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Laborbericht
Physik

Bildungszentrum Uster - BZU

2010

Philip G. ©
2.00

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ID# 1436







Physik Projektarbeit

Prinzip und Anwendung der Reflexion und Brechung

Eine Definition des Lichts erscheint schwierig, weil es wie auch die Farbe, im Wesen nicht fassbar ist. Das Licht steht im Gegensatz zur Finsternis meist in Verbindung mit einer Erleuchtung oder einer neuen Erkenntnis. Oft wird Licht auch als Symbol für Immaterielles verwendet, wie Gott oder ein Geist.

Entstehung von Licht:

Führt man Metallatomen Wärme zu, werden die Atome in einen angeregten Zustand versetzt. Wobei sie Licht aussenden. Licht kann durch folgende Vorgänge gewonnen werden:

1. Durch Verbrennung aus chemischer Energie (z.B. Flamme)
2. Durch Umwandlung aus elektrischer Energie (z.B. Glühlampe)
3. Durch Umwandlung von Atomkernen (z.B. Sonne)

Schon 1690 ordnete man dem Licht eine Wellennatur zu. Später dann, festigten die Theorien des Physikers James Clerk Maxwell die Annahme, dass sich das Licht als elektromagnetische Welle fortbewegt. Zum Licht zählt man das gesamte für den Menschen sichtbare Spektrum sowie das infrarote und das ultraviolette Licht.

Wie jede andere Welle lässt sich Licht durch die Wellenlänge und die Frequenz kennzeichnen. Das optische Spektrum selbst, ist aus verschiedenen elektromagnetischen Wellen zusammengesetzt, die in unseren Augen unterschiedliche Farbwahrnehmungen erzeugen.


Zusammenhang zwischen Wellenlänge, Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit

Die Frequenz von Licht ist nur davon abhängig, wie es entsteht. Sie ändert sich beim Übergang von einem Stoff in einen anderen nicht. Im Unterschied dazu ändert sich beim Übergang von einem Stoff in einen anderen die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes, die Lichtgeschwindigkeit. Mit ihr ändert sich auch die Wellenlänge.

Für den Zusammenhang zwischen der Lichtgeschwindigkeit, der Wellenlänge und der Frequenz gilt:



Im Vakuum beträgt die Lichtgeschwindigkeit c = 299‛792.458. Diese Geschwindigkeit ist eine wichtige Naturkonstante. In allen Stoffen, auch in Luft ist die Lichtgeschwindigkeit kleiner als im Vakuum. Stoffe in denen das Licht eine kleinere Ausbreitungsgeschwindigkeit als in anderen hat, nennt man optisch dichter.

Stoffe, in denen sich Licht mit einer grösseren Geschwindigkeit als in anderen ausbreitet nennt man optisch dünner.

Lichtdurchlässigkeit:

Wenn Licht auf einen Körper trifft, wird es zum teil hindurch gelassen, zum Teil absorbiert und gestreut und zum Teil reflektiert. Wie gross die jeweiligen Anteile sind, hängt u.a. von der Oberflächenbeschaffenheit, von der Schichtdicke und von dem Stoff ab, aus dem der Körper besteht.

Reflexion des Lichtes:

Alle Körper, die bei Tageslicht zu sehen sind und die nicht selbst leuchten, kann man nur aufgrund der Reflexion des Sonnenlichtes oder des Lichtes anderer Lichtquellen an ihrer Oberfläche wahrnehmen.
Wenn Licht an einer Oberfläche reflektiert wird, so ist der Einfallswinkel α gleich dem Reflexionswinkel α‛:

α = α‛

Das Reflexionsgesetz gilt für beliebige Oberflächen. Je nach der Oberflächenbeschaffenheit treten aber Besonderheiten auf.

Trifft Licht auf sehr glatte Oberflächen, dann wird es in eine bestimmte Richtung zurückgeworfen. Eine solche Reflexion findet man z. B. bei den Oberflächen von ebenen Spiegeln oder an sehr glatten Wasseroberflächen. Man nennt eine solche Reflexion auch reguläre Reflexion.


