Lot. L 1 Einfallender. Gebrochener Lichtstrahl. Spiegel. Das einfache Brechungsgesetz

Transkript

1 Modul 93 Optik Brechug Licht-Brechug Lot Reflektierter Lichtstrahl L Eifalleder Lichtstrahl L Luft α β β Wasser α Gebrocheer Lichtstrahl Spiegel Das eifache Brechugsgesetz siα siα α Eifallswikel i der Luft oder im Vakuum α Brechugswikel im optisch dichtere Medium Brechzahl oder Brechugsidex (des optisch dichtere Medium gegeüber Vakuum) Damit gilt das Brechugsgesetz ebefalls für die Lichtgeschwidigkeit ud i de erschiedee Stoffe: Das allgemeie Brechugsgesetz siα siα ud etspreche de Lichtgeschwidigkeite i de optische Medie ud. Für user Beispiel mit Glas ud Wasser gilt also: siα( Wasser) siα ( Glas) ( Glas) ( Wasser) ( Wasser) ( Glas) Umformuge siα siα siα siα siα siα siα siα siα siα siα siα siα siα siα siα

2 Modul 93 Optik Brechug Die Totalreflexio Der Übergag des Lichts o eiem optisch dichtere i ei optisch düeres Medium ist oberhalb eies bestimmte Eifallswikels icht mehr möglich. We der Lichtstrahl beim Austirtt om dichtere is düere Medium eie Wikel α o 90 gegeüber dem Lot hätte, da streift er die Wasseroberfläche, ud das ist die Greze des mögliche Austritts: Lot Gebrocheer Lichtstrahl Lot Dües Medium Lot α α 90 Totalreflexio α β α α,t Streifeder Lichtstrahl α β Eifalleder Lichtstrahl Dichtes Medium Reflektierter Lichtstrahl Der zugehörige Eifallswikel α hat somit eie Grezwert erreicht, der abhägig om Verhältis der Brechzahle ist. Er heisst α,t, weil darüber Totalreflexio auftritt Bestimmug des Grezwikels: Bsp. allgemeies Brechugsgesetz, Übergag aus Wasser i Luft: si α si α Wasser Luft Luft Wasser aufgelöst ach Luftwikel si α Luft si α Luft si α Wasser Luft Wasser Für de Brechugswikel o α Luft 90 ist si α si 90. siαwasser Wasser Daraus folgt: aufgelöst ach si αwasser Luft Luft siα Wasser Luft Wasser Der Wikel α Wasser heisst i diesem Fall Grezwikel der Totalreflexio α,t : Allgemei gilt: siα, T α, T arcsi Ebeso für die Lichtgeschwidigkeite: siα, T α, T arcsi Beim Übergag zu Luft wird es eifacher, weil Luft : siα, T α, T arcsi düeres Medium, dichteres Medium

3 Aufgabe Modul 93 Optik Brechug ) Kostruiere sie de ugefähre Lichterlauf durch die erschiede geformte Gläser. Die Kostruktioe solle lediglich de prizipielle Strahlegag darstelle. a) b) Plaparallele Platte c) Reflexiosprisma Aahme: A der Umlekfläche wird der Grezwikel der Totalreflexio überschritte. d) Umlekfläche Zusatzfrage: A welche Art o Gläser erier sie diese beide Forme?

