Lichtbrechung und Totalreflexion
Aufgabe 1 Brechung und Totalreflexion
Konstruiere.
Konstruiere den Strahlverlauf. Beachte das zwischen Wasser und Luft Totalreflexion auftritt.
Wie verschwindet eine Münze in dem Wasserglas?
Aufgabe 2 Praxisbeispiele
Ein Fisch schwimmt in einem Teich.
Konstruiere das Blickfeld des Fisches wenn der Grenzwinkel der Totalreflexion von Wasser nach Luft bei 49 ° liegt.
Konstruiere, wie du einen Speer werfen musst, wenn du einen Fisch im Wasser treffen möchtest der 45 ° vor dir schwimmt.
Experiment 1 Das Fermat'sche Prinzip - Idee: M. Kramer
Das Fermat'sche Prinzip besagt, dass Licht immer den kürzesten Weg nimmt. Wird das Licht an einem Spiegel reflektiert, sagt uns das Reflexionsgesetz, dass der Einfallswinkel, gleich dem Ausfallswinkel ist und genau dann hat der Strahl den kürzesten Weg. Das hat Pierre de Fermat doch nett formuliert.
Nimm ein 10 m langes Seil und stell dir folgende Situtation vor. Du stehst am Punkt A in der Nähe des Nils, möchtest einen Becher Wasser am Bach füllen und ihn zu Punkt B bringen.
- Welchen Weg musst du wählen, damit er am kürzesten ist? Erhebe ein Meinungsbild der Klasse.
- Versucht verschiedene Varianten und überprüft die Seillänge. Tip: Die Person in Punkt A hält das Seil fest, die Person am Fluss, lässt das Seil um ihr Bein laufen und die Person in Punkt B nimmt Seil auf oder gibt es aus. So lässt sich leicht der kürzeste Weg finden.
- Nun wird es komplizierter: Zuerst musst du zum Waldrand, um aus Blättern einen Becher zu basteln. Dann geht es zum Fluss und anschließend zum brennenden Haus, um es zu löschen. Wie sieht nun der kürzeste Weg aus, gibt es mehrere? Wenn ihr eine Lösung gefunden habt überprüft das Reflexionsgesetz.
- Nun verlassen wir den Schauplatz und begeben uns ins Klassenzimmer. Jeder notiert die Ergebnisse zum Fermat'schen Prinzip. Vielleicht belohnt der Lehrer euren tollen Einsatz mit einer guten Note.
Eigentlich besagt das Fermat'sche Prinzip, das Licht den schnellsten Weg nimmt. Bisher war das auch der kürzeste Weg. Nun aber wird es anders. Es geht durchs Wasser und da wird Licht bekanntlich abgebremst.
Stellt euch auf eine Rasenfläche, markiert Start und Ziel sowie einen zu überquerenden Fluss in dem ihr nur halb so schnell seid.
- Welchen Weg musst du wählen, damit er am schnellsten ist? Ist dies auch der kürzeste?
Hier ein paar Statesments aus dem Unterricht der Klasse 7 an der CDSC:
- "Das Licht nimmt immer den kürzesten Weg."
- "Dabei ist der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel."
- "Wenn das Haus brennt überlegt man doch nicht mehr, welches der kürzeste Weg ist, sondern rennt einfach los. Das Licht hat es gut, es weiß ihn einfach."
- "Das sieht alles gleich lang aus."
Quellenangabe:
Lust auf mehr interaktive Experimente? Eine ausführliche Beschreibung und viele weitere Experimente findest du hier:
M. Kramer, "Physik als Abenteuer", Band 1, Aulis Verlag 2011
Experiment 2 Die Abbildung - Idee: M. Kramer
Schon mal überlegt wie man eigentlich darauf kam Fotos zu machen? Nun dazu muss man das Bild abbilden und das funktioniert erstaunlich einfach. Alles was du dazu brauchts ist:
- verschiedene Leselupen oder Linsen mit Brennweiten von +5 cm bis +30 cm,
- Knete zum Positionieren der Linsen,
- weiße Pappe oder Papier als Projektionsfläche,
- eine Kerze und eine helle Lampe zum Beleuchten einer Person.
