Comment Bitte beachten Sie:
  • Alle Autoren akzeptieren mit dem Upload ihres Werkes die PhySX-Nutzungsbedingungen !
  • Sämtliche urheberrechtlich geschützte Medien, d.h. nicht-selbst erstellte Bilder, Medien und Videos werden kommentarlos gelöscht!

Optik der Atmosphäre

Aus PhySX - Physikalische Schulexperimente Wiki
Wechseln zu: Navigation, Suche
Optik der Atmosphäre
Brechung eines Laserstrahls in einer Flüssigkeit mit Gradienten im Brechungsindex.

Brechung eines Laserstrahls in einer Flüssigkeit mit Gradienten im Brechungsindex.

Kurzbeschreibung
In einem Gefäß, in dem eine Wasserschicht auf eine Wasser-Zuckerlösung geschichtet wurde, tritt nach mehreren Stunden ein Gradient im Brechungsindex auf, wie er ähnlich auch in der Erdatmosphäre vorkommt.
Kategorien
Optik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Sek. I, Sek. II (Einführungsphase)
Basiskonzept: Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Pascal Becker
Kontakt: pbecker@physik.hu-berlin.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Ulrike Gromadecki-Thiele
This box: view  talk  edit  

Wird die Sonne beim Auf- oder Untergang betrachtet, so scheint sie weiter oben zu stehen, als es tatsächlich der Fall ist. Dieses Phänomen heißt optische Refraktion. Es ergibt sich daraus, dass der Brechungsindex der Erdatmosphäre in Bodennähe höher ist als in den oberen atmosphärischen Schichten. In die Atmosphäre einfallendes Licht wird somit kontinuierlich in Richtung der Erde gebrochen.
Dieser Gradient im Brechungsindex ist allerdings sinnlich nicht wahrnehmbar. Abhilfe kann hierbei ein Analogieversuch schaffen. In diesem wird die Atmosphäre durch Wasser, welches auf eine Zuckerlösung geschichtet wird, modelliert. Durch Diffusion ergibt sich nach einiger Zeit ein Gradient im Brechungsindex, der mit dem Gradienten in der Erdatmosphäre vergleichbar ist.

Didaktischer Teil

Das Brechungsgesetz ist eines der grundlegenden Gesetze der Optik im Schulunterricht. Der Umgang mit diesem wird von den Lehrplänen sowohl in den Doppeljahrgangsstufen 7/8 und 9/10[1], sowie in der Einführungsphase der Sek. II[2] gefordert.

Die in der Einleitung erwähnte Problematik bezüglich der Wahrnehmung, zeugt von der Wichtigkeit der Analogiebildung in der Physik. Ohne Bildung einer Analogie ist das Phänomen der optischen Refraktion in der Erdatmosphäre sinnlich nicht zu erfahren.
Die grundlegende inhaltliche Voraussetzung für diesen Versuch ist das Brechungsgesetz. Insbesondere sollten mehrfache Übergänge in optisch immer dichtere Medien betrachtet werden. Diese diskreten Übergänge können dann in ein Kontinuum überführt werden. Zum Verständnis des Analogieversuchs selbst sollte die Grundidee der Diffusion bekannt sein.

