Brechung
und Dispersion
Grundlagen:
Optik:
Ist
„die Lehre vom Sichtbaren“. Sie beschäftigt sich mit der
Ausbreitung von Licht und den Wechselwirkungen zwischen Licht und
Materie. Sie gliedert sich in drei Teilgebiete. Geometrische Optik,
Wellenoptik und Oberflächenphänomene.
Reflexion:
Trifft
Licht auf die Grenzflächen zweier Medien, so wird ein Teil oder das
gesamte Licht reflektiert. Abhängig von der Beschaffenheit der
Oberfläche, kann das Licht spiegelnd oder diffus reflektiert werden.
Es
gilt das Reflexionsgesetz: Eintrittswinkel=Reflexionswinkel
Brechung:
Licht
wird an den Grenzflächen zweier Medien nicht nur reflektiert, es
kann auch gebrochen werden. Dabei tritt das Licht mit einen Teil
seiner Energie in das Medium ein. Der Winkel des Lichtes verändert
sich.
Es
gilt das Brechungsgesetz:
bzw.:
Brechzahl:
Ist
eine optische Material-Eigenschaft. Sie beschreibt das Verhältnis
der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes in 2 Medien an.
Dispersion:
Die
Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in einem Medium ist abhängig
von der Frequenz. Daher wird weises Licht an den Flächen eines
Prismas
unterschiedlich stark gebrochen.
Auf der anderen Seite des Prismas zeigt sich ein farbiges Spektrum,
da das Licht in seine einzelnen Wellenlängen aufgespalten wird.
2) Aufgabenstellung
Bestimmung
der Brechzahl von Acrylglas durch Brechung zum Lot.
Bestimmung
der Brechzahl von Acrylglas durch Brechung vom Lot.
Bestimmung
der Brechzahl von Acrylglas aus dem Grenzwinkel der Totalreflexion
Messung
der Strahlversetzung durch eine planparallele Platte in Abhängigkeit
vom
Einfallswinkel.
Bestimmung
der Brechzahl von Acrylglas für rotes und blaues Licht aus dem
symmetrischen Durchgang durch ein Prisma.
3)
Geräte:
1 Präzisions-Metallschiene 1 Transformator 6V/12V, 5A
2 Klemmreiter 1 Paar Kabel
1 Halogenleuchte 12V/20W Weises Papier A4
1 Linse B 1 Lineal (mit Winkelmesser)
1 Blenden- und Diahalter 1 Trapezkörper
1 Einschlitzblende 1 Rechtwinkeliges Prisma
1 Optiktisch 1 Stück Karton
1 Halbkreiskörper
4)
Durchführung:
1;2;3;)
Linse und Blende werden vor dem Optiktisch auf der Metallschiene
befestigt. Auf den Optiktisch wird ein Blatt Papier befestigt und wie
In den jeweiligen Versuch vorgeschrieben (Skriptum: Schülerversuche
Physik von Leybold) Einfallswinkel eingezeichnet und der
Halbkreiskörper ausgerichtet. Nun wird Licht in den verschiedenen
Einfallswinkeln in den Halbkreiskörper geleitet und die Austritts-
und Reflexionswinkel gemessen.
4)
Gleicher Aufbau wie im vorherigen Versuch nur dieses Mal wird ein
planparalleles Trapez aufgelegt. Wieder wird der Austrittswinkel bzw.
die parallele Verschiebung gemessen.
5)
Wieder der gleiche Aufbau allerdings wurde nun das Licht durch ein
Prisma geleitet und im Anschluss durch das planparallele Trapez. Es
wurde versucht die Winkel der einzelnen Spektren zu messen.
5) Ergebnisse
Halbkreiskörper
Brechung zum Lot
Einfallswinkel
|
Austrittswinkel
|
Reflexionswinkel
|
Brechzahl
|
15
|
80
|
-
|
0,263
|
30
|
70
|
-
|
0,532
|
45
|
60
|
-
|
0,816
|
60
|
65
|
30
|
0.956
|
75
|
50
|
15
|
1,260
|
|
|
|
|
Der Austrittsstrahl ist breiter als der Eintrittsstrahl.
Halbreiskörper
Brechung vom Lot
Einfallswinkel
|
Austrittswinkel
|
Reflexionswinkel
|
Brechzahl
|
0
|
0
|
-
|
0
|
10
|
75
|
-
|
0,180
|
20
|
60
|
70
|
0,395
|
30
|
40
|
55
|
0,778
|
40
|
10
|
50
|
3,701
|
Der Austrittsstrahl ist dünner Als der Eintrittsstrahl.
Totalreflexion
Bei 40 ÌŠ: ein Einfallsstrahl
ein Reflexionsstrahl
ein Brechungsstrahl
Totale Reflexion:
Einfallswinkel
|
Reflexionswinkel
|
43
|
53
|
Planparalleles
Trapez:
Tritt Licht in ein planparalleles Trapez ein, so wird es zunächst im
Medium gebrochen, beim Verlassen des Mediums allerdings wieder „rück
gebrochen“ und verlässt das Medium parallel versetzt im
Eintrittswinkel.
Tritt das Licht in einem Winkel von 60 Grad in das planparallele
Trapez ein, so wird es zunächst zum Lot gebrochen und danach vom Lot
reflektiert. Es tritt parallel verschoben aber mit dem gleichen
Winkel wieder aus dem Medium aus.
Eintrittswinkel
|
Parallele Verschiebung
|
60
|
ca. 15mm
|
45
|
ca. 9mm
|
30
|
ca. 6mm
|
15
|
ca. 3mm
|
Von Luft zu Glas: Brechung zum Lot vor Austritt
Von Glas zu Luft: Brechung vom Lot vor Austritt
Je größer der Winkel – desto größer die parallele Verschiebung.
Prisma:
Es wurde weises Licht durch das Prisma geleitet und in seine
Farbspektren aufgespalten. Um die Farbspektren unterscheiden zu
können und ihren Austrittswinkel messen zu können wurde versucht
mittels einen eingeschnittenen Stück Karton die einzelnen farbigen
Lichtstrahlen zu trennen. Um sie sichtbarer zu machen wurden sie im
Anschluss durch ein planparalleles Trapez geleitet.
Es war nicht möglich die Austrittswinkel der einzelnen Spektren zu
messen, auch das Trapez half nicht, es verbreiterte nur die einzelnen
Farbspektren und machte sie so ersichtlicher.
Sichtbare Farben: Rot, Gelb, Grün, Blau
6) Diskussion
Die
Versuche veranschaulichten das Verhalten von Licht wenn es die Phase
ändert und wie es sich in diversen geometrischen Figuren verhält.
Wechselt
es von einer dünnen zu einer dichten Phase geschieht eine Brechung
zum Lot. Der Eintrittswinkel ist größer als der Austrittswinkel.
Wechselt
es von einer dichten zu einer dünnen Phase wird es vom Lot
gebrochen. Der Eintrittswinkel ist kleiner als der Austrittswinkel.
Die
Austrittswinkel der einzelnen Farbspektren konnten beim Prisma
Versuch leider nicht gemessen werden, da die Versuchsanordnung
schlichtweg zu klein und zu ungenau für eine ordentliche Messung
war. Die Versuche mit den Halbkreiskörper und den planparallelen
Trapez machten keine Probleme.
Literatur und
Quellen
Skripten:
Physikalische
Laborübungen für Studierende der Biologie
Schülerversuche Physik, Optik (Leybold)
LV Einführung in die Physik (Günther Paltauf)
Bilder:
Grundlagen Dispersion