Experiment: Lichtbrechung 62.1 E3 Du brauchst: Experimentierleuchte, Schlitz, optische Scheibe mit Modellkörpern, Glaswanne, Wasser. Miss mit Hilfe der optischen Scheibe für mehrere Einfallswinkel die Brechungswinkel beim Übergang des Lichts von Luft zu Glas (62.1). Notiere in einer Tabelle die Sinuswerte dieser Winkel und bilde deren Quotienten. Wiederhole diese Messung für Luft zu Wasser. Was kannst du feststellen, wenn du den Übergang von Glas zu Luft bei unterschiedlichen Winkeln betrachtest? Betrachte dazu die erhobenen Daten. Das Verhältnis sin α/sin β hat für jedes Material einen festen Wert. Beim Übergang des Lichts von Vakuum in Wasser ist das Verhältnis 1,33, beim Übergang des Lichts von Vakuum in Glas 1,50 (dies entspricht auch den im Experiment gemessenen Werten, da der Unterschied zwischen Luft und Vakuum sehr gering ist). Man nennt dieses Verhältnis Brechzahl n. Die Brechzahl hängt vom Material und von der Frequenz des Lichts ab, sie muss experimentell bestimmt werden. Sie beschreibt den Übergang von Licht aus Vakuum (und in sehr guter Näherung aus Luft) in ein lichtdurchlässiges Medium und ist immer größer als eins. Das Licht wird beim Übergang vom Vakuum ins Medium zum Lot gebrochen, beim Übergang vom Medium ins Vakuum wird das Lichtbündel vom Lot weg gebrochen (62.1). Untersuche, überlege, forsche: Brechzahl 62.1 E4 Bilde mit den Werten aus Tab. 61.1 den Quotienten aus der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und in Wasser bzw. in Glas. Vergleiche die Ergebnisse mit 62.2. Wir erkennen, dass die Brechzahl gleich dem Quotienten der Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Lichts im Vakuum c und im untersuchten Medium cm ist: n = c _ c m Für den Übergang von einem Medium 1 in ein Medium 2 gilt daher: sin α _ sin β = n 2_ n 1 = n 2,1 = c 1_ c 2 Man bezeichnet n2,1 als Brechungsquotient. Der Brechungsquotient entspricht dem Quotienten der Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Lichts in den zwei Medien. Brechungsgesetz Das Verhältnis der Sinuswerte von Einfalls- und Brechungswinkel ist gleich dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den jeweiligen Medien. sin α_ sin β = c 1_ c 2 = n Erfolgt der Übergang vom Vakuum in das Medium, dann heißt n Brechzahl des Mediums. Was bedeutet der Brechungsindex für die Wellenlänge des Lichts im Medium? Auch für das Licht gilt: Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c einer Welle ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Welle ausbreitet. Bezeichnet man die Zeit, in der sich die Welle um eine Wellenlänge λ weiterbewegt mit T, dann ergibt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit c als Quotient von Weg durch Zeit, also c = λ _ T . Die Frequenz f einer Welle beschreibt, wie oft eine Welle in einer Sekunde einen vollständigen Zyklus durchläuft. Es gilt daher f = 1_ T . Daraus folgt: c = λ·f und f = c _ λ c und λ sind einander proportional. Beim Übergang von Licht von einem Medium in ein anderes bezeichnet man das Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in diesen Medien als Brechungsquotient c 1 _ c 2 = n. Da c und λ proportional sind, gilt für die Wellenlängen in den beiden Medien λ 1 _ λ 2 = n. In festen oder flüssigen Medien ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts kleiner als im Vakuum, die Wellenlänge aber entsprechend größer. 62.1 Messung des Brechungswinkels mittels optischer Scheibe. Um den Übergang von Luft in Glas zu untersuchen, lassen wir das Licht in Experiment 62.1. von links oben nach rechts unten einfallen. Das Licht wird zum Lot gebrochen. Lässt man das Licht von rechts unten einfallen, ist der Lichtweg derselbe. Einfalls- und Brechungswinkel sind nun vertauscht: Der Winkel zwischen einfallendem Strahl und Lot ist kleiner als der Winkel zwischen austretendem Strahl und Lot. Man sagt auch: Das Licht wird vom Lot weg gebrochen. 62.2 Brechzahlen für verschiedene Medien bei 20 °C. Sie gelten für gelbes Licht. Die Brechzahl für Luft hängt von der Dichte, der Temperatur und der Zusammensetzung der Luft ab und beträgt bei Normalbedingungen n ≈ 1,0003. Flüssigkeiten n Wasser 1,33 Alkohol 1,36 Benzol 1,50 Schwefelkohlenstoff 1,63 Feste Körper n Eis 1,31 Glas 1,50 Steinsalz 1,54 Diamant 2,42 Um das Verhalten von Licht systematisch zu beobachten, arbeitet man in der Physik mit Lichtstrahlen. Dabei handelt es sich um schmale Lichtbündel, die beim Durchgang durch einen Spalt entstehen. Ideal für diese Experimente sind Laserstrahlen. Das Licht des Lasers wird aufgrund seiner besonderen Eigenschaften vielfach genutzt. Du kennst den Laserpointer, die Lichtspiele in der Disco, den Laserdrucker und vielleicht auch entsprechende Entfernungsmessgeräte und du weißt vielleicht, dass man Laser auch zum Schneiden von Materialien und bei Operationen nutzen kann. Laserlicht ist streng monochromatisch (eine einzige Frequenz), scharf gebündelt (wodurch eine hohe Energiedichte erzeugt werden kann) und kohärent (eine einheitliche Phase aller einzelnen Photonen), mehr dazu erfährst du auf S. 124. 62 1 Reflexion und Brechung Elektromagnetische Wellen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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