Im Kircher wird der Begriff der Analogie wie folgt erklärt: „In der Umgangssprache spricht man von Analogie, wenn man aufgrund von Ähnlichkeiten mit Bekanntem oder durch einen Vergleich einen bis dahin unbekannten Sachverhalt erkennt und versteht. Außerdem werden Analogien zum Lösen von Problemen verwendet“ (Kircher[3] (2009), S. 150). Der unbekannte Sachverhalt ist hier der optische Gradient der Erdatmosphäre. Ziel ist es diesen Sachverhalt durch die Ähnlichkeit mit dem hier vorgeschlagenen Aufbau zu erkennen und zu verstehen.
Die Analogie sollte schrittweise eingeführt werden (folgendes methodisches Muster der Analogiebildung basiert auf Kircher[3] (2009), S. 155). Zuerst muss der Verlauf im Brechungsindex der Erdatmosphäre eingeführt werden. Anschließend muss ein Analogon zu diesem Phänomen gefunden werden.
Wie in der Einleitung erwähnt, wird hier ein Gradient im Brechungsindex durch Diffusion zweier Flüssigkeiten erzeugt. In der Erdatmosphäre verläuft der Brechungsindex von n=1 im Vakuum bis etwa n\approx1,000272 in Bodennähe (Gerthsen Physik[4], S. 485). Im Versuch gibt es ebenfalls zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, die ineinander übergehen. So entspricht das Wasser mit n\approx1,33 (Gerthsen Physik[4], S. 485) dem Vakuum und die Zuckerlösung mit einem höheren Brechungsindex von n\approx1,42 der Luft (abhängig von der Zuckerkonzentration; siehe Verlinkung im folgenden Abschnitt). Der kontinuierliche Übergang der Medien ergibt sich in der Erdatmosphäre dadurch, dass die Dichte der Luft durch die Gravitation in Bodennähe zunimmt. In der Analogie hingegen durch die Diffusion beider Medien.
Festzuhalten ist, dass das Glasgefäß keinem realen Objekt entspricht. Weiterhin ist es wichtig, dass Schülerinnen und Schüler die Analogie akzeptieren. Dazu muss auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Objekt und Ersatzobjekt eingegangen werden. Empfehlenswert ist das Aufstellen von Listen bezüglich dieser Eigenschaften.
Ist die Analogie eingeführt, sollten Erwartungen zu dem Versuch aufgestellt werden. Diese werden schließlich überprüft. Nun ist es bei diesem Versuch nicht möglich, die Beobachtungen in der Analogie an dem primären Lernbereich, der Erdatmosphäre, zu prüfen. Jedoch können weitere Folgen des Phänomens besprochen werden. Beispiele sind der Effekt des Gradienten des Brechungsindex auf die Position von Sternen oder auf Funkwellen. Schließlich müssen die Grenzen des aufgestellten Analogieversuchs besprochen werden und der Sinn der Analogiebildung hervorgehoben werden.

Die Durchführung dieses Versuchs bietet sich in Verbindung mit dem Versuch zur Fata Morgana an [1]. Dieser kann statt mit einer Kochsalzlösung auch mit der hier verwendeten Zuckerlösung durchgeführt werden. Nach dem Aufbau der Schichtungen kann somit zuerst der Fata Morgana-Versuch durchgeführt werden und am folgenden Tag mit dem gleichen Aufbau der hier beschriebene Versuch zur Gradientenoptik der Atmosphäre.

Versuchsanleitung

Aufbau

In diesem Versuch werden folgende Materialien verwendet:

  • Küvette (oder ein ähnliches rechteckiges Glasgefäß)
  • Leitungswasser
  • Zuckerlösung (100\,g Zucker auf 100\,ml Wasser)
  • Laserpointer oder fester Laser
Schematischer Aufbau der Schichtungen.

Die Küvette wird zur Hälfte mit der Zuckerlösung gefüllt. Anschließend wird vorsichtig Wasser der gleichen Menge auf die Lösungsschicht gegeben. Dabei sollte die Küvette mit der Zuckerlösung vorsichtig schräg gehalten werden, sodass die Fallhöhe des einzugießenden Wassers möglichst klein ist. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sich die beiden Flüssigkeiten zu stark vermischen. Alternativ kann die Zuckerlösung auch mit Hilfe eines Schlauchs unter die Wasserschicht gegeben werden. Hierbei ist zu beachten, dass der Schlauch sehr vorsichtig entfernt wird.

Der Zucker in der Zuckerlösung muss vollständig gelöst sein. Der hier beschriebene Versuch wird mit der oben erwähnten Zuckerkonzentration durchgeführt. Diese hat sich als effizient herausgestellt, kann aber auch variiert werden. Zum Vergleich der physikalischen Eigenschaften verschiedener Zuckerkonzentrationen findet sich auf der folgenden Website eine Dichtetabelle für verschiedene Mischverhältnisse.

