Bestimmung der Brechzahl von Glas (Artikelnr.: P )

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Bestimmung der Brechzahl von Glas (Artikelnr.: P064400) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse 7-0 Lehrplanthema: Optik Unterthema: Reflexion und Brechung Experiment: Bestimmung der Brechzahl von Glas Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Leicht 0 Minuten 0 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Lineal (ca. 30 cm) Weißes Papier (DIN A4) Zirkel Winkelmesser Schlagwörter: Aufgabe und Material Lehrerinformationen Zusätzliche Informationen Mit diesem Versuch haben die Schüler die Möglichkeit, ihre experimentellen Fertigkeiten zu vervollkommnen und ihre Kenntnisse über das Brechungsgesetz zu festigen. Die Beobachtung des Lichteinfalls auf die Grenzfläche von Luft zu Glas ist durch zeichnerische Fixierung des Verlaufs der Lichtbündel bestimmt und wird anschließend mit einem halbgraphischen Verfahren ausgewertet. Damit kann den Schülern die Bedeutung der Mathematik für das physikalische Verständnis aufgezeigt werden. Der Versuch ist hinsichtlich der experimentellen Anforderungen anspruchsvoll. Erst bei einer sorgfältigen Justierung und gewissenhafter Auswertung können gute Ergebnisse erreicht werden. Aber der Vergleich der experimentell gewonnenen (relativen) Brechzahl mit dem Tabellenwert vermittelt dem Schüler das Gefühl, trotz der vereinfachten experimentellen Bedingungen ein relativ genaues Ergebnis zu haben. Der Versuch lässt sich mit Gewinn auch in Klassen der Sekundarstufe 2 einsetzen. Hier kann das halbgraphische Verfahren durch die Berechnung der Sinuswerte für α and β ergänzt werden! Auf diese Weise kann das Snelliussche Brechungsgesetz in seiner quantitativen Fassung gewonnen werden. Hinweise zum Aufbau und zur Durchführung Es ist darauf zu achten, dass die Schüler die Justierung des Modellkörpers mit Hilfe des entlang der optischen Achse fallenden Lichbündels sehr sorgfältig vornehmen. Um eindeutige und vergleichbare Messwerte für den Brechungswinkel und die Halbsehne b zu erhalten, sollten die Schüler außerdem darauf achten, dass das schmale Lichtbündel stets auf den Lotfußpunkt trifft. Eine Verschiebung des Modellkörpers auf der Unterlage beim Experimentieren führt ebenfalls zu fehlerhaften Ergebnissen. Um den Schülern mehr Zeit für die Durchführung und Auswertung des Versuches zur Verfügung zu stellen, kann ihnen auch ein vorbereitetes Blatt mit dem Linienkreuz und den eingetragenen einfallenden Lichtstrahlen in die Hand gegeben werden. Anmerkung Mit den Schülern kann bei der Lösung der Zusatzaufgabe auch der Fall diskutiert werden, dass die relative Brechzahl gleich ist.

2 Lehrer-/Dozentenblatt Da in diesem Fall keine Brechung beim Übergang des Lichts an der Grenzfläche der beiden Stoffe erfolgt, kann der Gegenstand unsichtbar sein. (Zum Beispiel ist ein massiver Glasstab nicht zu sehen, der sich in Zedernholz (n =.542) befindet.)

3 Bestimmung der Brechzahl von Glas (Artikelnr.: P064400) Aufgabe und Material Aufgabe Was gibt die Brechzahl an? Bestimme die Brechzahl von Glas.

4 Material Position Material Bestellnr. Menge Modellkörper, halbkreisförmig, r = 30 mm Leuchtbox, Halogen 2 V/20 W mit Einspalt/ Zweispalt-Blende 4 PHYWE Netzgerät DC: V, 2 A / AC: 6 V, 2 V, 5 A Zusätzliches Material Weißes Papier (DIN A4) Zirkel Lineal (ca. 30 cm) Winkelmesser

