V18: Optische Grundphänomene

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1 V18: Optische Grundphänomene Experimente rund um die Eigenschaften des Lichtes HaSP Halles Schülerlabor für Physik Institut für Physik Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

2 Inhaltsverzeichnis 1 Inhaltsverzeichnis 1 Aufgaben 1 2 Grundlagen Brechffng ffnd Re exion Das Prisma Brechzahlbestimmffng linear polarisiertes Licht ffnd optische Aktifiität Kontrollfragen 6 4 Versuchsaufbau 7 5 Durchführung und Auswertung Gesetz fion Snelliffs Strahlengänge Lfft - Plexiglas Strahlengänge Lfft - Wasser Strahlengänge Plexiglas - Wasser Parallelfierschiebffng Totalre exion Strahlengang dffrch das Prisma Versffchsaffbaff Verschiebetisch Brechzahlbestimmffng mit dem Grenzflinkel der Totalre exion linear polarisiertes Licht ffnd optische Aktifiität Absorption Auswertung 10 Literaturverzeichnis 10 1 Aufgaben 1. Erarbeiten Sie praktisch das Re exionsgesetz ffnd das Gesetz fion Snelliffs mitels Strahlenfierläfffen an ffnterschiedlichen Grenz ächen. 2. Untersffchen Sie den Strahlengang dffrch ein Prisma.

3 2 2 G n la n 3. Untersffchen Sie die Strahlenfierläfffe dffrch ffnterschiedliche optische Körper. 4. Bestimmen Sie den Grenzflinkel der Totalre exion mit einer Halbkreisscheibe. 5. Bestimmen Sie die Drehrichtffng der optisch aktifien Medien ffnd deren Drehfiermögen in Abhängigkeit fion der Wellenlänge. 6. Untersffchen Sie das Re exionsfierhalten des roten ffnd grünen Lasers an einem roten ffnd grünen Filter. 2 Grundlagen Die geometrische Optik befasst sich mit den Erscheinffngen der Lichtaffsbreitffng in den Medien, die sich mit dem Strahlenbegri beschreiben lassen. Deshalb betrachten flir die Phänomene der Lichtre exion, der Lichtbrechffng ffnd die Totalre exion. Mit den folgenden Experimenten bilden flir eine Wissensbasis. Darafff rffht das Verständnis der Abbildffngen dffrch optische Linsen ffnd optische Grenz- ächen. Somit können flir die Fffnktionsfleise komplexer optischer Geräte (beispielsfleise Teleskop, Mikroskop, Lichtflellenleiter) ffnd affch die des menschlichen Affges fierstehen. 2.1 Brechung und Relexion Beim Afftre en eines Lichtstrahls afff eine Grenz äche zfleier Medien flird es in zflei Teilstrahlen, einen re ektierten (siehe Re exionsgesetz Formel 2.1) ffnd einen gebrochenen (siehe Gesetz fion Snelliffs Formel 2.3) zerlegt. α=α =α (2.1) β=β (2.2) sinα sinβ = n β n α = n αβ (2.3)

4 2.1 Brechung und Reflexion 3 Abbildung 1: Strahlenfierlafff bei Glasplate. Die Brechzahlen n i haben einen Index (α,β,γ,ffsfl.), der das jefleilige Verhältnis der Brechzahl zffm Vakffffm (n Vakffffm = 1, 00) bestimmt. Da sich die Brechzahl fion Lfft fion der des Vakffffms nffr ffm 0, 003% ffnterscheidet, flird häff g angenommen: Die Brechzahlen n i haben einen Index (α,β,γ,ffsfl.), der das jefleilige Verhältnis der Brechzahl zffm Vakffffm (n Vakffffm = 1, 00) bestimmt. Da sich die Brechzahl fion Lfft fion der des Vakffffms nffr ffm 0, 003% ffnterscheidet, flird häff g angenommen: n Vakffffm = n Lfft = n α (2.4) Brechzahlen ffnterschiedlicher Medien: optisches Mediffm Brechzahl Vakffffm n Vakffffm = 1,00 Lfft n Lfft = 1,00 Kronglas n K = 1,52 Flintglas n F = 1,62 schfleres Flintglas n SF = 1,74 Diamant n D = 2,42

