Lichtbrechung

Du sollst jetzt untersuchen, was passiert, wenn Licht von einem durchsichtigen Stoff kommend durch einen anderen durchsichtigen Stoff geht.

Experiment 1: Licht und Glas

Stelle dich vor ein Fenster und schaue durch das Fensterglas auf die Welt da draußen. Öffne das Fenster und vergleiche das Bild mit der echten Welt.

Nimm ein durchsichtiges Trink-Glas, halte es vor dein Auge und schaue hindurch.

Fülle das Trink-Glas mit Wasser und schaue nochmals durch das Trink-Glas.

Beobachtung:

  • Das Fensterglas verändert das Bild von der Welt nicht. Nur wenn du ganz genau hinsiehst, kannst du erkennen, dass das Fensterglas das Bild von der Welt etwas verschiebt.
  • Das Bild von der Welt wird durch das Trinkglas verändert. Je nachdem, welche Form das Trinkglas hat, sieht dieses Bild völlig anders aus, als ohne Trinkglas.
  • Wenn das Glas mit Wasser gefüllt ist, ist die Änderung des Bildes von der Welt heftiger geworden.

Wenn man den Weg, den Licht geht ändern möchte, dann kann man dazu durchsichtiges Material wie Glas, Wasser,... verwenden.

Experiment 2: Münze und Glas

Für das folgende Experiment brauchst du eine Münze und ein durchsichtiges Trinkglas.

  • Lege die Münze auf den Tisch.
  • Stelle das Trinkglas so auf die Münze, dass die Münze unter der Mitte des Trinkglases liegt.
  • Schaue seitlich durch das Trinkglas auf die Münze: Du kannst die Münze sehen!
  • Fülle das Trinkglas jetzt mit Wasser und stelle es wieder so auf die Münze, dass diese unterhalb der Mitte des Trinkglases liegt.
  • Schaue wieder seitlich durch das Trinkglas auf die Münze. Was beobachtest du?
Mögliche Lösung: hier klicken...

Die Münze ist verschwunden! Durch das Wasser hat sich der Weg, den das Licht von der Münze zu deinem Auge genommen hat so verändert, dass das Licht nicht mehr dein Auge erreichen kann. Man sagt: das Licht wurde beim Übergang von Luft zu Glas, von Glas zu Wasser, von Wasser zu Glas und von Glas zu Luft gebrochen.

Dass Licht seine Richtung ändert, wenn es von einem durchsichtigen Stoff in einen anderen durchsichtigen Stoff übergeht, hast du im letzten Thema bereits in der Simulation gesehen. Bei der Reflexion hatten wir uns für das reflektierte Lichtbündel interessiert. Heute wollen wir uns das Lichtbündel ansehen, das durch den durchsichtigen Stoff geht - aber nicht nur ansehen, sondern auch messen.

Experiment 3: Vorbereitung der Messung

  • Klicke auf "Einleitung", stelle das untere Material auf "Wasser" und schalte die Lampe ein.
  • Stelle sicher, dass die kleine Box unten links neben "normal" angeklickt ist, so dass in der Mitte der Simulation eine gestrichelte Linie zu sehen ist. Diese gestrichelte Linie nennen wir "Lot". Das Lot steht senkrecht (90° oder rechter Winkel) auf der Wasseroberfläche.
  • Ziehe den Winkelmesser (das runde Instrument mit der Winkelskala) von dem Kasten unten links mit gedrückter linker Maustaste in die Simulation. In der Mitte des Winkelmessers siehst du einen kurzen schwarzen Strich. Setze den Winkelmesser so in die Simulation, dass der schwarze Strich und die 0°-Striche oben und unten auf dem Lot stehen und der 90°-Strich auf der Glasoberfläche ist.
  • Unterhalb der Simulation siehst du ein Bild. Dein Bildschirm sollte so aussehen, wie auf dem Bild, wenn du alles richtig gemacht hast.

