Demonstrationsexperimente WS 2005/06 Brechung und Totalreflexion
Werbung
Demonstrationsexperimente WS 2005/06 Brechung und Totalreflexion Susanne Hoika 28. Oktober 2005 1 1.1 Versuchsbeschreibung Versuchsaufbau Auf einem Dreifuß wird eine Stativstange montiert und darauf eine Experimentierleuchte befestigt. Auf die Lampe wird ein Vorsatzrohr, eine Sammellinse, die den Lichtstrahl kollimiert, und ein Blendenhalter aufgesteckt. In den Blendenhalter wird eine Blende mit einem Schlitz geschoben, so dass der Schlitz waagrecht ist. Auf einem weiteren Dreifuß wird eine Stativstange montiert und darauf eine Optische Scheibe befestigt, so dass man sie drehen kann. Mit Hilfe eines Klemmbügels kann ein Halbkreiskörper aus Plexiglas so auf die Optische Scheibe geklemmt werden, dass seine plane Seite mit der Durchmesserlinie der Optischen Scheibe zusammenfällt und der Mittelpunkt des Halbkreises auf dem Mittelpunkt der Optischen Scheibe liegt. Die Lampe kann nun an die Stromversorgung (12 V) angeschlossen werden. 1 Abbildung 1: Versuchsaufbau 1.2 Versuchsvorbereitung Damit die Lichtstrahlen auf der Optischen Scheibe gut sichtbar sind, muss man den Raum abdunkeln. Die Spannungsversorgung wird eingeschaltet. Wenn der Strahl nicht gut genug kollimiert (d. h. nicht parallel und daher nicht scharf genug ist), muss man die Glühwendel im Gehäuse verschieben bis der Strahl kollimiert b G bei der Abbildung am Kondensor). (Glühwendel = 2 1.3 Versuchsdurchführung Abbildung 2: Licht geht durch Die Optische Scheibe wird so gedreht, dass der Lichtstrahl genau auf die Mitte der planen Fläche des Halbkreiskörpers trifft. Die Richtung des Lichtstrahls verändert sich beim Austritt aus dem Körper nicht, da er stets senkrecht darauf trifft. Abbildung 3: Brechung zum Lot hin Die Optische Scheibe wird im Uhrzeigersinn gedreht, so dass der Lichtstrahl schräg auf die plane Fläche des Halbkreiskörpers trifft. Beim Übergang vom optisch dünneren Medium (Luft) ins optisch dichtere Medium (Glas) wird ein Teil des einfallenden Lichtstrahls nach dem Reflexionsgesetz reflektiert, der Rest zum Lot hin gebrochen. Der Einfallswinkel α ist größer als der Brechungswinkel β. 3 Abbildung 4: Brechung vom Lot weg Die Optische Scheibe wird weiter im Uhrzeigersinn gedreht, so dass der Lichtstrahl schräg auf die runde Fläche des Halbkreiskörpers trifft. Beim Übergang vom optisch dichteren Medium (Glas) ins optisch dünnere Medium (Luft) wird ein Teil des einfallenden Lichtstrahls nach dem Reflexionsgesetz reflektiert, der Rest vom Lot weg gebrochen. Der Einfallswinkel β ist kleiner als der Brechungswinkel α. Abbildung 5: Brechungwinkel 90◦ Wenn man die Optische Scheibe weiter im Uhrzeigersinn dreht, erhält man beim Übergang vom optisch dichteren Medium (Glas) ins optisch dünnere Medium (Luft) einen Brechungswinkel α von 90◦ . 4 Abbildung 6: Totalreflektion Wenn man die Optische Scheibe noch mehr im Uhrzeigersinn dreht, wird ab einem bestimmten Einfallswinkel - dem sogenannten Grenzwinkel - das Licht nicht mehr gebrochen, sondern total reflektiert. Totalreflexion gibt es nur beim Übergang vom optisch dichteren (Glas) ins optisch dünnere Medium (Luft). 2 Lernvoraussetzungen • Kenntnis des Modells des Lichtstrahls • Wissen, dass Licht sich geradlinig ausbreitet • Kenntnis des Reflexiongesetzes – Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß – Einfallender Strahl, Lot und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene – Bei der Reflexion ist der Lichtweg umkehrbar 3 Lernziele dieses Versuches 3.1 Grobziele • Bewusstsein, dass Licht an durchsichtigen Medien gebrochen bzw. total reflektiert wird. • Kenntnis des Experiments zur Brechung und Totalreflexion • Kenntnis des Brechungsgesetzes von Snellius 5 3.2 Feinziele • Wissen, dass beim Übergang vom optisch dünneren Medium ins optisch dichtere Medium ein Teil des einfallenden Strahls reflektiert und der Rest zum Lot hin gebrochen wird • Wissen, dass der Brechungswinkel beim Übergang vom optisch dünneren Medium ins optisch dichtere Medium kleiner als der Einfallswinkel ist • Wissen, dass beim Übergang vom optisch dichteren Medium ins optisch dünnere Medium ein Teil des einfallenden Strahls reflektiert und der Rest vom Lot weg gebrochen wird • Wissen, dass der Brechungswinkel beim Übergang vom optisch dichteren Medium ins optisch dünnere Medium größer ist als der Einfallswinkel • Bewusstsein, dass einfallender, reflektierter und gebrochener Strahl und das Einfallslot in einer Ebene liegen. • Wissen, dass beim Übergang vom optisch dichteren Medium ins optisch dünnere Medium bei einem bestimmten Einfallswinkel α der einfallende Strahl um 90◦ gebrochen, bei einem etwas größeren Einfallswinkel - dem sogenannten Grenzwinkel - dieser total reflektiert