איך לבנות מיקרוסקופ משיפוד?

מיקרוסקופ מאפשר לראות דברים קטנים שהעין האנושית לא מסוגלת לראות. בניסוי הנוכחי נבנה גרסה ביתית פשוטה למיקרוסקופ המקרין את התצוגה שלו.
הניסוי מחייב השגחה של מבוגר.

ציוד

• שיפוד עץ
• צנצנת עם מים מלוכלכים (אפשר לאסוף מבריכת נוי, לחלופין אפשר להכין על ידי זריקה של בוץ ועלים יבשים לתוך מים, והמתנה של מספר ימים)
• מצביע לייזר פשוט – שימו לב שאין להסתכל ישירות על קרן הלייזר או לכוונה לעיניים של אנשים אחרים או בעלי חיים!

הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

הסבר

לטיפת מים יש צורה של כדור (פחות או יותר) ולכן היא יכולה לשמש בתור עדשה אופטית – כלומר היא מצליחה לשנות את כיוון התנועה של קרני האור שפוגעים בה ולרכז או לפזר אותן. כללית היא מצליחה לגרום לריכוז קרני האור שפוגעות בה בנקודה הקרובה מאוד לקצה הטיפה. האיור הבא מראה את מהלך קרני האור, כלומר לאן הן פונות לאחר שפוגעות בעדשה כדורית (מי שלמד קצת אופטיקה בבית הספר, ישים לב שעדשה בצורה של כדור שוברת את האור בצורה קצת שונה מעדשות דקות רגילות)

מהלך שבירת קרני האור בעדשה כדורית (כמו טיפת מים) | שרטוט: אבי סאייג

אפשר להבחין בתרשים כי קרני אור מקבילות שפוגעות בעדשה כדורית נוטות ל'הישבר' (כלומר לשנות כיוון) בזוית גדולה יחסית. מה שגורם להן להתרכז / להיפגש באיזור קרוב מאוד לקצה הטיפה (בצידה השני), וגם להתפזר לכל עבר לאחר הפגיעה בטיפה, בזוויות פיזור גדולות מאוד.

במקום מנורה רגילה השתמשנו בניסוי במצביע לייזר – שהוא הגורם השני (בנוסף לטיפה) המאפשר את יצירת המיקרוסוקופ שלנו. עוצמת האור הכוללת של מצביע הלייזר איננה גדולה במיוחד, למעשה היא חלשה יותר מעוצמה של מנורת שולחן רגילה. אבל הייחוד בקרן הלייזר, שרלוונטי לניסוי זה, הוא שקרן הלייזר היא מאוד מרוכזת – ולא מתפשטת לכל עבר כמו קרניים ממקור אור רגיל.

לכן אנו יכולים לכוון את קרן הלייזר ישירות על הטיפה, ועל הטיפה בלבד, כך שרק היא תהיה מוארת ולא כל חפץ אחר – ובייחוד חשוב שהמסך שנמצא מאחוריה לא מואר ישירות בקרן הלייזר. כך אנו יכולים לראות על המסך רק את קרני האור שפוגעות בטיפה ונשברות ממנה.

אם טיפת המים מכילה משהו שחוסם מהלך קרני אור, כמו יצור מיקרוסקופי או אפילו לכלוך קטן, הוא למעשה יחסום את מעברן של חלק מקרני האור המתפזרות, ויטיל צל ענק על המסך שמול הטיפה, וכך אנו נוכל לראותו, כפי שמודגם בתרשים:

הטלת צל מוגדל על ידי גוף שנמצא בתוך טיפת מים שמוארת בקרן לייזר | שרטוט: אבי סאייג

וזהו בעצם עקרון הפעולה של ה'מיקרוסקופ' שבנינו בניסוי זה.

מעניין לציין

בתנאים של חוסר משקל, כמו בתחנת החלל הבינלאומית, טיפות מים כמובן לא נופלות לשום מקום, ואפשר ליצר כדורים ענקיים מושלמים ממים – המשמשים כעדשה כדורית, כפי שאפשר לראות בסרטון הבא שפרסמה סוכנות החלל האמריקאית נאס"א.

שימו לב שהדמות של האסטרונאוט דון פטיט מופיעה הפוכה מצידה השני של הטיפה. זה המצב גם בכדור בדולח, כפי שמי שהביט בו פעם שם לב. הסיבה היא מהלך שבירת הקרניים, כפי שמופיע בתרשים למעלה – קרני האור נפגשות ממש בקרבת הכדור, בכיוונים הפוכים (קרן אור המגיעה מלמעלה נשברת מטה וההפך) – כך שמכמעט כל מקום שנסתכל נראה דמות הפוכה בעדשת כדור.

תודה לאלי שלו ממרכז שוורץ רייסמן על הסיוע בהסבר לניסוי