Physik HS 2011 / 2012

Transkript

1 Übungsblatt 9 1. Welche der nachfolgenden Grafiken stellt / stellen korrekt dar, wie sich der Brechungswinkel in Abhängigkeit vom Einfallswinkel verhält, wenn ein Lichtstrahl von Wasser nach Luft übergeht? (Beachten Sie: Die Achsen sind nicht bei allen Grafiken im gleichen Massstab gewählt.) A B C D E F 2. Beantworten Sie die Frage A1 auf Seite 20 im Buch: Was für eine Messkurve ist für hochbrechendes Glas (also Glas mit hohem Brechungsindex / einer vergleichsweise starken Lichtbrechung) zu erwarten? 3. Ein Lichtstrahl treffe auf die Grenzfläche zwischen zwei durchsichtigen Stoffen A und B. Beim Übergang des Lichtes von A nach B betrage der Einfallswinkel = 30 und der Brechungswinkel = 60. a) Welcher der Stoffe ist optisch dichter? b) Wenn ein Lichtstrahl vom Stoff B in den Stoff A übergeht und der Einfallswinkel 60 beträgt, wie gross ist dann der Brechungswinkel für diesen Übergang? Seite 1 / 6

2 4. Beim Sonnenuntergang erscheint die Sonnenscheibe nicht mehr kreisrund, sondern nimmt eine ovale Form an. Dieser Effekt ist auf die Brechung des Lichtes in der Atmosphäre zurückzuführen. a) Lesen Sie die Ausführungen zu diesem Thema auf Seite 20 (unten) im Buch. b) Erklären Sie anhand einer Skizze, wie die ovale Form zustande kommt: Verfolgen Sie in der Skizze den Strahlverlauf durch die Atmosphäre bei Sonnenuntergang für einen Strahl, der vom unteren und vom oberen Rand der Sonnenscheibe ausgeht. Überlegen Sie sich dann, welchen Einfluss die atmosphärische Lichtbrechung auf Strahlen vom linken und rechten Rand der Sonne hat. c) Weshalb ist der Rand der Sonnenscheibe nicht schön glatt, sondern erscheint zittrig / verschwommen? d) Bei Sonnenuntergang spiegeln sich die Strahlen der untergehenden Sonne im Meer und erzeugen einen Weg aus Licht. Ist dies auf Totalreflexion zurückzuführen? Begründen Sie Ihre Antwort. Übungsblatt 9 Seite 2 / 6

3 5. Lösen Sie die Aufgabe 13 von Seite 37 im Buch: Konstruieren Sie für die nachfolgend gegebenen Situationen den weiteren Lichtweg bis zum Wiederaustritt in die Luft (reflektierte Anteile müssen Sie nicht berücksichtigen). Sie können anstelle des Diagramms auf Seite 20 im Buch auch das untenstehende, äquivalente Diagramm verwenden. Die Konstruktionen können Sie direkt auf diesem Aufgabenblatt vornehmen Luft Wasser Brechungswinkel Luft Glas Einfallswinkel a) Glas Übungsblatt 9 Seite 3 / 6

4 b) M Wasser c) Glas d) Glas Übungsblatt 9 Seite 4 / 6

5 6. In untenstehender Grafik sind sechs verschiedene Kurven gegeben, die jeweils einen vorgeschlagenen Verlauf des Brechungswinkels in Abhängigkeit vom Einfallswinkel zeigen Brechungswinkel Einfallswinkel a) Fünf der obigen Kurven 1 bis 6 gehören zu den unten aufgelisteten Übergängen von Licht. Ordnen Sie den Übergängen A bis E die zugehörigen Kurven 1 bis 6 zu: A: von Luft (n 1.0) nach Wasser (n 1.3) gehört zu Kurve B: von Luft (n 1.0) nach Diiodmethan (n 1.7) gehört zu Kurve C: von Luft (n 1.0) nach Diamant (n 2.4) gehört zu Kurve D: von Wasser (n 1.3) nach Luft (n 1.0) gehört zu Kurve E: von Diiodmethan (n 1.7) nach Luft (n 1.0) gehört zu Kurve b) Bei welchen von den obigen Übergängen A bis E kann es zu Totalreflexion kommen? Wie gross ist dabei jeweils der Grenzwinkel? 7. a) Das Verhältnis s /s für den Übergang von Licht von Luft (n Luft 1) in den durchsichtigen Kunststoff Polymethylmethacrylat (PMMA), allgemein bekannt als Plexiglas, beträgt s /s Wie gross ist der Brechungsindex n PMMA von Plexiglas? b) Ist Plexiglas optisch dichter oder optisch dünner als Wasser (n Wasser = 1.33)? 8. Ein monochromatischer Lichtstrahl fällt mit einem Einfallswinkel von 45 auf eine Grenzfläche zwischen Luft und Wasser. Der Brechungsindex des Wassers sei Konstruieren Sie den Brechungswinkel und messen Sie ihn. (Für diese Genauigkeit ist es völlig ausreichend, wenn Sie mit n Luft = 1 rechnen; da die Abweichung zum tatsächlichen Brechungsindex sehr gering ist.) Übungsblatt 9 Seite 5 / 6

6 9. a) Wie gross ist der Brechungswinkel beim Übergang eines Lichtstrahls von Wasser (n Wasser = 1.33) nach Glas (n Glas = 1.5), wenn der Einfallswinkel 30 beträgt? b) Wie gross ist der Brechungswinkel im umgekehrten Fall? 10. Ein Lichtstrahl bewegt sich durch Glas mit einem Brechungsindex von n Glas = 1.5 und fällt auf eine Grenzfläche zu Luft (n Luft 1). a) Wie gross ist der Brechungswinkel, wenn der Einfallswinkel 30 beträgt? b) Wie gross ist der Einfallswinkel, wenn der Brechungswinkel 60 beträgt? c) Überlegen Sie sich, wie die Situation bei einem Einfallswinkel von 60 aussieht. 11. Rechnen Sie bei dieser Aufgabe jeweils mit einer Lichtgeschwindigkeit im Vakuum von c 0 = 300'000 km/s. a) Berechnen Sie die Lichtgeschwindigkeit in Wasser (n Wasser = 1.33). b) Diamant hat einen Brechungsindex von Berechnen Sie die Lichtgeschwindigkeit in Diamant. c) Sehr viele Getränkeflaschen werden heutzutage aus dem thermoplastischen Kunststoff Polyethylenterephthalat (besser bekannt unter der Abkürzung PET) hergestellt. PET hat einen Brechungsindex von n PET Wie gross ist die Lichtgeschwindigkeit in der Wand einer PET-Flasche. d) Eine Glasplatte habe einen Brechungsindex von n Glas = 1.5. Wie viele mal langsamer ist Licht in dieser Glasplatte als im Vakuum? e) Welchen Brechungsindex müsste ein Material haben, damit die Lichtgeschwindigkeit darin 150'000 km/s beträgt? f) Die Lichtgeschwindigkeit in einem Material betrage 250'000 km/s. Wie gross ist der Brechungsindex dieses Materials? g) Wie lange braucht ein Lichtstrahl bei senkrechtem Einfall, um eine d = 10 cm dicke Glasplatte mit Brechungsindex n = 1.5 zu durchqueren? 12. Ein Lichtstrahl gehe von Luft in einen unbekannten, durchsichtigen Stoff über; der Einfallswinkel betrage 45, der Brechungswinkel 30. Wie gross ist die Geschwindigkeit des Lichtes in dem unbekannten Stoff? Übungsblatt 9 Seite 6 / 6