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Brechung des Lichts

SchulversuchOptikKlasse 7Standard

Worum geht es?

Beim Übergang zwischen zwei durchsichtigen Stoffen knickt der Lichtweg an der Grenzfläche: . Die Richtung des Knicks ist geregelt (ins dichtere Medium zum Lot hin, heraus vom Lot weg), und sein Ausmaß auch: Das Verhältnis sin⁡αsin⁡β\frac{\sin\alpha}{\sin\beta} ist für ein Stoffpaar konstant, es ist die Brechzahl nn. Die Regel hat eine dramatische Konsequenz: Oberhalb eines Grenzwinkels kommt Licht aus dem dichteren Stoff gar nicht mehr heraus. Diese Totalreflexion ist das Funktionsprinzip jeder Glasfaser.

Warum macht man dieses Experiment?

ist die dritte und letzte Grundregel der Strahlenoptik. Mit ihr sind , Auge, Brille, Regenbogen und Fata Morgana erklärbar. Und die Totalreflexion trägt buchstäblich das Internet: Fast der gesamte Datenverkehr der Welt läuft als gefangenes Licht durch Glasfasern. Der Wasserstrahl-Versuch von 1841 ist ihr direkter Vorfahr.

Die physikalische Idee

Vier Stufen: (1) Alltagsphänomene sammeln und mit dem Knick-Bild deuten. (2) An der Halbkreis-Wasserkammer die Winkelreihe messen: Ist sin α / sin β konstant? (3) Den Lichtweg umdrehen: von innen gegen die Grenzfläche, den Winkel steigern und den Verschwinde-Winkel des gebrochenen Strahls aufsuchen. (4) Die Anwendung: Licht im Wasserstrahl und in der Glasfaser einsperren.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

  • Reflexionsgesetz und Lot (Experiment ebener Spiegel)
  • Geradlinige Ausbreitung (Experiment)

Wissenschaftliche Einordnung

Ptolemäus vermaß Brechungswinkel schon um 150 n. Chr., fand aber kein Gesetz, denn er suchte es in den Winkeln statt in ihren Sinus-Werten. Snellius (1621) und Descartes formulierten es richtig; Fermat leitete es 1662 aus seinem Prinzip der schnellsten Ankunft her. Colladons Wasserstrahl-Demonstration von 1841 wurde 125 Jahre später zur Glasfaser, und Kao erhielt 2009 den Nobelpreis dafür.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Das Brechungsgesetz messen

Prüfe an der Halbkreis-Wasserkammer, ob sin⁡αsin⁡β\frac{\sin\alpha}{\sin\beta} für alle Einfallswinkel denselben Wert hat, und bestimme so die Brechzahl von Wasser.

Gesucht

  • — Brechzahl von Wasser

    Der einheitenlose Quotient der Sinus-Werte; er ist konstant, wenn das Gesetz stimmt.

Gemessen

  • — Einfallswinkel (Luft, zum Lot) (in )

    An der Winkelscheibe eingestellt: die unabhängige Größe.

  • — Brechungswinkel (Wasser, zum Lot) (in )

    Am gebrochenen Bündel abgelesen: die abhängige Größe.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Die geprüfte Hypothese: das Snelliussche Brechungsgesetz.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

Miss für die Einfallswinkel 20°, 30°, 45° und 60° (Luft → Wasser, ebene Kammerfläche im Scheibenzentrum) jeweils den Brechungswinkel, bilde sin α / sin β und prüfe die Konstanz.

2Vorbetrachtung

Warum ausgerechnet eine Halbkreis-Kammer? Jede Messung braucht einen sauberen einzelnen Übergang. Bei einer eckigen Küvette bräche das Licht zweimal, beim Eintritt und beim Austritt, und die Winkel wären nicht mehr zuzuordnen. Der Halbkreis löst das geometrisch: Der Strahl zielt auf den Mittelpunkt der ebenen Seite und trifft die runde Außenwand dadurch immer senkrecht, dort gibt es also keinen Knick (Richtungsregel!). Gemessen wird ausschließlich der eine Übergang im Zentrum. Die Bauform ist angewandte Brechungsregel.