wird. • Wissen, dass bei der Brechung der Lichtweg von einfallendem und gebrochenem Lichtstrahl umkehrbar ist. • Kenntnis, dass der Quotient aus dem Sinus des Einfallswinkels α und aus dem Sinus des Brechungswinkels β die Brechungszahl n des Stoffes gegenüber Luft α (Brechungsgesetz von Snellius) liefert: n = sin sin β 4 Bezug zu einem übergeordneten Unterrichtsthema Licht an Grenzflächen 5 Experimentelle Alternativen, um das Brechungsgesetz zu zeigen Anstatt eines Halbkreiskörpers nimmt man ein Prisma aus Glas. Beim Prisma kann man die Doppelbrechung und die Totalreflexion zeigen. Ansonsten kann hat folgende experimentelle Alterantiven: optische Magnettafel, Stecknadelversuch, Taschenlampe 6 6 Mögliche bzw. notwendige Modifikation des Gruppenexperiments bei Einsatz als Demonstrationsexperiment Die Schüler sollen am Ende der Stunde die Möglichkeit haben, selber mal an der Optischen Scheibe zu drehen und zu sehen, wie der Lichtstrahl bei unterschiedlichen Winkeln gebrochen wird. So bleibt es den Schülern besser im Gedächtnis. Da dies sicherlich nicht gern gesehen ist, weil die Apparatur dabei kaputt gehen könnte, würde sich ein Stecknadelversuch anbieten, den jeder Schüler selbst durchführen kann. Als Modifikation könnte man die Blende austauschen und eine Blende mit einem Gitter (mehrere waagrechte Schlitze) in die Blendenhalterung schieben. Durch das Gitter, wird das Licht in seine Spektralfarben zerlegt. Das dient auch als Motivation auf einer der nächsten Stunden, in denen das Lichtspektrum besprochen wird. 7 Unterrichtsverfahren Modifiziertes Normalverfahren 7.1 Sozialformen Unterrichtsgespräch 7.2 Lehrform(en) und Lernformen (= Aktionsformen) Erarbeitende bzw. darbietende Lehrform 7.3 Motivationssituation oder Einstiegssituation In einem mit Wasser gefülltem Behälter wird ein Stab 8 b-270(un)ichdGrdas 8 Sicherung der Lernziele Brechung und Totalreflektion (Überschrift wird anfangs weggelassen!) Übergang vom optisch dünneren Medium (Luft) ins optisch dichtere Medium (Glas): Einfallswinkel α Brechungswinkel β sin α sin β 0◦ 15◦ 30◦ 45◦ 60◦ sin α sin β Übergang vom optisch dichteren Medium (Glas) ins optisch dünnere Medium (Luft): (Die oben gemessenen Brechungswinkel β sind hier als Einfallswinkel β einzutragen) Einfallswinkel β Brechungswinkel α sin β sin α sin α sin β Bei der Brechung ist der Lichtweg von einfallendem und gebrochenem Lichtstrahl umkehrbar. Brechung tritt nur beim Übergang von einem durchsichtigen Medium in ein anderes durchsichtige Medium statt. n1 · sin α = n2 · sin β Brechungsgesetz von Snellius: n2 n1 = sin α sin β n1 bzw. n2 sind Brechzahlen Definition der Brechzahl von Luft: n=1 Brechungszahl n des Stoffes gegenüber Luft: n= 8 sin α sin β Der Lichtstrahl trifft genau auf die Mitte der planen Fläche des Halbkreiskörpers. Seine Richtung verändert sich beim Austritt aus dem Körper nicht, da er stets senkrecht darauf trifft. Der Lichtstrahl trifft schräg auf die plane Fläche des Halbkreiskörpers. Es findet ein Übergang vom optisch dünneren Medium (Luft) ins optisch dichtere Medium (Glas) statt. Dabei wird ein Teil des einfallenden Lichtstrahls nach dem Reflexionsgesetz reflektiert, der Rest wird zum Lot hin gebrochen. Der Einfallswinkel ist größer als der Brechungswinkel. Der Lichtstrahl trifft schräg auf die runde Fläche des Halbkreiskörpers trifft. Es findet ein Übergang vom optisch dichteren Medium (Glas) ins optisch dünnere Medium (Luft) statt. Dabei wird ein Teil des einfallenden Lichtstrahls nach dem Reflexionsgesetz reflektiert, der Rest wird vom Lot weg gebrochen. Der Einfallswinkel ist kleiner als der Brechungswinkel. Bei einem bestimmten Einfallswinkel wird ein Teil des einfallenden Lichtstrahls nach dem Reflexionsgesetz reflektiert, der Rest wird um 90◦ gebrochen. 9 Ab dem sogenannten Grenzwinkel wird das Licht nicht mehr gebrochen, sondern total reflektiert. Totalreflexion gibt es nur beim Übergang vom optisch dichteren (Glas) ins optisch dünnere Medium (Luft). (Diese Tabelle sollte als Arbeitsblatt ausgeteilt werden, wobei im Text und in den Grafiken Lücken enthalten sind.) Beispiele für Brechung in der Umwelt: Beispiele für Totalreflexion in der Umwelt: 9 Lernzielkontrollen Die Schüler sollen den Lückentext bzw. die Lückengrafiken vervollständigen, sich den Hefteintrag ansehen und im Buch die entsprechenden Seiten dazu nachlesen. Zudem sollen sie sich Beispiele überlegen, wo überall in der Umwelt Brechung bzw. Totalreflektion auftritt. In der nächsten Stunde wird ein Schüler im Rahmen einer Abfrage die Brechung und Totalreflexion am Versuch erklären. Er soll seine Überlegungen, wo Brechung bzw. Totalreflektion überall auftritt, mitteilen. Nach der Abfrage werden noch weitere Beispiele gesammelt und ein paar ins Heft notiert. 10
