa implementujú aj na Slovensku.
Si na strednej, baví matika a fyzika?
Prihlás sa do virtuálnej triedy KVANTA – krúžku určeného pre žiakov stredných škôl, ktorí majú chuť odhaľovať tajomstvá kvantového sveta hravou a zrozumiteľnou formou.
Pre učiteľov fyziky, ktorí chcú inšpirovať
V QUTE.sk radi prinášame do škôl nové nápady a experimenty.
Každoročne organizujeme týždňovú letnú školu kvantových technológií, vedieme krúžok pre stredoškolákov a pripravujeme návody na jednoduché experimenty, ako napríklad balíček optiQUTE.
Ak vás zaujíma fyzika, moderné technológie a nové možnosti výučby, dajte nám o sebe vedieť. Radi vám pošleme inšpirácie a informácie o pripravovaných aktivitách z oblasti fyziky a kvantových technológií.
Organizátori
Odborný garant
Projekt financovaný
Partneri
