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Totalreflexion am Übergang Wasser/Luft

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Totalreflexion am Übergang Wasser/Luft
Alternativtext

Abb.1 Versuchsaufbau

Kurzbeschreibung
Versuch zur Veranschaulichung des Verhaltens von Licht an Grenzflächen
Kategorien
Optik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 7/8
Basiskonzept: Materie, Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform Demonstrationsexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie {{{AnzahlExp}}}
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Johannes Herde
Kontakt: herdejoh@cms.hu-berlin.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Steffen Wagner
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Der nachfolgend beschriebene Versuch soll das Verhalten von Licht an den Übergängen zwischen verschiedenen (teil)transparenten Materialien veranschaulichen. Mit Hilfe eines mit Wasser und Spülmittel gefüllten Glasbehälters sowie eines Laserpointers können dabei die Lichtwege an den Grenzflächen Wasser/Luft, Wasser/Glas sowie Glas/Luft genauer analysiert werden. Bei variierenden Einfallswinkeln des Laserstrahls kann sowie die Lichtbrechung, als auch eine (totale) Lichtreflexion beobachtet werden.


Didaktischer Teil

Als didaktischer Ansatz liegt dem Versuch ein elementhaft-synthetisches Vorgehen zugrunde. Im Gegensatz zum ganzheitlich-analytischen Vorgehen, bei dem ein ungegliederter Gesamteindruck des Schülers sukzessive nach bestimmten Aspekten aufgeschlüsselt wird, beruft sich der hier vorliegende Ansatz auf die Annahme, dass sich der Erkenntnisvorgang in Teilprozesse zergliedern lässt. [1] [2] So können im Zuge der Versuchsdurchführung die Phänomene Brechung und (Total)Reflexion einzeln und in verschiedenen Zusammenhängen beobachtet und analysiert werden, um schließlich über die auftreten Totalreflexion bspw. die Alltagstechnologie eines Lichtleiters verständlich zu machen.

Fachlicher Hintergrund

Der Versuch basiert insbesondere auf dem Snelliusschen Brechungsgesetz und dessen Aussage, dass der Einfallswinkel α und Reflexionswinkel α‘ des Lichts gleich sind sowie dem Gesetz, dass zwischen dem Einfallswinkel α und dem Winkel β des gebrochenen Lichts die Beziehung


 \begin{align}
\frac{sin(\alpha)}{sin(\beta)} = \frac{c'_{1}}{c'_{2}} = \frac{n_{2}}{n_{1}} 
 \end{align}

besteht. Dabei steht "c" für die Lichtgeschwindigkeit im jeweiligen Material und "n" für den jeweiligen Brechungsindex.

Zudem ist der "Grenzwinkel der Totalreflexion" ein zentraler Aspekt des Versuchs. Dieser lässt sich über die Formel

 
 \begin{align}
 sin(\alpha)_{g}= \frac{n_{2}}{n_{1}} \\ \end{align}

berechnen.[3]

Weiterhin verdeutlicht die notwendige Zugabe von Spülmittel das Phänomen, dass der Laserstahl nur erkennbar ist, wenn das von ihm durchleuchtete Material nicht vollständig transparent ist.

Einordnung in den Rahmenlehrplan

Reflexionsgesetz, Brechungsgesetz und Totalreflexion sind für das Fach Physik im zukünftigen Rahmenlehrplan für Berlin-Brandenburg (Schuljahr 2017/2018) den Themen „Wechselwirkungen in der Optik/Strahlung“ sowie „Optische Geräte" in der Jahrgangsstufe 7/8 zugeordnet. Bezüglich des nötigen Vorwissens knüpfen sie an das Wissen über das Modell "Lichtstrahl" aus der Jahrgangsstufe 5/6 an.[4]

Schülervorstellungen

Eine besonders häufig auftretende Schülervorstellung im Bereich des Verhaltens von Licht an Grenzflächen ist die, dass die Begriffe Reflexion und Brechung synonym verwendet werden.[5] Vor diesem Hintergrund bietet der deutlich sichtbare Verlauf des Laserstrahls beim vorliegenden Versuch eine gute Möglichkeit, genauer auf das Verhalten des Lichts an den verschiedenen Orten der Brechung und Reflexion einzugehen.