5 4 2 G n la n Abbildung 2: Lichtaffstrit fiom optisch dichten zffm optisch dünneren Mediffm. Der uotient der Brechzahlen n α β= n β n α, der an der Grenz- äche fion Mediffm 1 zff Mediffm 2 entsteht, bestimmt den Strahlenfierlafff an der Grenz äche. uotient der Strahlenfierlafff Beispiel Brechzahlen an der Grenz äche n α β>1 Brechffng des Strahl geht fion Strahls zffm Lot hin Lfft in Glas n α β=1 keine Brechffng gleiche Medien n α β<1 Brechffng des Strahl geht fion Strahls fiom Lot fleg Glas in Lfft Die Parallelfierschiebffng b ergibt sich affs folgender Gleichffng: b=d sin(α β) (2.5) cosβ Ab einem bestimmten Winkel γ entsteht kein gebrochenerα-strahl, sondern nffr noch der re ektierteγ -Strahl. Damit gilt: sinα= n γ n α sinγ (2.6) γ Grenz = arcsin( n α n γ ) (2.7) 2.2 Das Prisma Affs dem Schfflffnterricht sind die optischen E ekte fion Prismen bereits bekannt. Dffrch die Brechffngen an seinen

6 2.3 Brechzahlbestimmung 5 Abbildung 3: Brechffng ffnd Totalre exion im Prisma. Grenz ächen flird polychromatisches Licht in seine Bestandteile zerlegt. Nffn flird lediglich der Verlafff eines monochromatischen Strahls ffntersffcht. Gleichffngssystem Prisma: δ=(α 1 +α 2 ) (β 1 +β 2 ) (2.8) δ=(α 1 +α 2 ) γ 1 (2.9) 2.3 Brechzahlbestimmung Die Brechzahl eines Mediffms kann dffrch ffnterschiedliche Methoden ermitelt flerden. Das ist zffm einen mit dem Grenzflinkel der Totalre exion ffnd zffm anderen dffrch den Winkel der geringsten Ablenkffng. Bei beiden Verfahren flird ein Extremflinkel gesffcht, affs dem die Brechzahl berechnet flerden kann. n β = 1 sinβ Grenz (2.10)

7 6 3 Kon oll a n 2.4 linear polarisiertes Licht und optische Aktivität Die Polarisation einer elektromagnetischen Welle, flie z. B. des Lichtes, beschreibt die Richtffng ihrer Schflingffng. Ändert sich diese Richtffng schnell ffnd ffngeordnet, spricht man fion einer ffnpolarisierten Welle. Im Normalfall ffmgibt ffns ffnpolarisiertes Licht. Dieses Licht kann dffrch einen Polarisator geordnet flerden. Er lässt nffr Licht einer bestimmten Affsbreitffngsrichtffng (bspfl. in x-richtffng) passieren ffnd ltert den Rest heraffs. Verflendet man zflei ffm 90 fierdrehte Polarisatoren, flird demnach das gesamte Licht ge ltert (in x- ffnd y-richtffng). Es existieren Medien, die polarisiertes Licht ffm einen bestimmten Winkel drehen können. Diese bezeichnet man als optisch aktifi. Ihre Dreheigenschaten können im oben beschriebenen Affbaff mitels zfleier Polarisatoren nachgefliesen ffnd ffntersffcht flerden. 3 Kontrollfragen 1. Wie fierläfft der Strahlengang dffrch ein Affge? Was ist Kffrz- bzfl. Weitsichtigkeit? 2. Was ist Totalre exion? Wo liegen Anflendffngsgebiete? 3. Wie fffnktioniert der Doppelspaltfiersffch? Was sagt er affs? 4. Wie fffnktioniert die additifie Farbmischffng, flie die sffbtraktifie? 5. Was ist linear polarisiertes Licht? Was ist ein Polarisator? Was sind optisch aktifie Medien?

8 7 4 Versuchsaufbau Das Experimentieren erfolgt mit den Baffteilen des Optik- Kits ür ür die Afffgaben 1-3(grüner Ko er inkl. grünem Laserλ g = 532nm) ffnd des Erfleiterffngskits ür die Afffgaben 4-8 (roter Ko er inkl. rotem Laserλ g = 650nm). Dazff sind Vordrffcke fiorhanden, afff denen die Experimentieranordnffngen afffgezeichnet sind. Es flird qffasi afff diesen Schablonen gearbeitet. Jedoch flerden diese flieder saffber abgegeben. 5 Durchführung und Auswertung 5.1 Gesetz von Snellius Strahlengänge Luft - Plexiglas Ein Laserstrahl flird im Winkelα(10 bis 80 ) zffm Lot afff die Probe Plexiglas geleitet. Messen Sie den Re exionsflinkelα ffnd den Brechnffngsflinkelβ. Berechnen Sie die Brechzahl n β ür jeden Winkel ffnd bilden Sie das arithmetische Mitel. Beobachten Sie den Re exiosstrahlα ffnd beschreiben Sie dessen Verlafff. Zeichnen Sie den Strahlenfierlafff ürα=30. Beachten Sie, dass der Strahl affch nach Verlassen des Mediffms Plexiglas fleitergeht Strahlengänge Luft - Wasser Ein Lichtstrahl flird im Winkelα(15, 20, 25, 30, 40 ) zffm Lot afff die Probe Wasserbehälter geleitet. Messen Sie den Brechffngsflinkel γ. Berechnen Sie die Brechzahl n γ ür jeden Winkel ffnd bilden Sie das arithmetische Mitel.

