Ausbreitung des Lichts und Grenzflächen (Wasserbecken)

Ausbreitung des Lichts und Grenzflächen (Wasserbecken)
Versuchsaufbau
Kurzbeschreibung
Beobachtungen der Lichtausbreitung und das Verhalten des Lichts an Grenzflächen
Kategorien
Optik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für:	7./8. Klasse
Basiskonzept:	Wechselwirkung, Materie
Sonstiges
Durchführungsform	Schüler*innen-Experiment oder Gruppenexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie	4
Anspruch des Aufbaus	leicht
Informationen
Name:	Sara Merheji
Kontakt:	${\text{sara.merheji}}$@${\text{hu-berlin.de}}$
Uni:	Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in:	Wiebke Musold

Zur Vereinfachung der Vorstellung über die Lichtausbreitung kann das Licht, das von einer Lichtquelle wie zum Beispiel von einer Lampe ausgesandt wird, durch geradlinige "Strahlen" charakterisiert werden (vgl. Eichler, Kronfeldt, Sahm (2006), S. 347). Ein weiterer Grund, warum der Begriff "Strahl" oft genutzt werden kann, ist, dass "die Wellenlänge des Lichts sehr klein ist"(vgl. Tipler, Mosca, Wagner (2015), S. 1011). In der Schule wird im Physikunterricht der Sekundarstufe I ausschließlich die geometrische Optik behandelt. Hierbei geht es um "die geradlinige Ausbreitung eng begrenzter Lichtbündel in homogenen Medien und ihr Verhalten an Grenzflächen" (vgl. Dahnke, Götz, Langensiepen (1995), S. 69). Dafür eignet sich der Versuch am Wasserbecken, denn die Schülerinnen und Schüler (SuS) arbeiten mit Gegenständen, die sie aus dem Alltag kennen und können selbstständig experimentieren. Der Versuch ist in vier einzelnen Experimenten gegliedert. Zunächst wird durch den senkrechten Lichteinfall die geradlinige Ausbreitung des Lichts verdeutlicht. In der zweiten Versuchsreihe geht es um den schrägen Lichteinfall und um den Nachweis der Lichtbrechung beim Übergang von Luft in Wasser. Im nächsten Versuchsteil wird das Verhalten des Lichts an den Grenzflächen Wasser/Luft unter Berücksichtigung der Wahl des Einfallswinkels thematisiert und experimentell untersucht, unter welcher Bedingung eine Totalreflexion auftritt. Zum Schluss wird die Lichtbrechung an den Grenzflächen Luft/Wasser sowie an den Grenzflächen Wasser/Luft verglichen.

Didaktischer Teil

Laut des Berliner Rahmenlehrplans gehören die Themenbereiche Ausbreitung des Lichts sowie das Verhalten des Lichtes an Grenzflächen zu dem Pflichtbereich "Sehen und gesehen werden" für die Doppeljahrgangsstufe 7/8 (vgl. Rahmenlehrplan Berlin (2006), S. 28). Nachdem die Schülerinnen und Schüler eine Vorstellung haben, was die Begriffe Lichtquellen und Lichtstrahlen bedeuten und nachvollziehen können, wie es möglich ist, das Licht und alles andere wahrzunehmen, auch wenn das Licht nicht auf direktem Wege in das Auge gelangt, dient die erste Versuchsreihe dafür, diesen Prozess zu veranschaulichen. Der gesamte Versuch eignet sich gut als Einstieg für eine Unterrichtseinheit, in der die Ausbreitung des Lichtes sowie sein Verhalten an Grenzflächen thematisiert wird. Der Versuch ist einfach durchzuführen, da mit einigen Gegenständen gearbeitet wird, die jeder aus dem Alltag kennt wie zum Beispiel die Taschenlampe und somit keine Komplikationen mit ihrer Bedienung auftreten können. Die Vorbereitung des Versuches sollte gemeinsam mit der Lehrkraft durchgeführt werden. Die Schülerinnen und Schüler können durch selbstständiges Experimentieren neue Erkenntnisse gewinnen und mit Hilfe dieser Erkenntnisse versuchen, Phänomene aus dem Alltag und der Natur zu verstehen und zu erklären.

