Lichtbrechung

Optik

Lichtbrechung

  • Verlaufen Lichtstrahlen immer geradlinig?
  • Wie funktioniert ein Prisma?
  • Warum können wir unter Wasser schlecht sehen?
  • Wie entsteht eine Fata Morgana …
  • … und wie ein Regenbogen?

Mit dem nebenstehend abgebildeten Versuch kann das Brechungsgesetz für den Übergang vom optisch dünneren in das optisch dichtere Medium untersucht werden: Das Licht einer Halogenlampe tritt durch einen schmalen Spalt und fällt streifend auf eine weiße Platte, auf der ein Plexiglaskörper mit halbkreisförmigem Querschnitt festgeklemmt ist. Der Strahl muss stets auf die Kreismitte treffen, der Einfallswinkel wird verändert.

Qualitative Versuchsergebnisse

An der Grenzfläche Luft-Plexiglas wird der einfallende Strahl sowohl reflektiert als auch gebrochen.

Beim Übergang Luft - Plexiglas erfolgt die Brechung zum Einfallslot hin.

Einfallender Strahl, reflektierter Strahl, gebrochener Strahl und Einfallslot liegen in einer Ebene.

Warum der halbkreisförmige Querschnitt beim Plexiglaskörper?

Die nebenstehende Abbildung zeigt den Verlauf verschiedener Strahlen beim Auftreffen auf den Plexiglaskörper.

Der Strahl a trifft zweimal senkrecht auf die Grenzflächen und wird gar nicht gebrochen.

Der Strahl b trifft auf die erste Grenzfläche (Luft-Plexiglas) nicht senkrecht, er wird zum Lot hin gebrochen. Auf die zweite Grenzfläche (Plexiglas-Luft) trifft der Strahl senkrecht und wird nicht gebrochen.

Der Strahl c trifft zweimal nicht senkrecht auf die Grenzfläche und wird dabei zweimal gebrochen. Beim Übergang Plexiglas-Luft wird er vom Lot weg gebrochen.

Will man nun die Brechung Luft-Plexiglas systematisch untersuchen, so ist es günstig, die einfallenden Strahlen stets auf den Kreismittelpunkt des Plexiglaskörpers zu richten, da diese Strahlen stets senkrecht auf die zweite Grenzfläche treffen und dabei nicht gebrochen werden. Man kann dann den Brechungswinkel bequem an der Skala (siehe oberes Bild) ablesen.

Beispiel für eine Messreihe

αL
15°
29°
44°
60°
75°
αPG
10°
19°
28°
36°
 
42°

Erstelle ein \({\alpha _{\rm{L}}}\)-\({\alpha _{{\rm{PG}}}}\)-Diagramm.

Die Theorie zum Brechnungsgesetz übersteigt oft die mathematischen Fähigkeiten, die du im Moment hast. Falls du aber sehr interessiert bist, lohnt sich ein Blick darauf.

Ein Lichtstrahl fällt von links oben auf die Grenzfläche zweier Stoffe. Die Stoffe können in den beiden Listen ausgewählt werden, es ist aber auch möglich, zwei beliebige Brechungsindizes einzugeben ("Enter"-Taste nicht vergessen!). Das Medium mit dem größeren Brechungsindex ist grau gekennzeichnet, das andere weiß. Mit gedrückter Maustaste lässt sich der Verlauf des einfallenden Lichtstrahls variieren. Diese App zeigt den reflektierten und den gebrochenen Lichtstrahl und berechnet die entsprechenden Winkel:

Es sind einfallender Strahl und Einfallswinkel rot, reflektierter Strahl und Reflexionswinkel grün und gebrochener Strahl und Brechungswinkel violett dargestellt.

Bemerkung: Der Brechungsindex eines Stoffes hängt geringfügig von der Wellenlänge des Lichts ab. Diese Erscheinung bezeichnet man als Dispersion.

1. Brechungsindex:
2. Brechungsindex:
Einfallswinkel:°
Reflexionswinkel: °
Brechungswinkel: °
 
   
©  W. Fendt 1997

Wir danken Herrn Walter Fendt für die Erlaubnis, diese HTML5/Javascript-Animation auf LEIFIphysik zu nutzen.

  1. Wähle für das erste Medium Luft und für das zweite Medium Wasser und fülle die folgende Tabelle aus.

    αL 15,3° 30,0° 44,7° 59,7° 75,0° 89,6°
    αW            

  2. Wähle für das erste Medium Luft und für das zweite Medium Flintglas und fülle die folgende Tabelle aus.

    αL 15,0° 30,0° 45,2° 59,9° 75,1° 89,6°
    αG            

  3. Wähle für das erste Medium Luft und für das zweite Medium Diamant und fülle die folgende Tabelle aus.

    αL 15,0° 30,2° 45,2° 60,0° 75,0° 89,6°
    αD            

  4. Bei den Versuchen hat sich jeweils der Brechungsindex n2 des zweiten Mediums geändert. Mache eine "Je-Desto-Aussage" über den Brechungswinkel in Abhängigkeit von n2 (bei festem Einfallswinkel).

Mit dem nebenstehend abgebildeten Versuch kann die Brechung von Licht beim Übergang von Wasser nach Luft untersucht werden. Das Licht einer im Wasser befindlichen Halogenlampe tritt durch mehrere schmale Spalte aus und trifft auf die Grenzfläche Wasser-Luft.


Foto: Leybold

Drucke die Zeichnung aus und prüfe,

  • ob beim Strahlengang 1 die ermittelten Winkel mit der Grafik auf dem Grundwissensblatt übereinstimmt
  • ob beim Strahlengang 2 gerade der Grenzwinkel der Totalreflexion erreicht ist.

Eine hübsche Anwendung des Übergangs des Lichts vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium ist das sogenannte "Versilbern eines Reagenzglases":

  • In ein Reagenzglas wird ein Bleistift gesteckt. Solange sich das Reagenzglas außerhalb des Wassers befindet, ist der Bleistift gut durch die Wand des Reagenzglases zu sehen.
  • Taucht man nun das Reagenzglas samt Bleistift in das Becherglas, welches auf einer hellen gut beleuchteten Unterlage steht, und blickt auf das Reagenzglas in der skizzierten Richtung, so ist der Bleistift im eingetauchten Teil des Glases nicht mehr zu sehen, das Reagenzglas scheint an der Oberfläche versilbert zur sein.

Erkläre mit Hilfe einer Skizze, wie es zur "Versilberung" des Reagenzglases kommt.

Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video stellt Karlheinz Meier eine mechanische Analogie zur Lichtbrechung dar und demonstriert den Entwurf eines Spektrums.

zum Video

Auf dieser Seite sind einige Versuche aufgeführt, die in einer Schülerübung im Unterricht mit einem Prisma gemacht werden können.

Umkehrprisma 1
Umkehrprisma 2
Doppelprisma
Prismaspiegel
Farbränder
Leuchtstoffröhre durchs Prisma
Weißes Lichtbündel beim Primendurchgang

Untersuche, ob im Glasprisma rotes oder blaues Licht stärker abgelenkt wird.

Untersuche qualitativ, wie die Ablenkung des Lichts vom Prismenwinkel abhängt.

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