Quelle: PhET

So sollte deine Simulation aussehen:

Brechung 01

Jetzt sollst du die Messung durchführen.

Experiment 4: Durchführung der Messung

  • Stelle sicher, dass dein Experiment so aussieht, wie in dem gerade gezeigten Bild.
  • Stelle den Lichtstrahl auf der linken Skala auf 10° ein (das ist der erste ganz lange Strich links von 0°).
  • Lies jetzt den Winkel auf der unteren rechten Skala ab, also der Winkel zwischem dem gebrochenen Lichtbündel, der durch das Wasser geht und dem Lot.
  • Lege eine kleine Tabelle an, nenne die eine Spalte Luft (einfallend), die andere Wasser (gebrochen) und trage in die Spalte Luft (einfallend) den linken Winkel und in die Spalte Wasser (gebrochen) den rechten Winkel ein.
  • Wiederhole die Messung für weitere mindestens 6 andere Winkel.
  • Was fällt dir auf, wenn du jeweils die beiden gleichzeitig gemessenen Winkel vergleichst? Eine möglich Antwort findest du, wenn du unterhalb der Simulation auf Lösung klickst.

Quelle: PhET

Mögliche Lösung: hier klicken...

Der Winkel zwischen dem gebrochenen Lichtbündel im Wasser und dem Lot ist kleiner als der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtbündel und dem Lot. Das gilt immer, wenn Licht von einem dünneren Material (Luft) in ein dichteres Material (Wasser, Glas) übergeht.

Brechungsgesetz: Wenn ein Lichtbündel von einem optisch dünneren Material zu einem optisch dichteren Material übergeht, wird das Lichtbündel zum Lot hin gebrochen.

Die Situation kann umgedreht werden. Wir untersuchen jetzt, was passiert, wenn Licht von einem optisch dichteren Material (Glas) in ein optisch dünneres Material (Luft) übergeht.

Experiment 5: Übergang von Glas zu Luft

  • Wähle in der Simulation für den oberen Teil das Material Glas und für den unteren Teil das Material Luft
  • Klicke dazu mit der Maus rechts auf die Schaltfläche neben "Material" und wähle den entsprechenden Eintrag. Dein Experiment sollte jetzt wie folgt aussehen:

Brechung 02

  • Lege wieder eine kleine Tabelle an, nenne die eine Spalte Glas (einfallend), die andere Luft (gebrochen) und trage in eine Zeile die Winkel ein, die zu einer Messung gehören.
  • Führe die Messung für mindestens 6 Winkel durch.
  • Was fällt dir auf, wenn du jetzt jeweils die beiden gleichzeitig gemessenen Winkel vergleichst? Eine möglich Antwort findest du, wenn du unterhalb der Simulation auf Lösung klickst.

Quelle: PhET

Beobachtung: hier klicken...

Der Winkel zwischen dem gebrochenen Lichtbündel in Luft und dem Lot ist größer als der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtbündel und dem Lot. Das gilt immer, wenn Licht von einem optisch dichteren Material (Glas) in ein optisch dünneres Material (Luft) übergeht.

Brechungsgesetz: Wenn ein Lichtbündel von einem optisch dichteren Material zu einem optisch dünneren Material übergeht, wird das Lichtbündel vom Lot weg gebrochen.

Wir haben jetzt eine Möglichkeit gefunden, wie man den Weg, den ein Lichtbündel geht, verändern kann: Man kombiniert zwei Materialien, wobei das eine durchsichtiger als das andere ist (z.B. Luft und Glas wie bei einer Brille).

Noch zwei Lernvideos

Exkurs 1: Lichtbrechung

Sieh dir folgendes Video an: Lichtbrechung

Exkurs 2: Fata Morgana

In der Natur gibt es eine Erscheinung, die wegen der Lichtbrechung auftaucht: die Fata Morgana. Im folgenden Video wird erklärt, wie eine Fata Morgana entsteht:

Entstehung einer Fata Morgana