Übungsprüfung A zur Physik-Prüfung vom 17. Januar 2012

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1 Übungsprüfung A zur Physik-Prüfung vom 17. Januar Kurzaufgaben (7 Punkte) a) Welche der folgenden Aussagen ist richtig? Kreuzen Sie diese an (es ist genau eine Aussage richtig). A: Der Brechungswinkel β ist der Winkel zwischen dem einfallenden und dem gebrochenen Strahl. B: Eine Fata Morgana ist eine optische Täuschung, die als Wunschvorstellung im Gehirn entsteht. Dabei entsteht zum Beispiel bei Menschen, die unter Wassermangel leiden, die Einbildung von Wasserflächen in der Wüste. C: Wenn bei der Brechung der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und der Grenzfläche 90 beträgt, dann beträgt der W inkel zwischen dem einfallenden Strahl und dem gebrochenen Strahl 180. D: Wenn ein Lichtstrahl vom optisch dünneren zum optisch dichteren Stoff übergeht, dann wird er vom Lot weg gebrochen. E: Je grösser der Brechungsindex in einem Stoff ist, desto grösser ist die Geschwindigkeit des Lichtes in diesem Stoff. F: Keine der obigen Aussagen ist richtig. b) Welche der folgenden Behauptungen ist korrekt? Kreuzen Sie diese an (es ist genau eine Behauptung richtig). A: Wenn der Einfallswinkel verdoppelt wird, dann verdoppelt sich auch der Brechungswinkel. B: Es gilt: Einfallswinkel = Brechungswinkel. C: Der Brechungswinkel steigt linear mit dem Einfallswinkel. D: Das Verhältnis von Einfallswinkel α zu Brechungswinkel β ist konstant. E: Das Verhältnis α/β von Einfallswinkel zu Brechungswinkel steigt linear an. F: Keine der obigen Aussagen ist richtig. c) Ein Lichtstrahl gehe von einem optisch dünneren Stoff A in einen optisch dichteren Stoff B über. Wie gross muss der Einfallswinkel sein, damit der Strahl an der Grenzfläche seine Richtung nicht ändert? Es ist genau eine der folgenden Antworten richtig; kreuzen Sie diese an. A: 0 B: 30 C: 45 D: 60 E: 90 F: zwischen 30 und 60 G: Keine der obigen Antworten ist richtig. d) Weshalb ändert ein Lichtstrahl eigentlich seine Richtung, wenn er von einem optisch dünneren in optisch dichteres Medium übergeht, wieso behält er nicht einfach seine Richtung bei? (Oder anders formuliert: Erklären Sie, auf welcher physikalischen Eigenschaft der Stoffe die Brechung des Lichts beruht.) Seite 1 / 6

2 e) Unter welchen Bedingungen tritt Totalreflexion ein? f) Wieso wird der Einfallswinkel und der Brechungswinkel jeweils zwischen dem Lot und dem Strahl gemessen und nicht zwischen dem Lot und der Oberfläche (bzw. zwischen dem Lot und der Tangente an den Auftreffpunkt)? g) Die nebenstehende Abbildung zeigt eine Anordnung zur Messung des Brechungswinkels für verschiedene Einfallswinkel. Zeichnen Sie ein, wo der Einfallswinkel und wo der Brechungswinkel gemessen wird. Erklären Sie zudem, wieso man einen halbrunden Körper für die Messung verwendet und nicht zum Beispiel einen rechteckigen, dreieckigen oder trapezförmigen wie weiter unten gezeigt. 2. Die Geschwindigkeit des Lichtes (3 Punkte) Rechnen Sie bei dieser Aufgabe jeweils mit einer Lichtgeschwindigkeit im Vakuum von c 0 = 300'000 km/s. a) Wie gross ist die Geschwindigkeit des Lichtes in einer Kontaktlinse, die aus Material mit einem Brechungsindex von n Linse = 1.67 hergestellt ist? b) Im organischen Lösungsmittel Trichlormethan, besser bekannt als Chloroform, beträgt die Geschwindigkeit des Lichtes v Chloroform 207'000 km/s. Wie gross ist der Brechungsindex von Chloroform? c) Gefrorenes Wasser hat mit n Eis 1.31 einen etwas geringeren Brechungsindex als flüssiges Wasser n Wasser Wie gross ist die Differenz der Fortpflanzungsgeschwindigkeiten des Lichtes in den beiden Stoffen und um welchen Faktor ist das Licht im Stoff mit der höheren Fortpflanzungsgeschwindigkeit schneller? Übungsprüfung A zur Physik-Prüfung vom 17. Januar 2012 Seite 2 / 6