Die Erkenntnisgewinnung gehört zu den Kompetenzbereichen im Fach Physik. "Kompetenz ist eine Disposition, die Personen befähigt, bestimmte Arten von Problemen erfolgreich zu lösen, also konkrete Anforderungssituationen eines bestimmten Typs zu bewältigen"(vgl. Priemer (2014)). In der Physik geht es in der Erkenntnisgewinnung um einen Prozess, bei dem die Nutzung von Modellen sowie experimentellen Untersuchungsmethoden ein tragender Aspekt ist. Der Prozess lässt sich in fünf Kernkompetenzen gliedern, und zwar in Kernkompetenzen Wahrnehmen, Ordnen, Erklären, Prüfen und Modelle bilden (vgl. Kircher, Girwidz, Häußler (Hrsg.) (2010), S.95). Zunächst sollte ein Phänomen oder eine Problemstellung beobachtet und beschrieben werden. Dabei sollen sie versuchen, das Wahrgenommene auf bereits bekanntes Wissen zurückführen und es in ein System einordnen. Der nächste Schritt ist die Hypothesenbildung, welche dann durch Experimente geprüft und die daraus resultierenden Daten ausgewertet werden können. Nun kann eine vereinfachte Theorie aufgestellt werden, indem ein Modell gebildet wird (vgl. Kircher, Girwidz, Häußler (Hrsg.) (2010), S.95).

Im Versuch beobachten die Schülerinnen und Schüler schrittweise in den einzelnen Teilversuchen die Phänomene der Lichtausbreitung und ihr Verhalten an Grenzflächen und erschließen dadurch physikalische Zusammenhänge. Darauf aufbauend können die SuS Beispiele zur Lichtbrechung aus ihrem Alltag benennen und versuchen zu erklären. Im Laufe der Unterrichtseinheit können Gesetzmäßigkeiten der Brechung und Reflexion und die Voraussetzungen der Totalreflexion formuliert werden. Anschließend können die Begriffe optisch dichtere und optisch dünnere Medien eingeführt und die Unterschiede erläutert werden. Hier eignet sich die Behandlung des Themenbereiches optische Hebung. Abschließend können die neu gewonnenen Erkenntnisse geometrisch veranschaulicht und mathematisch begründet werden (vgl. Rahmenlehrplan Berlin (2006), S. 28).

Die Erkenntnisgewinnung wurde auch im Wintersemester 2014/15 im Vortrag von Gunter Strüven angesprochen. In dem Vortrag hat er sich mit der Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers befasst. Dabei bezieht er sich auf die aus dem Alltag bekannte Empfindung der Wärme. Mit Hilfe seiner Messergebinisse leitet er das "Stefan-Boltzmann-Gesetz über die Strahlung eines schwarzen Körpers" (vgl.: Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers) her.

Versuchsanleitung

Geräte und Materialien

Folgende Geräte und Materialien werden für die Versuche benötigt:

• rechteckiges Glasgefäß
• weiße Kunststoffplatte
• Wasser
• Myrrhentinktur oder Milch
• Taschenlampe
• Stativfuß
• Stativstange
• Stativklemme
• drehbare Stativklemme
• Spiegel
• Holzstab mit Spiegel
• Nebelmaschine ( in der Schule eignet sich Kreidestaub)
• Experimentierleuchte mit Spaltblende

Aufbau

Für die vier Teilversuche wird ein rechteckiges Glasgefäß benötigt. Zunächst wird es mit Wasser gefüllt und eine weiße Kunststoffplatte wird an der Rückwand im Inneren des Glasgefäßes gestellt. Damit der Verlauf des Lichtes für die SuS sichtbar wird, sollte das Wasser gefärbt werden. Dafür eignet sich Myrrhentinktur oder Milch. Anschließend wird für den ersten und letzten Teilversuch die Stativstange am Stativfuß und die drehbare Stativklemme an der Stativstange befestigt. Mit Hilfe der einfachen Stativklemme wird die Taschenlampe nun an der drehbaren Stativklemme angebracht. Dies ermöglicht den SuS, die Einfallswinkel zu variieren. Wie in der Abbildung Abb.2 zu sehen ist, wird für die erste Versuchsreihe statt der Taschenlampe eine Experimentierleuchte mit einer Spaltblende verwendet. Es funktioniert natürlich auch mit der Taschenlampe. In der letzten Versuchsreihe wird auf dem Boden des Wasserbeckens ein Spiegel gelegt. Für den dritten Teilversuch muss die Taschenlampe so angebracht werden, dass das Licht seitlich in das Becken einfällt. In den folgenden Abbildungen sind die Versuchsaufbauten der einzelnen Versuchsreihen dargestellt.

Abb.2: Aufbau der 1. Versuchsreihe	Abb.3: Aufbau der 2. Versuchsreihe	Abb.4: Aufbau der 3. Versuchsreihe	Abb.5: Aufbau der 4. Versuchsreihe

Durchführung

Wie schon in der Einleitung erwähnt ist der Versuch in vier qualitative Teilversuche gegliedert.