Die Schichtung muss bereits einige Stunden vor der Demonstration des Versuchs vorbereitet werden. Erst über diesen Zeitraum kommt es zu einer ausreichenden Diffusion der beiden Flüssigkeiten und damit zu dem gewünschten Gradienten im Brechungsindex. Eine schematische Abbildung der Schichten ist in der Abbildung dargestellt. Die Diffusionsschicht weitet sich im Verlauf der Zeit immer stärker aus.
Der in den nächsten Abschnitten beschriebene Versuch wurde mit einer Küvette mit den folgenden Innenmaßen durchgeführt: Grundfläche 7,9\,cm \cdot 2,9\,cm, Höhe 6,6\,cm. Es wurden je 75\,ml der Zuckerlösung und des Wassers eingefüllt. Die folgende Abbildung wurde nach einer Ruhezeit von etwa 19\,h aufgenommen.

Durchführung

Die gefüllte Küvette wird an ihrer schmalen Seite mit einem Laser bestrahlt. Das Licht soll dabei senkrecht zu dieser Seite einfallen. An ihrer breiten Seite kann der Lichtweg durch das Streulicht des Lasers betrachtet werden. Die Demonstration des Versuchs sollte dabei in einem abgedunkelten Raum stattfinden, um das Streulicht besser erkenntlich zu machen.

Beobachtung

Ablenkung des Laserstrahls nach etwa 19\,h

Wie in der Abbildung zu erkennen ist, scheint der Strahl des Lasers nach unten hin gekrümmt. Das Licht breitet sich in diesem Medium also nicht geradlinig aus.

Auswertung

Das Brechungsgesetz sagt aus, dass ein Lichtstrahl in Richtung des optisch dichteren Mediums gebrochen wird. Da sich die Grenzfläche der Flüssigkeiten durch Diffusion über die ganze Küvette verteilt hat, hat sich ein Gradient im Brechungsindex der Flüssigkeit gebildet. Der Aufbau bildet also bei Betrachtung des Brechungsindex eine Analogie zu der Erdatmosphäre. Durch den Verlauf der optischen Dichte wird das Licht nicht nur an einer Stelle gebrochen, sondern kontinuierlich in der gesamten Flüssigkeit bzw. in der gesamten Atmosphäre.
Das Naturphänomen bleibt sinnlich nicht zu erfassen. Die Analogie bietet jedoch vergleichbare Eigenschaften und kann als Ersatz betrachtet werden. Die Beobachtungen in dem Versuch können auf die Erdatmosphäre zurückgeführt werden. Anhand des Verlaufs des Lichtstrahls kann somit verstanden werden, warum die scheinbare Sonnenposition von der tatsächlichen Position abweicht.

Sicherheitshinweise

Da bei diesem Versuch Laser verwendet werden, sind die damit verbundenen Schutzbestimmungen einzuhalten. Der Einsatz eines Laserpointers ist für diesen Versuch grundsätzlich ausreichend. Es empfiehlt sich allerdings aus Sicherheitsgründen einen fest eingestellten Laser zu verwenden. Nur so kann sichergestellt werden, dass es zu keinen unerwünschten Reflexionen kommen kann.

Literatur

  1. Berliner Landesinstitut für Schule und Medien (2006): Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe I; Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport Berlin, Berlin
  2. Berliner Landesinstitut für Schule und Medien, Landesinstitut für Schule und Medien Brandenburg, Landesinstitut für Schule und Ausbildung Mecklenburg-Vorpommern (2006): Rahmenlehrplan für die gymnasiale Oberstufe; Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport Berlin Ministerium für Bildung, Jugend und Sport des Landes Brandenburg Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Kultur Mecklenburg-Vorpommern, Berlin
  3. 3,0 3,1 Kircher, E., Girwidz R., Häußler, P. (2009): Physikdidaktik - Theorie und Praxis; Springer-Verlag, Berlin Heidelberg
  4. 4,0 4,1 Vogel, H. (1999): Gerthsen Physik; Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York