Lichtbrechung

Nach einer kurzen Wiederholung zum Thema Spiegelbilder haben wir uns dem neuen Themenabschnitt „Lichtbrechung“ zugewendet. Hierzu gab es eine Hausaufgabe, bei der eine Münze in einer Tasse zu untersuchen war. Dabei sollte beobachtet werden, wie sich das Aussehen der Münze verändert, wenn langsam Wasser in die Tasse gegossen wird. Hierzu gab es folgende Bemerkungen:

• Zunächst (ohne Wasser) sieht man nur den hinteren Teil der Münze. Beim Eingießen erscheint langsam die Münze.
• Es scheint auch, als wenn die Münze langsam angehoben wird.
• Es wurde die Vermutung geäußert, dass dies mit der Oberfläche zu tun hat.

Steffen hatte einen Strohalm mitgebracht. Danach haben wir uns angeguckt, wie der Strohhalm – von oben betrachtet – seinen Verlauf unter der Wasseroberfläche verändert. Wir haben folgende Beobachtungen zum Strohhalm im Wasserglas gemacht:

• ist gerade, wenn er senkrecht im Wasser steht
• ist abgeknickt, wenn er schräg im Wasser steht
• Vermutung: Hängt dies mit der Oberfläche zusammen?
• Vermutung: Hängt dies mit dem Winkel zusammen?
• Wir sehen die Strohhalm – wenn dieser schräg im Wasser steht – an Orten wo er nicht ist

Die letzte Beobachtung erinnert uns an Spiegelbilder! Diese sind virtuell und zeigen uns die Gegenstände an Orten, wo sie nicht existieren!

Hierzu haben wir uns auch die folgenden Bilder mit einem Pinselstock in einem Glas angeguckt:

1. Pinselstock im ungefüllten Wasserglas:

2. Pinselstock im gefüllten Wasserglas:

3. Der Verlauf des Pinselstocks mit und ohne Wasser in einem Bild:

Wir konnten auch hier deutlich erkennen, wie mit dem Wasser der Pinselstock seine Richtung bei Wassereintritt verändert und wir auf einmal den Stock an anderen Stellen sehen. Wir fragten uns, wie dies angehen kann? Die wesentlichen Vermutungen waren, dass dies mit der Oberfläche und dem Wasser zusammenhängt.

Nun haben wir das Brechungsgesetz kennengelernt. Hierzu haben wir folgende Skizze erhalten, welche das Phänomen der Lichtbrechung veranschaulicht:

Hierzu haben wir folgenden Merksatz festgehalten:

Merksatz: Lichtbrechung

Wenn ein Lichtstrahl von einem durchsichtigen Körper in einen anderen durchsichtigen Körper übergeht, ändert sich die Richtung des Lichtstrahls. Mit Brechung bezeichnen wir die Richtungsänderung, die ein Lichtstrahl erfährt, wenn er von einem durchsichtigen Körper (Medium) in einen anderen optisch durchsichtigen Körper (Medium) übergeht (z.B. von Luft in Wasser). Einfallender Strahl (Einfallswinkel α), gebrochener Strahl (Brechungswinkel β) und Lot liegen in einer Ebene.
Neben der Brechung des Lichts wird ein Teil des Lichts auch an der Oberfläche reflektiert (Reflexionsgesetz).

Unter Lichtbrechung verstehen wir also die Richtungsänderung die ein Lichtstrahl erfährt, wenn dieser von einem optischen Medium (z.B. Luft) in ein anderes optisches Medium (z.B. Wasser) übergeht. Für eine erste Erklärung haben wir uns mit Marc – er ist der schnellste Läufer in der Klasse – folgendes Beispiel veranschaulicht:

Marc stellen wir uns als Lichtstrahl vor. Er läuft sehr schnell und gerade über eine schöne glatte Wiese und wir sehen uns das ganze von oben aus der Vogelperspektive an. Unter einem Einfallswinkel trifft er schließlich auf eine geradlinige Begrenzung von der grünen Wiese zum Acker und wir sehen, wie Marc schließlich diese Grenze erreicht und auf den Acker läuft. Dabei beobachten wir, wie Marc auf einmal seine Richtung leicht ändert und langsamer läuft. Klar, Marc fällt es viel schwerer auf dem unebenen Ackeruntergrund zu laufen.

In diesem Beispiel ist Marc der Lichtstrahl, die Wiese die Luft und der Acker das Wasser. Auf der Wiese muss Marc langsamer laufen und verändert automatisch ein wenig seine Laufrichtung.

Nun wollten wir uns in einem Schülerexperiment angucken, wie sich der Brechungswinkel verhält, wenn wir den Einfallswinkel verändern. Dies haben wir dann nicht mehr alles im Unterricht geschafft und werden wir in der nächsten Stunde fortsetzen.

Hausaufgabe: Wie hängt der Brechungswinkel mit dem Einfallswinkel zusammen. Alle Werte aus dem Versuch sind sorgfältig in einer Tabelle darzustellen. Auch soll eine grafische Darstellung erarbeitet werden (x-Achse: Einfallswinkel in Luft, y-Achse: Brechungswinkel in Plexiglas)