Reflexion an gekrümmten Spiegeln:

Je nach der Form des Spiegels und der Richtung des auffallenden Lichtes unterscheidet man verschiedene Arten von Spiegeln. Fällt Licht auf die Innenfläche eines Teils einer Kugel, spricht man auch von einem Hohlspiegel. Fällt das Licht "von aussen" auf eine solche Fläche, so wird die Anordnung als Wölbspiegel bezeichnet.


Brechung des Lichtes:

Licht breitet sich in Luft, Wasser, Glas und anderen lichtdurchlässigen Stoffen geradlinig aus. Trifft es geneigt auf eine Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen lichtdurchlässigen Stoffen, so ändert es in der Regel seine Ausbreitungsrichtung. Das Licht wird gebrochen.

Für die Brechung von Licht an einer Grenzfläche zwischen zwei lichtdurchlässigen Stoffen gilt das Brechungsgesetz. Es wurde zuerst von Willebrird Snellius (1580-1626) gefunden und lautet:
Geht Licht von einem Stoff in einer anderen über, so gilt:


Während die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum rund 300'000 km/s beträgt, ist das Licht im Wasser nur noch 225'000 km/s schnell. In einem Diamanten verlangsamt sich die Lichtgeschwindigkeit sogar auf 124'000 km/s.
Eine Folge dieser unterschiedlichen optischen Dichten ist die Lichtbrechung.


Totalreflexion:

Tritt Licht von Glass oder Wasser in Luft (vom optisch dichteren in den optisch dünneren Stoff) über, so wird es vom Lot her weg gebrochen. Der Brechungswinkel β ist grösser als der Einfallswinkel α. Vergrössert man den Einfallswinkel, so wird auch der Brechwinkel grösser und erreicht den Wert β=90°.

Wird nun der Einfallswinkel weiter vergrössert, so wird das gesamte einfallende Licht an der Grenzfläche reflektiert.

Diese Erscheinung wird als Totalreflexion bezeichnet.

Ein Lichtkabel oder ein Glasfaserkabel besteht aus Tausenden sehr feinen, gebündelten Glasfasern mit Durchmessern von 0,005 mm bis 0,5 mm. Die einzelne Glasfaser besteht aus einem Mantel und einem Kern. Der Glasfasermantel besteht aus optisch dünnerem Stoff als der Glasfaserkern.

Damit tritt Totalreflexion auf, wenn der Einfallswinkel grösser als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist. Dadurch wird mehrfach Total reflektiert und gelangt so bis an das Ende der Glasfaser.


Praktischer Versuch zur Brechung und Reflexion von Licht

Um die Brechung und die Reflexion mit einem Praktischen Beispiel zu zeigen sind folgende Materialien Notwendig:

Gläserner Behälter
Spiegel
Stativ
Winkel (Geodreieck)
Eine Lichtquelle (Laser)

Aufbau:


Versuchsdurchführung:

Der Behälter wird mit Wasser befüllt und ein kleiner Spiegel wird ca. in der Mitte des Gefässes platziert. Damit der Lichtstrahl etwas besser sichtbar wird, empfiehlt sich ein wenig Milch ins Wasser zu geben. Der Laser wird in einem bestimmten Winkel oben am Stativ befestigt, sodass er von Oben auf den Spiegel auftrifft.

Das Licht wird bim Eindringen von der Luft ins Wasser gebrochen. Der Ausfallswinkel ist kleiner als der Einfallswinkel. Der Lichtstrahl wird am Spiegel reflektiert und mit dem gleichen winkel wieder zur Wasseroberfläche abgestrahlt. Dort wird er erneut gebrochen. Diesmal ist der Ausfallswinkel grösser als der Einfallswinkel.

Beim genauen Messen der beiden Ein-und Ausfallswinkel, kann die Brechzahl und die Lichtgeschwindigkeit im Medium bestimmt werden.



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