1. Sichtbarmachung des Lichtbündels und geradlinige Ausbreitung des Lichts
2. Verhalten des Lichtes an der Grenzfläche Luft/Wasser
3. Verhalten des Lichtes an der Grenzfläche Wasser/Luft
4. Vergleich der Lichtbrechung an den beiden in 2. und 3. genannten Grenzflächen

In allen Versuchsreihen wurde eine Nebelmaschine benutzt, damit der Verlauf des Lichtes auch oberhalb der Wasseroberfläche gut zu erkennen ist. In der Schule reicht Kreidestaub vollkommen aus. Die SuS sollen diese Teilversuche eigenständig durchführen, beobachten und auswerten.

Sichtbarmachung des Lichtbündels und geradlinige Ausbreitung des Lichts

Die Taschenlampe oder die Experimentierleuchte soll so eingestellt werden, dass das Licht senkrecht von oben in das Wasserbecken fällt. Dafür ist es am besten, wenn das Stativ mit der Taschenlampe oder mit der Experimentierleuchte hinter das Wasserbecken gestellt wird.

Verhalten des Lichtes an den Grenzflächen Luft/Wasser

In diesem Teilversuch sollte das Stativ mit der befestigten Taschenlampe links neben dem mit Wasser gefüllten Glasgefäß hingestellt werden. Dank der drehbaren Stativklemme können die Schülerinnen und Schüler den Einfallswinkel so einstellen, dass das Licht der Taschenlampe schräg von oben ins Wasserbecken fällt. Hierbei ist es wichtig, dass die Taschenlampe nicht zu weit von der Wasseroberfläche entfernt ist und die SuS keinen zu großen Einfallswinkel wählen.

Verhalten des Lichtes an den Grenzflächen Wasser/Luft

In diesem Teilversuch soll die Taschenlampe so befestigt werden, dass das Licht waagerecht von der Seite ins Wasserbecken einfällt. Einer der Schülerinnen und Schüler taucht den Holzstab mit dem Spiegel ins Becken. Das Licht soll den Spiegel treffen, denn dadurch kann das Licht an die Grenzfläche Wasser/Luft reflektiert werden. Die SuS sollen den Holzstab mit dem Spiegel schwenken und beobachten, wie der Lichtweg bei verschiedenen Einfallswinkel verläuft.

Vergleich der Lichtbrechung an den beiden in 2. und 3. genannten Grenzflächen

Wie in der 2. Versuchsreihe muss das Stativ mit der befestigten Taschenlampe links neben dem Wasserbecken stehen. Auch hier sollen die Schülerinnen und Schüler einen Einfallswinkel einstellen, so dass das Licht der Taschenlampe schräg von oben ins Wasserbecken fällt. Auch hier sollte die Taschenlampe nicht zu weit von der Wasseroberfläche entfernt sein. Jedoch müssen die Schülerinnen und Schüler den Einfallswinkel so wählen, dass das Licht auf den Spiegel trifft, der auf dem Boden des Wasserbeckens liegt.

Ergebnisse und Auswertung

Abb.6: Geradlinige Lichtausbreitung

Abb.7: Lichtbrechung an der Grenzfläche Luft/Wasser

Abb.8: Lichtbrechnung an der Grenzfläche Wasser/Luft

Abb.9: Totalreflexion an der Grenzfläche Wasser/Luft

Abb.10: Lichtbrechnung an den Grenzflächen Luft/ Wasser und Wasser/Luft

Sichtbarmachung des Lichtbündels und geradlinige Ausbreitung des Lichts

Durch die Schwebeteilchen (Myrrhentinktur) im Wasser wird das Licht für die Beobachter sichtbar, da die Schwebeteilchen das Licht reflektieren und es somit in die Augen der SuS gelangt. Wie in Abb.6: Geradlinige Lichtausbreitung ist zu beobachten, dass sich das Licht im Wasser geradlinig ausbreitet, denn "in einem optisch homogenen Medium sind die Lichtstrahlen Geraden" (vgl. Demtröder (2013), S. 262). Das Licht in dieser Abbildung ist etwas rötlich. Dies kommt durch die Streuung zustande. In diesem Fall wird der rötliche Lichtbestandteil stärker gestreut. Dies ist auf die Länge des Weges zurückzuführen, die das Licht im Wasser zurücklegt.

