PhysProf - Lichtbrechung - Brechzahl - Prisma - Rechner - Lichtgeschwindigkeit

Fachthemen: Lichtbrechung - Lichtgeschwindigkeit - Brechzahl - Lichtquellen

PhysProf - Optik - Ein Programm zur Visualisierung physikalischer Sachverhalte mittels Simulationen und 2D-Animationen für die Realschule, das Berufskolleg, das Gymnasium, das Studium sowie für alle die sich für Physik interessieren.

Online-Hilfe für das Modul
zur Veranschaulichung des Verhaltens einer Lichtwelle, wenn diese von einem Medium in ein anderes übertritt.

Dieses Teilprogramm ermöglicht die Durchführung interaktiver Analysen zu diesem Fachthema sowie eine Untersuchung der entsprechenden physikalischen Sachverhalte.

Es unterstützt dabei ein tiefergehendes Verständnis zu diesem Themengebiet zu erlangen und kann zum Lösen vieler diesbezüglich relevanter Aufgaben eingesetzt werden.

 

Themen und Stichworte zu diesem Modul: Licht - Brechung - Brechungsgesetz - Refraktion - Brechung des Lichts - Snellius - Snelliussches Brechungsgesetz - Gesetz - Einfallswinkel - Ausfallswinkel - Lichtgeschwindigkeit - Ausbreitungsgeschwindigkeit - Lichtstrahl - Brechzahl - Brechungswinkel - Optik - Optisch - Strahlen - Lichtquelle - Lichtquellen - Lichtstrahlen - Planparallel - Planparallele Platte - Platte - Parallelverschiebung - Zeichnen - Lichtbrechung - Brechungszahl - Brechungsindex - Brechungsindizes - Einheit - Physikalische Einheit - Brechwinkel - Brechzahlen - n - Medium - Medien - Reflexion und Brechung - Prisma - Brechender Winkel - Ablenkung - Ablenkwinkel - Ablenkungswinkel - Ablenken - Lichteinfallswinkel - Winkel - Wirkung - Gesetzmäßigkeiten - Optische Dichte - Optisch dichter - Optisch dünner - Berechnen - Einführung - Was - Wie - Weshalb - Was ist - Warum - Erklärung - Einfach erklärt - Arbeitsblatt - Arbeitsblätter - Unterrichtsmaterial - Unterrichtsmaterialien - Lernen - Erlernen - Aufgaben - Lösungen - Physik - Physikalisch - Beispiel - Formel - Bild - Grafik - Grafische Darstellung

   

Modul Lichtbrechung

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Das Programmmodul [Optik] - [Lichtbrechnung] bietet die Möglichkeit das Verhalten einer Lichtwelle zu untersuchen, wenn diese von einem Medium in ein anderes übertritt.
 

Lichtbrechung - Abbildung 1
 

Lichtbrechung - Abbildung 2
 

Lichtstrahlen sind Linien, die als Modell zur Darstellung des Weges dienen, der vom Licht durchlaufen wird. Ein Lichtstrahl entstammt einem einzelnen Punkt von dem er sich geradlinig ausbreitet.
 
Als Brechung (Refraktion) wird die Änderung der Ausbreitungsrichtung einer Lichtwelle beim Übergang von einem Medium in ein zweites bezeichnet, in welchem diese eine andere Ausbreitungsgeschwindigkeit besitzt. Tritt eine Lichtwelle an der Grenze eines Mediums in ein anderes über, so ändern sich Ausbreitungsgeschwindigkeit und Ausbreitungsrichtung. Dieser Vorgang wird als Lichtbrechung bezeichnet.

Die Brechzahl (der Brechungsindex, früher Brechungszahl) n ist eine optische Materialeigenschaft, die ein Maß für die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in einem Medium ist.

Der Brechungswinkel (Brechwinkel oder brechender Winkel) beschreibt die Intensität, mit der ein Lichtstrahl beim Übergang von einem Medium in ein anderes abgelenkt wird.

Optische Dichte: Wenn ein Lichtstrahl auf seinem Weg von Medium 1 nach Medium 2 zum Einfallslot hin gebrochen wird, so besitzt Medium 1 eine kleinere optische Dichte und es ist optisch dünner. Im umgekehrten Fall ist dieses Medium optisch dichter.
 
 
1. Brechnungsgesetz:

 
Mit Hilfe des Brechungsgesetzes von Snellius (Snelliussches Brechungsgesetz) kann die Größe der Richtungsänderung ermittelt werden. Dieses lautet:
 

 

Geht das Licht vom Vakuum (auch Luft) in ein anderes über, so gilt: (Der Wert n wird als Brechzahl definiert)
 

 

Hierbei sind:

α: Einfallswinkel (zum Lot) [rad]

β: Brechungswinkel (zum Lot) [rad]

c₀: Lichtgeschwindigkeit (Ausbreitungsgeschwindigkeit) im Vakuum = 299 792 458 m/s

c₁,c₂: Lichtgeschwindigkeit in Medium 1 bzw. Medium 2 [m/s]

n,n₁,n₂: Brechzahlen bzw. Brechungsindizes
 

Die Bezeichnung des Winkels, der zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und dem Einfallslot existiert, lautet Einfallswinkel (Lichteinfallswinkel). Der Ausfallswinkel ist derjenige Winkel, der sich zwischen dem reflektierten Strahl und dem Einfallslot bildet.
 