Warum die Sinus-Werte? Der erste Blick auf Messdaten legt „β ist proportional zu α“ nahe. Bei kleinen Winkeln stimmt das fast (20° → 15° ist Faktor 0,75; 30° → 22° ist 0,73), bei großen bricht es zusammen (60° → 41° ist 0,68). Die Winkel selbst tragen also kein festes Verhältnis; genau daran scheiterte Ptolemäus, und nach ihm 1500 Jahre lang alle anderen. Der Prüfauftrag lautet deshalb: Teste stattdessen sin⁡α/sin⁡β\sin\alpha / \sin\beta. Erst diese Größe soll konstant sein.

3Geräte / Stoffe

Die ebene Kammerfläche genau auf die Durchmesserlinie der Scheibe stellen und den Strahl stets auf den Mittelpunkt richten. Die Kammer blasenfrei füllen und den Raum abdunkeln, damit die Bündel ablesbar sind.

  • Halbkreis-Wasserkammer auf Winkelscheibe

    Der Trick des Aufbaus: Trifft der Strahl die Rundseite mittig, durchquert er sie ungebrochen. Gemessen wird dann nur der Übergang an der ebenen Fläche.

  • Leuchte mit Spaltblende

    Ein schmales Bündel für ablesbare Winkel.

  • PET-Flasche mit Loch + Laser

    Der historische Lichtleiter: Der Strahl folgt dem gebogenen Wasserstrahl.

  • Glasfaser-Demostück

    Die Totalreflexion als Datenkabel. Licht kommt auch am Ende gekrümmter Wege an.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Winkelscheibe mit Halbkreiskammer: einfallendes Bündel, Lot, gebrochenes Bündel zum Lot geknickt; Austritt durch die Rundwand senkrecht und knickfrei.

Luft · n₁ = 1,00Wasser · n₂ = 1,33Lotαβn₂ > n₁: Brechung ZUM Lot (α > β)

Der Übergang Luft → Wasser: Der gebrochene Strahl knickt zum Lot hin. Einfalls- und Brechungswinkel werden beide am Lot gemessen, wie bei der .

Wasser · n₁ = 1,33Luft · n₂ = 1,00Lotαα > α_G ≈ 49°: kein gebrochener Strahl

Der umgekehrte Weg oberhalb des Grenzwinkels: Es gibt keinen gebrochenen Strahl mehr, die Grenzfläche wirkt als perfekter Spiegel. Das ist die Totalreflexion.

Aufbau: Winkelscheibe mit Halbkreis-Wasserkammer (oder Halbkreis-Glaskörper), Leuchte mit Spaltblende; Wasserglas mit Bleistift, undurchsichtiger Becher mit Münze; PET-Flasche mit seitlichem Loch, Laserpointer (Klasse 1/2), Wanne; Glasfaser-Demonstrationsstück.

5Durchführung

Zuerst der Sonderfall α = 0 (Erwartung: kein Knick), dann die vier Einstellungen, jeweils zweimal abgelesen. Zu jeder Zeile sofort sin α, sin β und den Quotienten berechnen.

6Beobachtung

Winkelreihe Luft → Wasser
α\alphaβ\betasin⁡α\sin\alphasin⁡β\sin\betasin⁡αsin⁡β\frac{\sin\alpha}{\sin\beta}
0°0°00—
20°15°0,3420,2591,32
30°22°0,5000,3751,33
45°32°0,7070,5301,33
60°41°0,8660,6561,32

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Die richtige Größe ist gefunden: Während das Winkelverhältnis von 0,75 auf 0,68 abrutscht, steht der Sinus-Quotient über die ganze Reihe fest: n=1,32n = 1{,}32 bis 1,331{,}33. Der Literaturwert für Wasser ist 1,331{,}33, getroffen im Prozentbereich. Das Brechungsgesetz ist bestätigt, und die Brechzahl ist gleich mitgemessen. Eine einzige Konstante beschreibt den Übergang für alle Winkel.