9 8 5 D n n A n Zeichnen Sie den Strahlenfierlafff ürα=40. Beachten Sie, dass der Strahl affch nach Verlassen des Mediffms Wasser fleitergeht Strahlengänge Plexiglas - Wasser Koppeln Sie den Laserstrahl im Plexiglas mit dem Winkelβ(10, 15, 20, 25 ) zffm Lot ein. Messen Sie den Brechffngsflinkelγ Wasser. Zeichnen Sie den gesamten Strahlenfierlafff in Medien Lfft - Plexiglas - Wasser - Lfft ürβ= Parallelverschiebung Messen ffnd berechnen Sie die Parallelfierschiebffng b, die dffrch die planparallele Plate herfiorgerfffen flird, ür die Winkelα(10, 20, 30, 40, 50 ). Die Parallelfierschiebffng flird senkrecht zffm Strahl gemessen. Von flelchen Faktoren ist die Parallelfierschiebffng abhängig? Begründen Sie Ihre Angaben. Zeichnen Sie den gesamten Strahlenfierlafff ür die Einfallsflinkelα(10, 30 ffnd 50 ) in eine Skizze des Versffchsaffbaffs Totalrelexion Führen Sie den Versffch Totalre exion mit der Plexiglasplate dffrch ffnd skizzieren Sie den Strahlengang des Versffchsaffbaffs. Berechnen Sie den Winkelα 2 affs dem Winkelα 1 = 25. Berechnen Sie damitβ 1,β 2,β 3 ffndβ 4. Verflenden Sie n β affs Versffch 1.1. Warffm ndet beim Übergang fionβ 2 zffβ 3 Totalre- exion stat?

10 5.2 Strahlengang durch das Prisma Strahlengang durch das Prisma 1. Der Einfallsflinkel zffm Lot istα 1 (25, 30 ffnd 35 ). Messen Sie den Affsfallsflinkelα 2 oderα 4. Das Prisma hat einen Brechffngsindex fion n Prisma = 1, 5. Der Spitzenflinkel beträgtγ = 60. Berechnen Sie die Gesamtablenkffngδdes Prismas. 2. Der Einfallsflinkel zffm Lot istα 1 (10, 15, 20 ). Beobachten Sie den Strahlengang. Erklären Sie diese Erscheinffng. 5.3 Versuchsaufbau Verschiebetisch Legen Sie die 2-dimensionalen Prismen ffnd Linsen nacheinander afff den Verschiebetisch ffnd erklären Sie den Strahlenfierlafff ffnd betrachten Sie affch störende Strahlen. 5.4 Brechzahlbestimmung mit dem Grenzwinkel der Totalrelexion Die Einstrahlffng erfolgt an der kreis örmigen Grenz äche der Halbkreisscheibe. Bestimmen Sie den Grenzflinkel β Grenz ffnd daraffs die Brechzahl n β. 5.5 linear polarisiertes Licht und optische Aktivität Monochromatisches Licht trit afff einen Polarisator P1. Es entsteht linear polarisiertes Licht, mit dem die Drehrichtffng der optisch aktifien Medien (P1, P2, P3) bestimmt flerden kann. Beschreiben Sie fleiterhin das Drehfiermögen in Abhängigkeit fion der Wellenlänge (roter bzfl. grüner Laser).

11 10 L a 5.6 Absorption Mit monochromatischem Licht (rot ffnd grün) flird das Re- exionsfierhalten an monochromatischen Filtern ffntersffcht. In flie fleit hängt das Transmissionsfierhalten fion der Wellenlänge des ankommenden Lichtes ffnd der Materialeigenschat des zff ffntersffchenden Körpers (Farb lters) ab? 6 Auswertung Literatur