3 3. Brechungsgesetz (7 Punkte) a) Ein Lichtstrahl geht von Wasser (n Wasser 1.33) in Flintglas mit einem Brechungindex von n Flintglas = 1.65 über. Wie gross ist der Brechungswinkel, wenn der Einfallswinkel 60 beträgt? b) Ein Lichtstrahl treffe auf die Grenzfläche zwischen zwei durchsichtigen Stoffen A und B. Beim Übergang des Lichtes von A nach B betrage der Einfallswinkel α = 45 und der Brechungswinkel β = 30. Wenn Stoff A einen Brechungsindex von n A = 1.4 aufweist, wie gross ist dann der Brechungsindex von Stoff B? c) Jemand misst Einfallswinkel und Brechungswinkel für den Übergang eines Lichtstrahls von Stoff A nach Stoff B und macht eine Skizze wie wir es im Theorie-Eintrag gemacht haben und misst darin jeweils s α und s β. Er stellt fest, dass s α immer gerade ⅔ von s β beträgt. Wie gross ist der Brechungsindex n B von Stoff B? Wie gross ist der Brechungsindex des Stoffes B wenn Stoff A einen Brechungsindex von n A = 2.1 aufweist? d) Wie gross wäre der Brechungsindex des Stoffes A in Teilaufgabe c), wenn es sich bei Stoff B um Luft (n 1) handeln würde? 4. Welche Strahlverläufe sind möglich? (7 Punkte) Die nachfolgend dargestellten Körper sind jeweils homogen aus einem Material gefertigt, das optisch dichter ist (hellgrau) als die Umgebung (Blatthintergrund). Kreuzen Sie jeweils an, ob der eingezeichnete Vorschlag für einen Strahlverlauf prinzipiell möglich ist oder nicht. Falls er nicht möglich ist, dann begründen Sie, weshalb dies der Fall ist. a) Lichtweg ist möglich M b) Lichtweg ist möglich Übungsprüfung A zur Physik-Prüfung vom 17. Januar 2012 Seite 3 / 6

4 c) Lichtweg ist möglich d) Lichtweg ist möglich e) Lichtweg ist möglich M f) Lichtweg ist möglich g) Lichtweg ist möglich Übungsprüfung A zur Physik-Prüfung vom 17. Januar 2012 Seite 4 / 6

5 5. Parallelversatz an einer planparallelen Glasplatte (3 Punkte) Auf eine 10 cm dicke, planparallele Glasplatte mit Brechungsindex n = 1.5 fällt mit einem Einfallswinkel von 60 ein (monochromatischer ) Lichtstrahl. Durch die Brechung wird der Lichtstrahl parallel versetzt. Um welche Strecke ist der Strahl beim Austritt gegenüber seiner ursprünglichen Richtung parallel verschoben? 6. Glasdreieck (5 Punkte) Die folgende Grafik zeigt den Verlauf von Einfallswinkel und Brechungswinkel beim Übergang eines Lichtstrahls von Luft nach Wasser sowie von Luft nach Glas Luft Wasser Brechungswinkel β Luft Glas Einfallswinkel α a) Bestimmen Sie den Grenzwinkel für Totalreflexion für den Übergang von Glas nach Luft. Übungsprüfung A zur Physik-Prüfung vom 17. Januar 2012 Seite 5 / 6

6 b) Verfolgen Sie in der untenstehenden Skizze den Verlauf der beiden Lichtstrahlen A und B durch das Glasdreieck (reflektierte Anteile können Sie jeweils vernachlässigen). Verwenden Sie zur Bestimmung das Diagramm. Bestimmen Sie zudem für beide Lichtstrahlen den Ablenkwinkel, das heisst den Winkel zwischen der ursprünglichen Richtung des auf das Dreieck treffenden Strahls und der Richtung des Strahls nach dem Verlassen des Dreiecks. B A Zuckerlösung (4 Punkte) Der Brechungsindex einer Zuckerlösung ist umso grösser, je mehr Zucker sie enthält. Dies wird zum Beispiel bei Herstellern von zuckerhaltigen Getränken angewendet, wo die Brechungsindex der Getränke gemessen wird, um mit Hilfe von tabellierten Werten der Zuckergehalt bestimmt bzw. kontrolliert wird. Zum Beispiel hat eine 30%ige, wässrige Saccharose-Lösung einen Brechungsindex von n 30% 1.38, während eine 80%ige Lösung einen Brechungsindex von n 80% 1.49 hat. Jemand gibt Ihnen zwei verschiedene Zuckerlösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen und damit unterschiedlichen Brechungsindices. Sie überprüfen für beide Lösungen in einem Experiment, wie gross der Grenzwinkel für Totalreflexion beim Übergang aus Luft (n Luft 1) in die Lösung ist. a) Für welche der oben genannten Zuckerlösungen (30%ig und 80%ig) ist ein grösserer Grenzwinkel für Totalreflexion zu erwarten? b) Beschreiben Sie einen möglichen Versuchsaufbau für das Experiment und machen Sie eine Skizze dazu. Übungsprüfung A zur Physik-Prüfung vom 17. Januar 2012 Seite 6 / 6