Geheime Lichtbotschaften Lassen sich Lichtsignale über lange Strecken hinweg übertragen? Ja Nein Steine als Schaue dir den weißen Stein genauer an und kreuze deine Beobachtungen an! Was erkennst du beim Hindurchschauen? Der Stein ist durchsichtig. Der Stein ist nicht durchsichtig. Man erkennt keine Farbunterschiede. Man erkennt Farbunterschiede. Wie sieht der Stein von der Seite betrachtet aus? Der Stein ist durchsichtig. Der Stein ist nicht durchsichtig. Der Stein sieht von allen Seiten gleich aus. Einzelne Fasern sind dicht nebeneinander angeordnet. Wie fühlt sich der Stein an? Der Stein ist bearbeitet. Der Stein ist rau. Der Stein ist geschliffen. Der Stein ist glatt. Tippe den Stein von unten mit deinem Finger an. Was passiert? Der Finger wird auf der Steinoberfläche abgebildet. Der Finger wird auf der Steinseitenfläche abgebildet. 1
Lege den Stein auf diesen Text. Was passiert? Auf der Steinoberfläche erkennst du den Text, der unter dem Stein liegt. Wie sieht dabei der Stein von der Seite betrachtet aus? Der Stein ist unverändert. Der Text ist nicht erkennbar. Dieser Stein wird Ulexit genannt. Er ist ein Halbedelstein, der sich in austrocknenden Salzseen bildet. Fundorte befinden sich auf der ganzen Welt, selbst in Deutschland. Der Ulexit ist auch unter dem Namen TV-Stein oder Fernsehstein bekannt. Kannst du dir denken, warum? Unterlegte Schriften oder Bilder werden an der Steinoberfläche abgebildet. Beim Fernseher erscheint das Bild ebenfalls auf der Fernseheroberfläche. Kunststoff als Nimm das Kunststofffaserbündel in die Hand und führe dieselben Experimente wie oben durch! Was erkennst du beim Hindurchschauen? Das Faserbündel ist durchsichtig. Das Faserbündel ist nicht durchsichtig. Man erkennt keine Farbunterschiede. Man erkennt leichte Farbunterschiede. Wie sieht das Faserbündel von der Seite betrachtet aus? Das Faserbündel ist durchsichtig. Das Faserbündel ist nicht durchsichtig. Wie fühlt sich eine Kunststofffaser an? Die Kunststofffaser ist bearbeitet. Die Kunststofffaser ist rau. Das Faserbündel sieht von allen Seiten gleich aus. Einzelne Fasern sind dicht nebeneinander angeordnet. Die Kunststofffaser ist dünn. Die Kunststofffaser ist glatt. 2
Lege das Faserbündel in deine Hand und drücke es zusammen. Tippe nun das Bündel von unten mit deinem Finger an. Was siehst du an den Faserspitzen? Der Finger wird auf den Faserspitzen abgebildet. Der Finger wird auf die Seitenflächen abgebildet. Schalte die Kunststofffaserlampe an und stecke das Kunststofffaserbündel in die Lampe. Erkläre deine Beobachtungen! Das Licht der Lampe wird an den Spitzen der Fasern abgebildet. Schalte die Lampe vor dem nächsten Versuch aus! Glas als Vergleiche nun eine Glasfaser mit dem dicken, runden (nicht eckigen) Glasstab! Welche Gemeinsamkeiten haben sie? Sie sind Beide an den Seiten glatt und sie haben die gleiche Form. Meinst du, das Licht der Taschenlampe wird durch den Glasstab weitergeleitet? Probiere es aus! Nimm den dicken Glasstab in die Hand und leuchte mit der Taschenlampe auf die runde Fläche. Schreibe deine Beobachtungen auf! Die andere runde Fläche leuchtet. Das Licht wird durch den Glasstab geleitet. Wie sieht dabei der Glasstab von der Seite betrachtet aus? Das Licht bleibt im Glasstab, es kommt nichts heraus. Spielt die Form eine Rolle? Probiere es aus! Nimm den gebogenen Glasstab in die Hand und leuchte mit der Taschenlampe auf ein Ende. Was kannst du am anderen Ende beobachten? Das andere Ende leuchtet. Obwohl der Glasstab nun gebogen ist, wird das Licht hindurch geleitet. Können Glasfasern auch über längere Strecken Licht leiten? Ja Nein Probiere es mit den hier liegenden, längeren Glasfasern aus! 3