Was die Brechzahl bedeutet: nn ist das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeiten. Licht läuft in Wasser 1,33-mal langsamer als in Luft. Das anschauliche Bild dazu: Eine Kolonne, die schräg von Asphalt auf Sand wechselt, schwenkt ein, weil die sandseitige Flanke zuerst gebremst wird. Das macht die Knickrichtung plausibel (zum Lot beim Abbremsen). Der strenge Zusammenhang zwischen Tempoverhältnis und Sinusverhältnis wird erst in der Oberstufe im Wellenmodell hergeleitet; hier nehmen wir ihn als gemessenes Gesetz.

Die Vorhersagekraft ist sofort nutzbar: Für Glas (n=1,5n = 1{,}5) sagt das Gesetz bei α=45°\alpha = 45° voraus: sin⁡β=0,707/1,5=0,471\sin\beta = 0{,}707/1{,}5 = 0{,}471, also β=28°\beta = 28°. Wer die Kammer gegen einen Halbkreis-Glaskörper tauscht, kann das in einer Minute prüfen. Ein Gesetz, alle durchsichtigen Stoffe.

8Fazit

sin⁡αsin⁡β\frac{\sin\alpha}{\sin\beta} ist über alle gemessenen Winkel konstant 1,33: das Brechungsgesetz mit der Brechzahl von Wasser. Nicht die Winkel, sondern ihre Sinus-Werte tragen das feste Verhältnis. Damit steht die dritte und letzte Grundregel der Strahlenoptik.

9Fehlerbetrachtung

Die Halbkreis-Geometrie ist die Achillesferse der Messung:

Strahl nicht auf den Kammermittelpunkteher systematisch

Ursache

Der Austritt durch die Rundwand erfolgt dann nicht senkrecht, und es entsteht ein zweiter Knick.

Auswirkung

β ist systematisch verfälscht, und der Quotient driftet mit α.

Verbesserung

Den Mittelpunkt markieren und den Auftreffpunkt vor jeder Messung kontrollieren.

Kammerfläche neben der Scheibenachseeher systematisch

Ursache

Grenzfläche und Winkelskala haben verschiedene Bezugspunkte.

Auswirkung

Beide Winkel sind um denselben Betrag verschoben, und dieser Fehler kürzt sich im Sinus-Quotienten nicht heraus.

Verbesserung

Ebene Fläche exakt auf die Durchmesserlinie setzen.

Breites, unscharfes Bündel im Wassereher zufällig

Ursache

Streuung an Schwebeteilchen weitet das Bündel auf.

Auswirkung

±1° Ablesestreuung bei β.

Verbesserung

Frisches, klares Wasser verwenden, den Spalt eng stellen und doppelt ablesen.

Das Wichtigste

Die Richtungsregel

Ins optisch dichtere Medium (Luft → Wasser oder Glas) knickt der Strahl zum Lot hin, heraus knickt er vom Lot weg. Bei senkrechtem Einfall gibt es keinen Knick. Das ist merkbar und konstruierbar.

Das Gesetz

sin⁡αsin⁡β=n\frac{\sin\alpha}{\sin\beta} = n: Nicht die Winkel selbst, sondern ihre Sinus-Werte stehen im festen Verhältnis. Für Wasser gilt n≈1,33n \approx 1{,}33, für Glas ≈1,5\approx 1{,}5.

Totalreflexion

Sie tritt nur vom dichteren ins dünnere Medium auf. Oberhalb des Grenzwinkels (sin⁡αG=1n\sin\alpha_\mathrm{G} = \frac{1}{n}; Wasser ≈ 49°, Glas ≈ 42°) existiert kein gebrochener Strahl mehr: 100 % , besser als jeder Metallspiegel.

Der Lichtleiter

In der Faser trifft das Licht die Wand stets flach, also oberhalb des Grenzwinkels. Es wird tausendfach total reflektiert und folgt so jeder Biegung. Glasfaser-Internet ist angewandte Totalreflexion.

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