Beim Betreten des Raumes ist es dunkel, wir begrüßen uns im Dunkeln und gewöhnen uns langsam an das schwache Licht. Lässt man nach ein paar Minuten Licht in das Klassenzimmer empfinden wir es als sehr grell. Wir dunkeln den Raum wieder ab und zünden auf dem Pult eine Kerze an: "Licht".
Jeder soll nun die Kerze mit Hilfe der mitgebrachten Leselupe/Linse auf einer Projektionsfläche abbilden. Hinweis: Funktionsprinzip der Kamera.
- Skizziere den Aufbau der Anordnung.
- Vergleiche das Original mit der Abbildung.
Eine Kerze strahlt selbst Licht aus. Ein anderer Gegenstand muss angestrahlt werden. Wir bilden zwei Kerzen ab, die sich gegenseitig anstrahlen oder noch besser: einen Schüler oder Schülerin. Als Lichtquelle dient dann ein Tageslichtprojektor.
- Vergleiche das Original mit der Abbildung. Tip: Man kann sich auch mal langsam bewegen oder mit einer weiteren Taschenlampe anstrahlen.
- Wieso nehmen wir das Bild korrekt war, obwohl die Abbildung verdreht ist?
Linsen unterscheiden sich in den Brennweiten. Wir gehen mit unseren Lupen ins Freie, achten auf brennfestem Untergrund und haben dunkles Papier dabei. Der Brennpunkt ist, wo es raucht, der Abstand zur Linse die Brennweite.
- Teste die Brennweite verschiedener Linsen. Woher kommt das Licht in im Brennpunkt?
- Welche Gefahren bestehen in der Trockenzeit und welche Gefahren für unser Auge?
- Verwende einen Wassertropfen am Trinkhalm und bestimme dessen Brennweite.
Hier ein paar Statesments aus dem Unterricht der Klasse 7 an der CDSC:
Skizze der Anordnung: (von Dennis Klasse 7 CDSC)
- Die Abbildung steht auf dem Kopf.
- Die Abbildung steht nicht nur auf dem Kopf sondern ist zusätzlich noch gespiegelt.
- Unser Gehirn dreht aufgrund der Schwerkraft und des Tastsinns das Bild korrekt.
- Das Sonnenlicht wird aufgrund der schrägen Oberfläche der Linse zum Brennpunkt gebrochen.
Eine Sammellinse bricht parallele Strahlen zu einem Brennpunkt (Fokus). Je stärker die Krümmung der Linse, desto näher liegt der Brennpunkt an der Linse, d.h. die Brennweite ist kürzer.
- Glasscherben in der Natur können das Licht auch zu einem Brennpunkt brechen und so besteht in Trockenzeiten Waldbrandgefahr. Das fokusierte Sonnenlicht zerstört die Netzhaut innerhalb kürzester Zeit.
Quellenangabe:
Lust auf mehr interaktive Experimente? Eine ausführliche Beschreibung und viele weitere Experimente findest du hier:
M. Kramer, "Physik als Abenteuer", Band 1, Aulis Verlag 2011
Aufgabe 3 Die Abbildung
Die Grafik zeigt das Funktionsprinzip einer Abbildung. Dort wo sich der Brennpunktstrahl und der Mittelpunktstrahl treffen, entsteht das Bild. Je nach Größe der Brennweite ist das Bild größer oder kleiner. In unserem Bispiel hat die Kerze eine Höhe von G = 1,5 cm die Gegenstandsweite ist g = 2,5 cm und die f = 1,5 cm. Aus der Konstruktion ergibt sich eine Bildgröße von B von etwas mehr als 1,5 cm.
Merke: Das Bild entsteht beim Schnittpunkt von Mittelpunkt- und Brennpunktstrahl.
- Konstruiere, das Bild für eine Brennweite f = 1 cm.
- Konstruiere, das Bild für eine Brennweite f = 2 cm.