4 Modul 93 Optik Brechug a) Was geschieht, we ei Lichtstrahl auf eie glatte Oberfläche fällt, z.b. auf eie Glasscheibe? a) Das Licht wird zum Teil reflektiert ud tritt zum Teil is Glas hiei. b) Das Licht wird ollstädig reflektiert. c) Das Licht wird i Farbe zerlegt. b) Wie lautet das Reflexiosgesetz? a) b) Es gibt kei solches Gesetz. c) Eifallswikel α Reflexioswikel β c) Was sagt das Brechugsgesetz aus? a) Das Licht wird beim Übergag om optisch düere Medium is optisch dichtere Medium zum Lot hi gebroche. b) Das Licht wird beim Übergag om optisch düere Medium is optisch dichtere Medium om Lot weg gebroche. c) Licht wird ur reflektiert. d) Wa tritt Totalreflexio auf? a) Beim Übergag om optisch dichtere Medium is optisch düere Medium, we der Eifallswikel grösser als der Grezwikel der Totalreflexio ist. b) Beim Übergag om optisch dichtere Medium is optisch düere Medium, we der Eifallswikel kleier als der Grezwikel ist. c) Beim Übergag om optisch düere Medium is optisch dichtere Medium, we der Eifallswikel grösser als der Grezwikel ist. e) Wie lässt sich der Grezwikel der Totalreflexio bereche, falls es sich beim düere Medium um Luft hadelt? a) b) si α si α, T, T c) siα, T f) We ei Lichtstrahl durch eie plaparallele Platte tritt, da ist der ausfallede Lichtstrahl a) zum eifallede Strahl parallel erschobe. b) zum eifallede Strahl icht erschobe. c) sekrecht zum eifallede Strahl erschobe.

5 Modul 93 Optik Brechug 8) Ei Lichtstrahl trifft uter eiem Eifallswikel o 50 o Luft auf Glas (,5). Bereche sie de Brechugswikel. 9) Bereche sie de Grezwikel der Totalreflexio o Quarz (,54) gege Wasser (,33). 0) Ei Lichtstrahl trifft aus der Luft kommed uter dem Eifallswikel o 45 auf ei Festerglas (,6). Uter welchem Wikel läuft der Lichtstrahl im Festerglas weiter? ) Ei Lichtstrahl kommt aus der Luft ud trifft auf eier Glasplatte (,63) auf. Uter welchem Eifallswikel ist der Lichtstrahl auf der Glasplatte aufgetroffe, we er uter eiem Wikel o 3 i der Glasscheibe weitererläuft? ) Ei aus der Luft kommeder Lichtstrahl wird durch Brechug a eiem ubekate Material um 0 o seier ursprügliche Richtug abgelekt, wobei der Brechugswikel 7 beträgt. Wie gross ist die Brechzahl des ubekate Materials? Um was für ei Material hadelt es sich?

6 Modul 93 Optik Brechug 3) Wie gross ist die Lichtgeschwidigkeit i Acrylglas (Plexiglas) mit Acryl,49? 4) Wie gross ist der Grezwikel der Totalreflexio zwische Wasser ud Alkohol? 5) Die Lichtgeschwidigkeit i Eis beträgt km/s. Bereche sie die Brechzahl o Eis. 6) Der Grezwikel der Totalreflexio zwische Luft ud Rubi beträgt 34,6. Bereche sie die Lichtgeschwidigkeit i Rubi ud seie Brechzahl. 7) Ei aus eiem ubekate Material kommeder Lichtstrahl wird a Diamat gebroche. Der Eifallswikel beträgt 5, der Brechugswikel beträgt 6. Aus welchem Material kommt der Lichtstrahl?

7 Modul 93 Optik Brechug 8) Ei schmales Lichtbüdel trifft die Wasserfläche eies Aquariums uter dem Eifallswikel o 45. Der gebrochee Strahl fällt auf de Bode des Aquariums, trifft dort auf eie horizotal liegede Spiegel, wird zurück zur Oberfläche reflektiert ud a der Grezfläche zur Luft gebroche. Brechzahl des Wassers beträgt,33. a) Wie gross ist der Wikel zwische dem eifallede Strahl ud der Richtug, uter der das Licht die Wasseroberfläche wieder erlässt? b) Wie gross ist der Abstad zwische de beide Pukte, i welche der eifallede ud der reflektierte Lichtstrahl durch die Wasseroberfläche stosse, we das Wasser 5 cm tief ist? 9) Wir lege eie Müze auf de Bode eier Schüssel ud schaue so über de Schüsselrad, dass die Müze gerade icht mehr zu sehe ist. We wir u orsichtig Wasser eigiesse, ohe dabei usere Stellug zu eräder, wird die Müze wieder sichtbar. Ausserdem scheit die Schüssel weiger tief als im leere Zustad zu sei. Wie ist das zu erkläre? (Skizze)!

