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Physik-LK · Skript 4 · Wellenoptik

Brechung und Prisma

Licht wird an einer Grenzfläche gebrochen, weil es im Stoff langsamer läuft: n1 · sin(α1) = n2 · sin(α2). Die Frequenz bleibt dabei gleich, die Wellenlänge sinkt auf λMedium = λn. Weil n außerdem etwas von der Wellenlänge abhängt (Dispersion), fächert ein Prisma weißes Licht zum Spektrum auf.

So gehst du vor

  1. 1Teil A: Wähle einen Stoff und ziehe die Lichtquelle am Rand der Winkelscheibe. Der Strahl trifft immer die Mitte der geraden Fläche.
  2. 2Tippe für mindestens sechs Einfallswinkel auf „α1 und α2 in Tabelle“. Der Brechungswinkel wird wie an der Skala auf 0,5° abgelesen.
  3. 3Erst danach „Ausgleichsgerade und Auswertung zeigen“. Bei Stoff X löst du erst auf, wenn du n bestimmt hast.
  4. 4Teil B: Ziehe die Lichtquelle am Prisma, sieh dir das Spektrum auf dem Schirm an und nimm mit einfarbigem Licht die Ablenkung δ für mehrere Wellenlängen auf.
Einfallswinkel
40,0 °
Wellenlänge
589 nm

Stärke des reflektierten Strahls nach den Fresnel-Formeln für unpolarisiertes Licht. Der Strahl tritt durch die runde Seite senkrecht ein oder aus und wird dort nicht gebrochen.

Stoff

Einfallswinkel α1

40,0 °

Wellenlänge λ

589 nm

Lichtweg

Im Stoff: n = 1,500, λMedium = 393 nm. Die Frequenz ist in beiden Stoffen gleich.

A Brechzahl aus der Messreihe: sin(α1) über sin(α2)

Im Diagramm: sin(α1) über sin(α2). Aus der Luft (n1 = 1,00) ist die Steigung der Ursprungsgeraden die Brechzahl des Stoffs.

Nr.α1 in °α2 in °
0,00,20,40,60,80,00,20,40,60,81,0sin(α₂) sin(α₁)

Die Ablenkung δ ist der Winkel zwischen einfallendem und austretendem Strahl (bei Weißlicht für 550 nm gezeichnet). Der Stoff ist derselbe wie oben; ein Prisma aus Wasser wäre ein dünnwandiger Hohlkörper.

Einfallswinkel α1

50,0 °

Winkel an der Spitze γ

60 °

Licht

Für die Tabelle einfarbiges Licht wählen.

B Dispersion: Ablenkung δ über der Wellenlänge

Halte α1 und γ während der Messreihe fest. Die Tabelle wird beim Wechsel des Stoffs geleert.

Nr.λ in nmδ in °
40045050055060065070036,537,037,538,038,539,0λ in nmδ in °

Aufträge

  1. Skriptbeispiel: Stelle Glas, λ = 589 nm und α1 = 40° ein. Berechne vorher α2 und λGlas und vergleiche.
  2. Nimm für Wasser sechs Winkelpaare auf und bestimme n aus Tabelle A. Warum liegen die Punkte bei großen Winkeln besonders günstig?
  3. Wähle Stoff X und bestimme seine Brechzahl bei 589 nm. Löse erst danach auf.
  4. Schalte die Wellenfronten ein und ändere λ und den Stoff. Wie zeigt das Bild, dass die Frequenz gleich bleibt und die Wellenlänge sinkt?
  5. Zusatz: Stelle den Lichtweg Wasser → Luft ein und suche den Winkel, ab dem kein Licht mehr austritt. Vergleiche mit αg aus sin(αg) = n2n1.
  6. Skriptaufgabe „Prisma oder Gitter?“: Kronglas, α1 = 50°. Berechne die Brechungswinkel für n = 1,53 (400 nm) und n = 1,51 (700 nm) an der ersten Fläche. Schalte dann das Gitter dazu: In welcher Reihenfolge liegen die Farben, und wie breit ist das Spektrum jeweils?
  7. Zusatz: Verändere bei einfarbigem Licht α1 und beobachte den Schirm. Bei welchem Einfallswinkel ist die Ablenkung am kleinsten? Wie läuft der Strahl dann im Prisma?

Theorie: Skript Wellenoptik, Abschnitt „Reflexion und Brechung im Wellenbild“ mit dem Kasten zur Dispersion. Beugung am Gitter: Seite Spalt, Doppelspalt und Gitter.

Üben in Minærva Noctua

Fragen und Aufgaben zu den passenden Abschnitten im Skript: