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Brechung und Dispersion



  1. 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

  1. Bestimmung der Brechzahl von Acrylglas durch Brechung zum Lot.


  1. Bestimmung der Brechzahl von Acrylglas durch Brechung vom Lot.

  1. Bestimmung der Brechzahl von Acrylglas aus dem Grenzwinkel der Totalreflexion


  1. Messung der Strahlversetzung durch eine planparallele Platte in Abhängigkeit vom

Einfallswinkel.


  1. 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


  1. 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.


  1. 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.


  1. Totalreflexion


Bei 40 ÌŠ: ein Einfallsstrahl

ein Reflexionsstrahl

ein Brechungsstrahl


Totale Reflexion:

Einfallswinkel

Reflexionswinkel

43

53


  1. 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.


  1. 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.


  1. Literatur und Quellen


Skripten:

Physikalische Laborübungen für Studierende der Biologie

Schülerversuche Physik, Optik (Leybold)

LV Einführung in die Physik (Günther Paltauf)


Bilder:

Grundlagen Dispersion















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