Die Brechung des Lichts.
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Fällt ein Lichtstahl auf eine Grenzschicht zwischen zwei unterschiedlichen Medien, so wird er aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt. Man sagt: "der Strahl wird gebrochen". Den Vorgang nennt man Brechung.
Hier kannst du den Brechungsversuch virtuell nachvollziehen. Wenn du die Aufgaben ordentlich durcharbeitest, solltest du die Brechung des Lichts verstanden haben.
Fragen / Aufgaben:
Als Medium wird zunächst Wasser betrachtet.
1.) Übergang Luft -> Wasser, gebrochener Anteil.
1.1.) Übergang Luft -> Wasser, gebrochener Anteil.
Belasse zunächst die Grundeinstellungen. Dabei fällt ein Lichtstrahl (rot) unter einem Einfallswinkel von 45 Grad aus der Luft auf eine ebene Wasserfläche.
Der Einfallswinkel ist der eingezeichnete Winkel (Bogen).
Er wird immer gegenüber dem Einfallslot gemessen. Das
Einfallslot steht senkrecht auf der Grenze zwischen den beiden Medien.
- Welchen Weg würde der Lichtstahl nehmen, wenn es keine Grenzschicht geben würde?
- In welche Richtung wird der Lichtstrahl tatsächlich abgelenkt (gebrochen)?
- Wo musst du also den abgelenkten Lichtstrahl immer suchen?
Mit dem oberen Regler ("Winkel Luft") kannst du den Einfallswinkel des Lichtstrahls verändern.
- Wie verläuft der Lichtstahl bei einem Einfallswinkel von 0 Grad, wenn also der Lichtstrahl senkrecht (aus der Richtung des Einfallslots) auf die Grenzschicht trifft?
- Wie groß ist der Brechungswinkel bei den Einfallswinkeln 20 Grad, 40 Grad, 60 Grad, 80 Grad?
- Liegt eine Proportionalität zwischen den beiden Winkeln vor?
- Wie groß ist der größte Brechungswinkel, der auftreten kann (Man nennt ihn den Grenzwinkel)?
1.2.) Übergang Luft -> Wasser, reflektierter Anteil.
Klicke das Auswahlkästchen bei "Reflektierter Anteil" an. Ein Teil des Lichts wird nicht in das Wasser hinein gebrochen, sondern an der Wasseroberfläche reflektiert.
- Welchen Verlauf nimmt dieser Anteil?
- Warum kann man die Wasseroberfläche mit einer Art Spiegel vergleichen?
1.3.) Übergang in ein anderes Medium.
Wähle als Einfallswinkel z.B. wieder 45 Grad. Wähle in dem Auswahlfeld "Medium" ein anderes Medium als Wasser aus, z.B. Glas oder Diamant.
- Was ist nun anders als vorher?
Der Stoff, bei dem der Lichtstrahl am stärksten aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt wird hat die größte optische Dichte.
- Welcher der drei Stoffe Wasser, Glas, Diamant hat die also größte optische Dichte?
2.) Übergang Wasser -> Luft.
Wir betrachten nun Licht, das von einem Scheinwerfer unter der Wasseroberfläche ausgeht und "von unten" auf die Grenzschicht Luft -> Wasser trifft.
Wähle dazu im Auswahlfeld "Übergang" den Eintrag "Medium -> Luft" aus.
Wähle als Einfallswinkel (Winkel zwischen Strahl und Einfallslot im Wasser) die Winkel, die du in 1.) als Brechungswinkel erhalten hast. (15°, 29°, 40°, 47°).
- Wie groß sind nun die Brechungswinkel in Luft?
- Fällt dir etwas auf?
- Versuche deine Beobachtung zu erklären!
2.1.) Vertiefung:
Wähle im Auswahlfeld "Übergang" die Einstellung
"Beide".
Es werden nun zwei Quellen gezeichnet. Eine Quelle
schickt aus Luft einen Strahl auf die Grenzschicht
Luft - Wasser, die zweite Lichtquelle schickt
aus dem Wasser einen Strahl auf die
Grenzschicht.
Versuche die Winkel so einzustellen, dass beide Strahlengänge
übereinander liegen.
- Was bedeutet die Aussage "der Lichtweg ist umkehrbar"?
N.B.: Die Brechungszahl eines Stoffes (auch Brechungsindex genannt)
hängt geringfügig von der Farbe des Lichts (und damit seiner
Wellenlänge) ab. Diese Erscheinung nennt man Dispersion.
Dies ist hier in der Simulation nicht berücksichtigt worden.
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Die Simulationen entstanden mit Hilfe von Physlets von Wolfgang
Christian und Mario Belloni vom Davidson College, USA
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