Die Stärke der Brechung hängt von den Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Medien ab. Beim Übergang vom dünneren zum dichteren Medium (höhere Brechzahl, geringere Lichtgeschwindigkeit) tritt Brechung zum Lot auf. Hierbei kann der Einfallswinkel einen materialabhängigen Grenzwert nicht überschreiten. Ist der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel, so tritt Totalreflexion ein. Hierbei wird die gesamte Lichtenergie in das erste, also dichtere Medium reflektiert.
 
2. Planparallele Platte (Lichtbrechung an zwei parallelen Grenzflächen):

Beim Durchgang eines Lichtstrahls durch zwei planparallel liegende Flächen erfolgt keine Lichtbrechung, sondern lediglich eine Parallelverschiebung der Strahlen. Der Brechungswinkel an der ersten Grenzfläche entspricht in diesem Fall dem Einfallswinkel an der zweiten Grenzfläche. Es gilt:


 
a: Parallelverschiebung des Lichtstrahls [m]
d: Plattendicke [m]
α: Einfallswinkel des Lichtstrahls an erster Grenzfläche
β: Einfallswinkel des Lichtstrahls an zweiter Grenzfläche
 

Programmbedienung

Lichtbrechung an einer Fläche:

Wählen Sie den Kontrollschalter Brechung an einer Fläche, so können Sie die Zusammenhänge analysieren, welche zur Ermittlung der Brechzahl führen. Fokussieren Sie hierbei einen Mausfangpunkt und bewegen Sie diesen, so wird die Brechzahl für zwei Medien, durch welche der Lichtstrahl dringt, ermittelt und ausgegeben. Liegt die Brechzahl bei einem Wert von 1,33, so würde dies den Fall darstellen, wenn der Lichtstrahl von Luft (Medium 1) in Wasser (Medium 2) dringen würde, da Luft eine Brechzahl von 1 und Wasser eine Brechzahl von 1,33 besitzt.
 

Lichtbrechung an zwei Flächen (planparallele Platte):

Die zweite Option in diesem Modul ermöglicht es, die Zusammenhänge, welche bestehen wenn Licht durch eine planparallele Platte dringt, zu untersuchen. Aktivieren Sie hierzu den Kontrollschalter Brechung an zwei Flächen.

Beim Durchgang durch eine planparallele Platte erfährt ein Lichtstrahl keine Richtungsänderung, sondern lediglich eine Parallelverschiebung. Die Größe der Verschiebung hängt hierbei vom Einfallswinkel und der Dichte der Platte ab. Wird die gewünschte Plattendicke mit Hilfe des Rollbalkens Plattendicke eingestellt und werden die Positionen der Mausfangpunkte verändert, so wird der Wert a für die Parallelverschiebung des Strahls ermittelt und ausgegeben.
 

Lichtgeschwindigkeit

Bei der Lichtgeschwindigkeit c handelt es sich um eine Konstante, welche von der Frequenz der Strahlung abhängig ist. Sie ist in allen Medien kleiner als im Vakuum. Im Vakuum besitzt die Lichtgeschwindigkeit den Wert c₀ = 299 792 458 m/s.

In der nachfolgenden Tabelle ist die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Stoffen aufgeführt:
 

Medium	Lichtgeschwindigkeit c in km/s
Eis	229 000
Aceton	221 000
Ammoniak	226 000
Benzol	200 000
Brom	181 000
Chlor	220 000
Diamant	122 000
Ethanol	220 000
Flintglas	186 000
Kohlendioxid	266 000
Kronglas	197 000
Magnesiumoxid	173 000
Quarz	194 000
Steinsalz	194 000
Wasser	224 000

 

Lichtbrechung am Prisma

Bei der Lichtbrechung am Prisma ist die gesamte Ablenkung des Lichtstrahls abhängig vom Einfallswinkel an der ersten Grenzfläche sowie vom brechenden Winkel an dessen zweiter Grenzfläche (siehe nachf. Abb.).


