Unterrichtseinheit Geometrische Optik

Unterrichtseinheit Geometrische Optik
Schulpraktisches Seminar 2, WS 2007
4.c-Klasse des BRG Kepler Graz
Name: Petra Katolnig
Nr. 5
Datum: 29.11.07
Thema:
Was passiert mit Licht, wenn es auf Glas trifft?
Ziele:
Beschreiben von Brechung als Lichtablenkung beim Übergang zwischen Medien
Messung der Lichtbrechung, Bestimmen der Brechzahl
Messung des Grenzwinkels der Totalreflexion
Phase
(Zeit)
10 min
Inhalt
Wiederholung der letzten Stunde
(Linsen) und Auflösung der
Aufgabenstellung
Brechung in der Linse
ca. 12 min Optische Dichte
Übergänge:
optisch dünn -> optisch dicht
optisch dicht -> optisch dünn
Kommentar
(Methoden, Medien)
Frage – Antwort von Schülern
Handout mit Auflösung
Zeichnungen an der Tafel
zwischendurch „Verständnisfragen“
Handout am Ende der Stunde
konstantes Verhältnis der Abstände der
Lichtstrahlen zum Lot
Totalreflexion
ca. 25 min Versuche zu Brechung und
Totalreflexion
ca. 3 min
Versuchsmaterial einsammeln,
Handouts austeilen
Schüler arbeiten selbstständig
Aufgabenblatt
Unterstützung falls Fragen
auftauchen
Was passiert mit Licht, wenn es auf Glas trifft?
1.) Verwende: Winkelscheibe, halbrundes Prisma, Lampe
Miss für folgende Einfallswinkel die Abstände des einfallenden und
des jeweils gebrochenen Lichtstrahls zum Lot:
α1= 20°
α2= 40°
α3=75°
Zeichne den Strahlengang und die Abstände a1, a2, a3 der
Einfallsstrahlen und die Abstände b1, b2, b3 der Ausfallsstrahlen in die
Skizze ein!
Berechne a1:b1, a2:b2, a3:b3
Was fällt dir auf?
2.) Schicke den Lichtstrahl nun von der abgerundeten Seite in das
Prisma und ziele genau auf den Mittelpunkt der flachen Seite.
Bei welchem Winkel tritt Totalreflexion auf?
Zusatzaufgabe: Verwende die Linse und die Lampe und strahle Licht auf die
flache Seite der Linse.
Wo liegt der Brennpunkt der Linse? Was fällt dir auf?
BRECHUNG
Brechung tritt auf, wenn Licht von einem lichtdurchlässigen Medium in ein anderes
lichtdurchlässiges Medium eintritt. Zusätzlich müssen die beiden Medien unterschiedliche
optische Dichten haben.
Optische Dichte: Sie wird dadurch bestimmt, wie schnell sich das Licht in einem Medium
ausbreiten kann.
optisch dünner
Luft
Luft
Wasser
optisch dichter
Wasser
Glas
Glas
Ein geringer Teil des einfallenden Lichtes wird immer reflektiert (z.B. Wasseroberfläche)
Die Winkel werden bei der Brechung immer zum Lot gemessen.
Die Brechung wurde schon in der Antike untersucht. Da die Winkel aber immer zur
Oberfläche des jeweiligen Mediums (z.B. Wasseroberfläche) gemessen wurden, konnte
keine Gesetzmäßigkeit zwischen Ein- und Ausfallswinkel gefunden werden. Das Lot ist
eine Hilfsgerade, die bereits von den Griechen eingeführt wurde. Erst mit der Messung
zum Lot (im 16. Jhd.) als Hilfsgerade, die im rechten Winkel zur Oberfläche steht, konnte
das Brechungsgesetz formuliert werden.
Licht wird je nach der Änderung der optischen Dichte gebrochen:
optisch dünn  optisch dicht
Der Einfallswinkel α ist größer als der
Ausfallswinkel β
und S1 > S2
(Brechung zum Lot)
Lot
optisch dünner
(z.B. Luft)
optisch dicht  optisch dünn
Der Einfallswinkel ist größer als der
Ausfallswinkel (Brechung vom Lot)
optisch dichter
(z.B.Glas)
Brechungsgesetz
Das Verhältnis S1 : S2 ist konstant und gibt
die Brechzahl des jeweiligen Mediums an
S 1 : S2 = n
Übergang von Luft in
N
Wasser
1,33
Plexiglas
1,50
Diamant
2,42
Totalreflexion: Sie tritt beim Übergang vom optisch
dünneren zum optisch dichteren Medium auf. Es gibt einen
Grenzwinkel, ab dem das Licht so stark gebrochen wird,
dass es nicht mehr über die Oberfläche des dichteren
Mediums hinauskommt, sondern reflektiert wird.
Bei Glas zu Luft ist der Grenzwinkel der Totalreflexion ca. 42°.