8 Modul 93 Optik Brechug 0) Ei Fisch steht 50 cm uter eier ruhige Wasseroberfläche (.33). Welche Gebiete ausserhalb des Wassers ka er direkt sehe, ud welche Gebiete im Wasser ka er über eie Totalreflexio erkee? (Skizze)! ) I ei Reagezglas wird ei Bleistift gesteckt. Solage sich das Reagezglas ausserhalb des Wassers befidet, ist der Bleistift gut durch die Wad des Reagezglases zu sehe. Taucht ma u das Reagezglas samt Bleistift is Wasser, welches auf eier helle gut beleuchtete Uterlage steht, ud blickt auf das Reagezglas i der skizzierte Richtug, so ist der Bleistift im eigetauchte Teil des Glases icht mehr zu sehe. Das Reagezglas scheit a der Oberfläche ersilbert zur sei. a) Wie ist das zu erkläre? b) Wie köte der utere Teil des Bleistifts wieder sichtbar gemacht werde?

9 Modul 93 Optik Brechug Wissesfrage ) We ei Beobachter durch ei Spiegelsystem die Auge eier adere Perso sieht, ka da diese Perso die Auge des Beobachters sehe? Siehe auch Aufgabe 8). 3) Aufgrud welcher optische Gesetzmässigkeit werde Lichtstrahle i eiem LWL weitergeleitet? a) Dispersio b) Reflexio c) Brechug d) Totalreflexio 4) Lichtstrahle werde i eiem LWL weitergleitet, weil a) der Glasfasermatel erspiegelt ist. b) die Brechzahl des Matels grösser ist als die Brechzahl des Kers. c) der Matel eie grössere optische Dichte aufweist als der Ker. d) der Ker eie grössere optische Dichte aufweist als der Matel. 5) LWL: Orde sie die eglische Begriffe de deutsche zu: a) Ker ) Coatig b) Matel ) Core c) Schutzhülle 3) Claddig 6) Was bedeutet die LWL-Bezeichug 9/5? 7) LWL: Was bedeutet Mode (Mehrzahl: Mode)? 8) LWL: Was ist mit der Bezeichug Idex gemeit, z.b. i Stufeidex-Profil? 9) Welche Glasfaser eiget sich am beste für hohe Badbreite ud lage Distaze? a) Multimode-Faser mit Stufeidex-Profil b) Multimode-Faser mit Gradieteidex-Profil c) Moomode-Faser d) Dispersios-Faser

10 Modul 93 Optik Brechug 30) Weshalb werde die Lichtsigale bei der Multimode-Faser mit Gradieteidex-Profil weich reflektiert? Erkläre sie. 3) Weisses Licht wird a eiem Prisma i seie Spektralfarbe aufgespalte. Wie wird dieses Phäome bezeichet? a) Brechug b) Reflexio c) Totalreflexio d) Dispersio 3) Welche (sichtbare) Farbe wird am Prisma am meiste gebroche? a) Rot b) Grü c) Blau d) Violett 33) Weisses Soelicht ethält zwei für user Auge usichtbare Lichtwelle. Welche sid es? 34) Aufgrud welches optische Gesetzes kommt eie Fata Morgaa zustade? a) Brechug b) Dispersio c) Totalreflexio d) Reflexio 35) Ei Regeboge kommt aufgrud erschiedeer optischer Gesetzmässigkeite zustade. Welche sid dies? a) Brechug ud Reflexio b) Dispersio ud Reflexio c) Brechug ud Totalreflexio d) Brechug, Totalreflexio ud Dispersio 36) Die Farbe eies Regeboges bezeichet ma als... a) Komplemetärfarbe b) Spektralfarbe c) Reflexiosfarbe d) Grudfarbe