Für die Gesamtablenkung (den Ablenkwinkel) δ des Lichtstrahls gilt:

δ = α₁ + β₂ - ω
 
δ: gesamte Ablenkung des Lichtstrahls
α₁: Einfallswinkel an erster Grenzfläche
β₂: Brechungswinkel an zweiter Grenzfläche
n: Brechzahl
ω: brechender Winkel

Ein symmetrischer Stahlengang liegt vor, wenn α₁ =  β₂. In diesem Fall kann zur Bestimmung der Brechzahl des Materials aus dem das Prisma besteht, die minimale Ablenkung δ_min verwendet werden. Hierbei gilt:


n: Brechzahl
δ_min: geringste Gesamtablenkung
ω: brechender Winkel
  

Brechzahl

Nachfolgend aufgeführt ist die Brechzahl für einige Medien. Die Angaben beziehen sich auf Luft bei 20°C und 1013 hPa für λ = 589,3 nm.
 

Medium	Brechzahl
Ammoniak	1,325
Benzol	1,5014
Calciumoxid	1,83
Chlorbenzol	1,527
Diamant	2,4173
Ethanol	1,3618
Flour	1,0002
Glycerin	1,455
Leinöl	1,486
Magnesiumoxid	1,736
Methanol	1,329
Plexiglas	1,491
Polystyrol	1,688
Quarz	1,544
Quarzglas	1,45886
Rizinusöl	1,478
Steinsalz	1,54425
Terpentinöl	1,47230
Wasser	1,33299

 

 
Eine Lichtquelle ist ein Ort, von dem Licht ausgeht. Als Lichtquellen werden Gegenstände bezeichnet, die Licht aussenden. Es wird unterschieden zwischen:
 
 - direkten Lichtquellen (Utensilien, die selbst leuchten)
 - indirekten Lichtquellen (beleuchtete Körper, die Licht reflektieren und somit sichtbar werden)

Bei direkten Lichtquellen erfolgt eine weitere Unterteilung in:

 - natürliche Lichtquellen
 - künstliche Lichtquellen

Beispiele für natürliche Lichtquellen:

    Sonne
    Sterne
    Blitz
    Feuer
    Polarlichter

Beispiele für künstliche Lichtquellen:

    Glühlampe
    LED
    Monitor
    Laser
    Leuchtstoffröhre
    Fernseher
 
  

 
Mit Hilfe dieses Programms lassen sich unter anderem Grafiken für Arbeitsblätter zur nichtkommerziellen Nutzung für Unterrichtszwecke erstellen. Beachten Sie hierbei jedoch, dass jede Art gewerblicher Nutzung dieser Grafiken und Texte untersagt ist und dass Sie zur Verfielfältigung hiermit erstellter Arbeitsblätter und Unterrichtsmaterialien eine schriftliche Genehmigung des Autors (unseres Unternehmens) benötigen.

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Dieses Programm eignet sich neben seinem Einsatz als Berechnungs- bzw. Animationsprogramm zudem zum Lernen, zur Aneignung entsprechenden Fachwissens, zum Verstehen sowie zum Lösen verschiedener Aufgaben zum behandelten Fachthema. Durch seine einfache interaktive Handhabbarkeit bietet es die auch Möglichkeit der Durchführung unterschiedlicher Untersuchungen hierzu. Es kann sowohl zur Einführung in das entsprechende Fachthemengebiet, wie auch zur Erweiterung des bereits hierzu erlangten Fachwissens genutzt werden.
 
Mittels der anschaulichen Gestaltung und leichten Bedienbarbarkeit der einzelnen Module dieser Software werden oftmals häufig gestellte Fragen mit den Anfangsworten Was ist?, Was sind?, Wie?, Wieviel?, Was bedeutet?, Weshalb?, Warum? zum entsprechenden Themengebiet auf verständliche Weise beantwortet und einfach erklärt sich durch dessen Benutzung vieles von alleine. Zudem liefert diese Applikation zu vielen gestellten Fragen eine verständliche Antwort, Beschreibung und Erklärung.
 

Eine kleine Übersicht in Form von Bildern und kurzen Beschreibungen über einige zu den einzelnen Fachthemengebieten dieses Programms implementierte Unterprogramme finden Sie unter Kurzbeschreibungen von Modulen zum Themengebiet Mechanik - Kurzbeschreibungen von Modulen zum Themengebiet Elektrotechnik - Kurzbeschreibungen von Modulen zum Themengebiet Optik - Kurzinfos zum Themengebiet Thermodynamik sowie unter Kurzbeschreibungen von Modulen zu sonstigen Themengebieten.

  

 

Hilfreiche Informationen zu diesem Fachthema sind unter Wikipedia - Brechung zu finden.
 

 

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Reflexion - Zerstreuungslinse - Sammellinse - Hohlspiegel - Reflexion am Spiegel - Beugung am Spalt - Plancksches Strahlungsgesetz
 

 

Unterprogramm Lichtbrechung
 

 

PhysProf 1.1 - Unterprogramm RLC-Kreis
 

MathProf 5.0 - Unterprogramm Kurven in Parameterform
 

SimPlot 1.0 - Grafik-  und Animationsprogramm für unterschiedlichste Anwendungszwecke

 

 

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