Verhalten des Lichtes an der Grenzfläche Luft/Wasser

In Abb.7.: Lichtbrechung an der Grenzfläche Luft/Wasser erscheint das Licht blau, was auf die Streuung zurückzuführen ist. Hier werden die blauen Lichtbestandteile stärker gestreut, da das Licht im Wasser einen kürzeren Weg als beim ersten Teilversuch zurücklegt. Es ist zu beobachten, dass das Licht in das Wasser eindringt. Das Licht von der Taschenlampe bis hin zur Wasseroberfläche verläuft gerade. An der Grenzfläche ändert sich die Richtung des Lichtes. Im Wasser ist wieder ein geradliniger Verlauf des Lichtes zu beobachten. Man spricht von einer Lichtbrechung. Wenn die SuS von oben ins Wasserbecken schauen, stellen sie fest, dass das einfallende und das gebrochene Licht, sowie der Einfallslot in einer Ebene liegen. Wenn das Licht die Grenzfläche durchquert, verringert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Brechungswinkel β ist kleiner als der Einfallswinkel α. Daraus lässt sich schließen, dass das Licht zum Einfallslot hin gebrochen wird (siehe Abb.11).

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  Abb.11:Einfalls-, Reflexions- und Brechungswinkel

Verhalten des Lichtes an der Grenzfläche Wasser/Luft

In den Abbildungen Abb.8 und Abb.9 ist zu erkennen, dass das Licht, das vom Spiegel reflektiert wird, orange ist. Dies lässt sich wie in den beiden vorherigen Teilversuchen mit dem Streuungsprozess erklären. Das Licht wird vom Spiegel an die Grenzfläche reflektiert. Es ist zu beobachten, dass das Licht, das geradlinig verläuft, entweder aus dem Wasser tritt (siehe Abb.8) oder vollständig in das Wasser reflektiert wird und nicht in das zweite Medium gelangt (siehe Abb.9). In beiden Fällen kommt es an der Grenzfläche zu einer Richtungsänderung und das Licht breitet sich danach wieder geradlinig aus. Im ersten Fall wird das Licht an der Grenzfläche gebrochen. Wenn der Einfallswinkel α durch das Schwenken des Spiegels vergrößert wird, nimmt auch der Brechungswinkel β zu. Da der Brechungswinkel β größer als der Einfallswinkel α ist, kann daraus geschlossen werden, dass das Licht vom Einfallslot weggebrochen ist. Nimmt der Brechungswinkel bis zu einem kritischen Einfallswinkel α_g zu, "für den der Brechungswinkel gleich 90° ist,"(vgl. Tipler, Mosca, Wagner (2015), S. 1014), erhält man folgende Gleichung für den kritischen Winkel der Totalreflexion

$\ {sin(\alpha _{g})}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}$ .

Hierbei ist n₁ die Brechzahl von Wasser und n₂ von Luft. Wenn der Einfallswinkel größer als dieser kritische Winkel ist, kann das Licht nicht aus dem Wasser gelangen. Somit kann keine Brechung an der Grenzfläche beobachtet werden. Das Licht wird also vollständig in das Wasser reflektiert und es tritt eine Totalreflexion ein. Die Totalreflexion kann nur eintreten, wenn n₁ > n₂ gilt.

Vergleich der Lichtbrechung an den beiden in 2. und 3. genannten Grenzflächen

Wie in den anderen Teilversuchen erscheint das Licht durch die Streuung beim Übergang von Luft nach Wasser blau und beim Übergang von Wasser nach Luft orange. Daraus kann geschlossen werden, dass die stärkere Streuung eines der Lichtbestandteile vom zurückgelegten Weg des Lichtes im Medium abhängt. Also je länger der zurückgelegte Weg des Lichtes im Wasser ist, desto geblicher bzw. rötlicher und dunkler erscheint das Licht. In Abb. 10 wird das Licht zunächst an der Grenzfläche Luft/Wasser gebrochen und trifft auf dem Spiegel, der sich auf dem Boden des Wasserbeckens befindet. Das Licht wird dann durch den Spiegel an die Wasseroberfläche reflektiert und an der Grenzfläche Wasser/Luft erneut gebrochen. Somit tritt das Licht aus dem Wasser aus. Wendet man nun die Erkenntnisse aus den vorherigen Versuchsreihen an und betrachtet die jeweiligen Brechungen separat, kann auch hier festgestellt werden, dass bei dem Medienpaar Luft/Wasser der Einfallswinkel größer als der Brechungswinkel ist und somit das Licht zum Einfallslot hin gebrochen wird. Also ist das zweite Medium das optisch dichtere Medium. Bei dem Medienpaar Wasser/Luft ist der Einfallswinkel kleiner als der Brechungswinkel und somit wird das Licht vom Einfallslot weg gebrochen. In diesem Fall ist das zweite Medium optisch dünner.

Siehe auch

Brechunggsgesetz an der Hafttafel

Totalreflexion am Übergang Wasser/Luft