11 Lösuge Modul 93 Optik Brechug Aufgabe a) b) Siehe auch Übug, plaparallele Platte c) A der Umlekfläche wird der Lichtstrahl totalreflektiert. Reflexiosprisme werde i iele optische Geräte eigesetzt, z.b. i Spiegelreflexkameras. d) Die Abbildug ud der Strahlegag ähel eier Sammellise. Die Abbildug ud der Strahlegag ähel eier Sammellise.

12 Modul 93 Optik Brechug Aufgabe a) Das Licht wird zum Teil reflektiert ud tritt zum Teil is Glas hiei. Aufgabe 3 c) Eifallswikel α Reflexioswikel β Aufgabe 4 a) Das Licht wird beim Übergag om optisch düere Medium is optisch dichtere Medium zum Lot hi gebroche. Aufgabe 5 a) Beim Übergag om optisch dichtere Medium is optisch düere Medium, we der Eifallswikel grösser als der Grezwikel der Totalreflexio ist. Aufgabe 6 a) si α, T Aufgabe 7 We ei Lichtstrahl durch eie plaparallele Platte tritt, da ist der ausfallede Lichtstrahl a) zum eifallede Strahl parallel erschobe. Aufgabe 8 siα siα siα siα si α arcsi Aufgabe 9 siα α, T, T arcsi

13 Modul 93 Optik Brechug Aufgabe 0 siα siα siα siα si α arcsi Aufgabe siα siα siα siα.63 si α arcsi Aufgabe siα siα siα si siα si Es hadelt sich um Glas geaugeomme um sog. Flitglas. Flitglas ist ei Glas mit eiem hohe Gehalt a Bleioxid. Es hat eie erhältismässig hohe Brechzahl ud eie gleichmässige optische Dispersio. Die Brechzahl optischer Flitgläser liegt im Bereich o,5 bis,0. Optisches Flitglas wird i eier Reihe o optische Istrumete eigesetzt. Beispiele sid Ferrohre, Okulare oder Objektie o Kameras oder Brillegläser. Aufgabe 3 Bezugsgrösse sid die Vakuum-Lichtgeschwidigkeit ud die Vakuum Brechzahl. 6 m s m s Die Lichtgeschwidigkeit reduziert sich im optisch dichtere Medium.

14 Modul 93 Optik Brechug Aufgabe 4 siα, T.33 α, T arcsi arcsi arcsi Aufgabe 5 Bezugsgrösse sid die Vakuum-Lichtgeschwidigkeit ud die Vakuum Brechzahl. 6 m s 6 m 9 0 s.3 Aufgabe 6 siα, T 6 m 6 m siα, T si s s 6 m s siα, T. 76 si α, si T Aufgabe 7 siα siα siα siα.4 si si Es hadelt sich um Glimmer. Glimmer gehöre zu de häufigste gesteisbildede Mierale ud sid wichtige Bestadteile ieler Gesteie.

15 Modul 93 Optik Brechug Aufgabe 8 Eifalleder Lichtstrahl Lot L Ei Teil des Lichtes wird bereits a der Wasseroberfläche reflektiert. L Luft α β β x Die Lichtstrahle L ud L erlaufe parallel zueiader. Wasser α T 5 cm a Spiegel a) Da die Lichtstrahle L ud L parallel zueiader erlaufe, müsse gemäss Reflexiosgesetz α β β 45 betrage. Ergo ist der Wikel zwische eifalledem Strahl ud der Richtug, uter dem das Licht die Wasseroberfläche erlässt α + β b) siα siα siα α siα si arcsi taα T a a taα T ta 3. 5cm cm 9. 4cm x a 9.4cm 8. 8cm