5 Aufbau und Durchführung Aufbau Achtung! Achte darauf, dass das von der Leuchtbox kommende, schmale Lichtbündel genau im Kreuzungspunkt der Gerade (am "Lotfußpunkt") den Modellkörper trifft und dass der Modellkörper seine Position beim bewegen der Leuchtbox nicht verändert. Bereite ein Blatt Papier wie in Abb. vor. Der Schnittwinkel der beiden Geraden muss genau 90 betragen. Zeichne im Schnittpunkt der Geraden Winkel von 5, 30, 45, 60 and 75 ein ( Abb. ). Abb. Lege den halbkreisförmigen Modellkörper mit der planen Fläche genau an die senkrechte, kürzere Gerade des Linienkreuzes. Die aufgerauhte Fläche soll dabei auf dem Blatt liegen. Setze die Einspaltblende in die Leuchtbox auf der Linsenseite ein und stelle diese etwa in 0 cm Abstand gegenüber der planen Fläche des Modellkörpers auf. (Abb. 2). Abb. 2 Durchführung Schließe die Leuchtbox an das Netzgerät an (2 V ~). (Abb. 3)

6 Abb. 3 Verschiebe die Leuchtbox so weit bis das schmale Lichtbündel genau auf der optischen Achse (0 -Linie, "Einfallslot") verläuft. Verschiebe den halbkreisförmigen Modellkörper vorsichtig so weit bis das schmale Lichtbündel nach dem Durchgang durch das Glas weiter auf der optischen Achse verläuft. Markiere mit dünnen Bleistiftstrichen vorsichtig die Umrisse des Körpers (Abb. 4). Abb. 4 Verschiebe die Leuchtbox nun vorsichtig so weit bis das einfallende Licht unter einem Winkel von 5 entlang der vorher eingezeichneten Hilfslinie auf den Modellkörper trifft (Abb. 5). Beobachten den Verlauf des gebrochenen Lichtbündels und vergleiche die Größe des Einfallswinkels αmit dem Winkel zwischen dem gebrochenem Lichtbündel und dem Einfallslot (dem Brechungswinkel β). Notiere deine Beobachtungen im Protokoll. Markiere mit zwei Kreuzchen den Verlauf des gebrochenen Lichtbündels und, um die spätere Zuordnung zu vereinfachen, auch mit einem Kreuzchen das einfallende Lichtbündel.

7 Abb. 5 Wiederhole dieses Verfahren für die anderen vorgegebenen Einfallswinkel α. Markiere jeweils zweimal den Verlauf des gebrochenen Lichtbündels und einmal das betreffende einfallende Lichtbündel (verwende unterschiedliche Markierungen oder Farben). Schalte das Netzgerät aus und nimm die Leuchtbox und den Modellkörper vom Papier. Verbinde die zusammengehörenden Markierungen jeweils miteinander und mit dem Schnittpunkt der Geraden, so dass der Verlauf der einzelnen Lichtbündel vor und nach der Brechung am Modellkörper deutlich werden. Miss den Brechungswinkel βdeutlich. Schreibe die Werte in die Tabelle im Protokoll neben den ensprechenden Einfallswinkel α.

8 Protokoll: Bestimmung der Brechzahl von Glas Ergebnis - Beobachtungen (0 Punkte) Vergleiche Einfallswinkel α und Brechungswinkel β: Ergebnis - Tabelle (25 Punkte) Notiere Deine Messwerte in Tabelle. Einfallswinkel α in Brechungswinkel β in a in cm b in cm n = a/b ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±

9 Auswertung - Frage (0 Punkte) Vergleiche den Einfallswinkel α mit dem zugehörigen Brechungswinkel β. Welche Schlussfolgerungen kannst du ziehen? Formuliere einen Satz. Auswertung - Frage 2 (0 Punkte) Konstruiere auf einem Blatt Papier einen Kreis mit dem Radius von 5 cm um den Schnittpunkt des Achsenkreuzes und miss jeweils die halben Sehnen a und b (siehe Abbildung unten) für jeden Einfallswinkel α und dem zugehörigen Brechungswinkel β. Trage die zusammengehörenden Werte in die Tabelle auf der Ergebnisseite ein.

10 Auswertung - Frage 3 (0 Punkte) Berechne den Quotienten n = a l b (die Brechzahl) für jeden Einfallswinkel α und trage die Werte in Tabelle ein. Vergleiche die Werte für n miteinander. Zu welchem Ergebnis kommst du? Auswertung - Frage 4 (0 Punkte) Berechne den Mittelwert von n.

11 Auswertung - Frage 5 (0 Punkte) Überlege, welche Messfehler Einfluss auf die Größe der Brechzahl n haben. Auswertung - Zusatzaufgabe (0 Punkte) Die Brechzahl für verschiedene Glassorten sind in der unten stehenden Tabelle gegeben. Vergleiche diese mit deinen Werten für n. Überlege, welche Aussage mit der Kenntnis der Brechzahl über die Brechung des Lichts beim Übergang von Luft zu Glas gemacht werden kann.