Fazit: Weder die Form, die Dicke noch die Länge der Glasfasern spielen bei der Leitung des Lichts eine Rolle. Wir haben bereits viele Materialien daraufhin untersucht, ob sie Licht weiterleiten. Weißt du noch, welche Materialien es waren? Glas, Plastik, Stein Durch welche Materialien könnte Licht ebenso gut geleitet werden? Zum Beispiel durch Wasser. Wasser als Gehe nun zum Aufbau mit der Wasserflasche! Fülle sie mit Wasser auf und stelle sie auf das Podest. Der auf der Flasche aufgemalte Kreis zeigt dabei in die Taschenlampe. Achte beim Auffüllen darauf, dass das Loch mit dem Pfropf dicht gemacht wird! Schalte jetzt die Taschenlampe an und halte sie gedrückt. Ein Anderer entfernt den Pfropf. Pass auf, denn der Lichtstrahl der Taschenlampe muss durch das Loch gehen! Halte den Finger in den Wasserstrahl. Was beobachtest du? Ich erkenne nichts Besonderes. Ich erkenne einen Lichtpunkt auf meinem Finger. Wie sieht der Wasserstrahl dabei von der Seite betrachtet aus? Ich erkenne nichts Besonderes. Der Wasserstrahl leuchtet von allen Seiten. Beleuchtet die Taschenlampe noch andere Stellen im Becken, oder wird das Licht der Taschenlampe nur durch den Wasserstrahl geleitet? Das Licht wird nur durch den Wasserstrahl geleitet. 4
Wusstest du? Glasfasern verfügen über viele praktische Anwendungen: Als transatlantische Telefonkabel: Diese verbinden Nordamerika über zwei Strecken mit Europa. Das Kabel ist 15 000 km lang, 5 cm dick und besitzt acht Glasfasern. In der Medizin: In einem Endoskop wird eine Glasfaser zur Beleuchtung von Hohlräumen in unserem Körper verwendet. In unseren Laboren an der Uni: Ein besonderes Licht, nämlich Laserlicht, wird von einem Labor ins nächste mittels n geschickt. Zusammenfassung Hast du alle Materialien untersucht? Dann finde unter allen untersuchten Eigenschaften das Merkmal eines s heraus! Dieses Merkmal muss eine Eigenschaft eines jeden s sein. Was ist somit das Merkmal eines s? Ein ist nicht durchsichtig. Ein ist dick und fest. Ein leuchtet von allen Seiten. Ein bildet in die Oberfläche ab. 5
Warum bleibt eigentlich das Licht in der Faser? Schalte die Lampe an und verdecke vier der fünf Lichtstrahlen mit der Schachtel. Lege den eckigen Glasstab vor den offenen Lichtstrahl (die kleine Fläche zeigt dabei zur Lampe). Wie ändert sich der Lichtweg im Glasstab, wenn du den Stab auf dem Tisch drehst? Male dazu die jeweiligen Strahlengänge in das Bild! Die zwei Lösungswörter sind im Buchstabenkäfig versteckt. Findest du sie? E F L E V O R T K T L I G I E R L D N E A T S Setze deinen Stift nur einmal an und verbinde die Buchstaben nacheinander. Dabei darf sich dein gezeichneter Strich nicht überkreuzen und du musst alle Buchstaben verwenden. Das leere Kästchen trennt die beiden Wörter! Der Lichtstrahl wird also (im Wasser, im Glas, ) an der Grenze zur Luft vollständig reflektiert. Dieses Phänomen wird in der Physik Totalreflexion genannt. 6
Wird Licht an der Grenze zur Luft immer vollständig reflektiert? Lege die halbrunde Glasfläche auf den schraffierten Bereich des laminierten Blattes. Die runde Seite zeigt zur Lampe und der Lichtstrahl zeigt auf die 0. (Die anderen Strahlen deckst du mit der Magnetfläche des eckigen Glasstabs ab.) Drehe nun das Blatt im Uhrzeigersinn und beobachte den Strahlengang im Glas und außerhalb davon. (Die Glasfläche bleibt auf dem Blatt liegen und wird nicht separat gedreht.) Der Winkel, um den du das Blatt gedreht hast, ist auf dem laminierten Blatt markiert. Beachte, dass der Lichtstrahl immer genau auf dem Strich liegt. Bis zu welchem Winkel passiert der gesamte Lichtstrahl das Glasobjekt? Nur bei 0 Zwischen welchen Winkeln siehst du sowohl den reflektierten, als auch den durchgehenden Strahl? Bei Winkeln zwischen 1 und 41 Ab welchem Winkel wird der Lichtstrahl vollständig reflektiert? Ab ca. 42 Das ist wichtig: können aus verschiedenen Stoffen hergestellt werden, zum Beispiel aus Kunststoff oder aus Glas. Das Merkmal eines s ist, dass er in die Oberfläche abbildet. Dabei wird ein, auf die Grenzschicht zwischen Glas und Luft treffender, Lichtstrahl vollständig reflektiert. Dieses Phänomen nennt man Totalreflexion. Der Auftreffwinkel des Lichtstrahls auf eine Glasoberfläche muss größer als ein kritischer Winkel sein. In unserer Gruppe betrug der Winkel _ca. 42 _. Der Winkel hängt vom Material und somit auch von der Qualität des verwendeten Glases ab. 7