PhysProf - Lichtbrechung

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

Lichtbrechung an einer Fläche

Lichtbrechung an zwei Flächen

Tritt eine Lichtwelle an der Grenze eines Mediums in ein anderes über, so ändern sich Ausbreitungsgeschwindigkeit und Ausbreitungsrichtung. Dieser Vorgang wird als Lichtbrechung bezeichnet.

Mit Hilfe des Brechungsgesetzes von Snellius 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 im Vakuum [m/s]

c₁,c₂: Lichtgeschwindigkeit in Medium1 bzw. Medium 2 [m/s]

n,n1,n2: Brechzahl
 

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.

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:

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.