- Konstruiere, das Bild für eine Brennweite f = 3 cm.
Aufgabe 4 Der Regenbogen
Die Grafik zeigt einen Regenbogen in den Alpen. In dieser Aufgabe sollst du die Entstehung des Regenbogens erklären.
- Welche Farbe wird in Wasser am stärksten, welche am wenigsten abgebremst.
- Welche dieser Farben wird am stärksten gebrochen. Begründe deine Antwort.
- Nenne ein Beispiel aus dem Leben, bei dem der kürzeste Weg nicht der schnellste Weg ist.
- Wie nennt man den Regenbogeneffekt in der Fachsprache?
- Konstruiere den Regenbogeneffekt an einem Prisma. Bezeichne die unterschiedlichen Farben in der richtigen Reihenfolge.
- Welche der Spektralfarben sind nicht sichtbar?
- Die violette Farbe am stärksten, die rote am wenigsten.
- Die violette Farbe wird am stärksten gebrochen, da sie so den schnellsten Weg nehmen kann.
- Ein Rettungsschwimmer steht direkt am Strand. Auf 2 Uhr ruft jemand um Hilfe. Anstatt direkt ins Wasser zu springen, läuft der Rettungsschwimmer zuerst am Strand entlang und nimmt dann den direkten Weg zu dem Ertrinkenden.
- Dispersion
-
- Ultraviolett und Infrarot.
Wortliste und Satzbausteine
| die Münze, -n | Zahlungsmittel aus Metall |
| der Lichtstrahl, -en | Bewegunsrichtung des Lichts |
| die Oberfläche, -n | die Seite eines Gegenstandes, die der Betrachter sieht |
| die Lichtbrechung, -n | Licht wird beim Übergang in transparenten Medien wie Wasser oder Glas abgebremst. Geschieht dies unter einem Winkel wird dadurch das Licht abgelenkt. |
| das Lot, -e | eine senkrechte Line auf der Oberfläche am Lichtauftreffpunkt |
| der Brechungsindex, -indices | Der Brechungsindex, auch Brechzahl, gibt an wie stark Licht beim Übergang von Luft in das andere Material abgebremst wird. Je größer der Brechnungsindex desto dichter das Medium. |
| die Totalfeflexion, -en | Beim Übergang von Licht aus einem optisch dichteren Medium in ein weniger dichtes Medium kann es ab einem bestimmten Winkel zur Reflexion des gesamten Lichts kommen. |
| das Brechungsgesetz, -e | Willebrord van Roijen Snell hat das Brechungsgesetz beschrieben: $n_1\cdot \sin\delta_1=n_2\cdot \sin\delta_2$. |
| Das Fermat'sche Prinzip, -ien | Licht nimmt immer den schnellsten Weg. |
| die optische Abbildung, -en | Mithilfe einer oder mehrer Linsen wird ein zwei dimensionale Abbild eines Motivs erzeugt. So funktioniert unser Auge, aber auch eine Kamera oder Mikroskop. |
| die Kerze, -n | Leuchtmittel aus Wachs |
| die Sammellinse, -n | gekrümmter Glaskörper |
| der Brennpunkt, -e | Punkt auf den parallele Lichtstrahlen durch eine Linse gebrochen werden |
| die Lichtquelle, -n | Ort von dem Licht ausgeht |
| die Brennweite $f$, -n | Abstand zwischen Linse und Brennpunkt |
| die Bildweite $b$, -n | Abstand zwischen Linse und Bild |
| die Gegenstandsweite $g$, -n | Abstand zwischen Linse und Gegenstand |
| die Gegenstandsgröße $G$, -n | Höhe des Gegenstands |
| die Bildgröße $B$, -n | Höhe des Bildes |
| die Dispersion, keine Mehrzahl | der Brechungsindex ist nicht nur vom Material abhängig sondern ändert sich auch mit der Farbe. Dadurch werden unterschiedliche Farben unterschiedlich gebrochen. So lässt sich die Entstehung des Regenbogens erklären. |