16 Modul 93 Optik Brechug Aufgabe 9 Versuch: Strahlegag ohe ud mit Wasser: Müze ist für de Beobachter icht sichtbar. Müze wird durch Lichtbrechug sichtbar. Erklärug gerigere Wassertiefe : Bild der Müze Das Gehir geht aufgrud der Erfahrug dao aus, dass sich das Licht geradliig ausbreitet. Es erlegt deshalb de Ausgagspukt des Lichtbüdels a eie adere Stelle: Der Gegestad wird dort wahrgeomme, wo sich die rückwärts erlägerte Strahle des gebrochee Lichtbüdels scheide. Schaut ma flach auf die Wasseroberfläche, scheit der Gegestad höher zu liege. Der Grud dafür ist, dass das is Auge fallede Lichtbüdel stärker aus seier ursprügliche Richtug abgelekt wird.

17 Modul 93 Optik Brechug Aufgabe 0 Umwelt ausserhalb des Wassers: Der Fisch sieht die Umwelt ausserhalb des Wassers i eiem Kreis ud zwar erzerrt (siehe auch Aufgabe 9). Die Lichtbrechug erzerrt das Bild a der Kreisperipherie mehr als im Zetrum des Kreises. Umwelt ierhalb des Wassers: Ausserhalb dieses Kreises sieht er i eiem Kreisrig die Umwelt ierhalb des Wassers ud zwar uerzerrt. Grud: Die Objekte hier die Schecke werde a der Wasseroberfläche totalreflektiert.

18 Modul 93 Optik Brechug Aufgabe a) Licht om helle Utergrud gelagt durch die Wad des Becherglases is Wasser. Es trifft weiter durch die Wad des Becherglases a die Grezfläche zwische Glas ud Luft. Da Glas optisch dichter als Luft ist, ka es - we der Eifallswikel gross geug ist - zur Totalreflexio des Lichts am Reagezglas komme. Das totalreflektierte Licht trifft schiesslich is Auge ud "überstrahlt" dasjeige Licht, welches om Bleistift ausgehed is Auge gelagt. Ist der Utergrud hell geug (z.b. gut beleuchtete helle Tischplatte), so hat ma de Eidruck o eiem "ersilberte" Reagezglas. b) I dem ma Wasser i das Reagezglas eifüllt. Das Licht erleidet a der Grezfläche Glas Luft eie Totalreflexio. Diese erschwidet, we ma Wasser hieigiesst. Hätte das Reagezglas die gleiche Brechzahl wie das Wasser, so wäre es öllig usichtbar. Wissesfrage Aufgabe Atwort: Ja! Dies ist möglich, weil das Licht de Weg i beide Richtuge durchlaufe ka. Dies erklärt auch de Strahlegag o Aufgabe 8 bzw. das Bild 3 o Kapitel, Brechugsgesetz. Aufgabe 3 d) Totalreflexio Aufgabe 4 d) Weil der Ker eie grössere optische Dichte aufweist als der Matel. Aufgabe 5 a) Ker ) Core b) Matel 3) Claddig c) Schutzhülle ) Coatig Aufgabe 6 (Sigle-Mode)-Glasfaser mit eiem Kerdurchmesser o 9 µm ud eiem Mateldurchmesser o 5 µm.

19 Modul 93 Optik Brechug Aufgabe 7 Lichtwelle bzw. Lichtwelle Aufgabe 8 Idex bedeutet Brechugsidex Brechzahl. Aufgabe 9 c) Moomode-Faser Sigle-Mode-Faser oder Eimode-Faser Aufgabe 30 Die Brechzahl des Kers immt zum Matel hi kotiuierlich ab. Aufgabe 3 d) Dispersio Aufgabe 3 d) Violett Aufgabe 33 - Ifrarotstrahle - Ultraiolettstrahle Aufgabe 34 c) Totalreflexio Aufgabe 35 d) Brechug, Totalreflexio ud Dispersio Aufgabe 36 b) Spektralfarbe