Versuchsanleitung

Geräte und Materialien

  • Tisch
  • Kastenförmiger (wasserdichter) Glasbehälter mit ebenen Außenwänden
  • Laserpointer (hier: Ausgangsleistung < 5mW, Wellenlänge: 532nm - grün)
  • Spülmittel (hier: Handelsüblich, gelb)
  • ggf. dunkle Hintergrundwand (hier: Schaumstoffpolsterung eines Phybe Versuchskoffers)
  • Leitungswasser
  • Gießkanne o.ä.
  • Rührstab

Versuchsaufbau

Der Versuchsaufbau ist in wenigen Schritten durchführbar und besteht lediglich aus einem teilweise mit Leitungswasser und Spülmittel gefüllten, kastenförmigen Glasbehälter, einem handelsüblichen Laserpointer und einem Rührstab. Dabei sollte der Glasbehälter grob auf Augenhöhe der Zuschauer positioniert werden und möglichst wenig direktem Licht ausgesetzt sein.
Die Auswahl der nötigen Materialien sollte an die jeweilige Unterrichstssituation angepasst werden:
Je nach Abstand der Zuschauer zum Experiment sollte der Glasbehälter eine ausreichende Größe besitzen. Dabei ist es zweckmäßig die Füllhöhe des Behälters so zu wählen, dass mehrere Totalreflexionen möglich sind (gefüllter Bereich deutlich breiter als hoch).
Auch die Menge des verwendeten Spülmittels zur Sichtbarmachung des Laserstrahls im Leitungswasser kann an die Beleuchtungssituation am Ort der Versuchsdurchführung angepasst werden. Dabei gilt: Je mehr Spülmittel sich im Wasser befindet, desto besser ist der Laser sichtbar. Das Wasser wird jedoch mit zunehmendem Spülmitteleinsatz merklich trüber. Analog gilt für die Wahl des Lasers: Während in einem stark abgedunkelten Raum, bei moderatem Spülmitteleinsatz (einige Spritzer auf ca. 5 Liter Wasser) auch ein roter Laser gut sichtbar ist, ist bei weniger dunklen Bedingungen die Verwendung eines grünen Lasers sinnvoll. Bei ausreichend Spülmittel ist hier eine dezente Abdunkelung des Raumes völlig ausreichend.
Es ist wichtig beim Einrühren des Spülmittels keinen Schaum zu erzeugen, da die Blasen auf der Wasseroberfläche an den jeweiligen Stellen eine saubere Totalreflexion verhindern.

Durchführung

Abb. 2: Dunkler Hintergrund bei heller Umgebung

Die Durchführung des Versuchs sollte grob nach folgendem Muster erfolgen:

  1. Platzierung des Glasgefäßes auf einem Tisch frontal zum Publikum
  2. Befüllung des Gefäßes per Gießkanne o.ä. mit einer sinnvollen Menge Wasser
  3. Vorsichtiges Einrühren der notwendigen Menge Spülmittel
  4. Bei ungünstiger Beleuchtung (zu hell) Anbringung eines dunklen Hintergrunds auf der dem Publikum abgewandten Seite des Glasbehälters (s. Abb. 2)
  5. Seitliche Einleitung des Laserstrahls in den Glasbehälter. Dabei bietet es sich an, den Laser zunächst in einem zum Lot (bzgl. der Glaswand) großen Winkel (nahe 90°) von unten nach oben auf den Glasbehälter zu richten und diesen Einfallswinkel anschließend langsam zu verkleinern. So wird am horizontalen Übergang von Wasser zu Luft zunächst keine Totalreflexion stattfinden (s. Abb. 3).
    Abb. 3: Zielvorrichtung
    Bei zunehmend kleiner werdendem Einfallswinkel zwischen Laserpointer und Glas vergrößert sich der Einfallswinkel des Laserstrahls an der Grenzfläche Wasser/Luft und es ist sukzessive der deutlicher werdende reflektierte Laserstrahl sowie der schwächer werdende gebrochene Laserstrahl erkennbar, bis schließlich beim einem Winkel ca. 50° eine Totalreflexion an den horizontalen Übergängen Wasser/Luft sowie Glas/Luft auftritt und sich ein für die Zuschauer deutlich sichtbares Zick-Zack-Muster ergibt (s. Abb. 4).
    Abb. 4: Gerade überschrittener Grenzwinkel der Totalreflexion

  6. Während der Durchführung sollte noch einmal explizit auf den Verlauf des Laserstrahls an den Außenwänden des Glasbehälters hingewiesen werden.
  7. Abschließend besteht an dieser Stelle die Möglichkeit, das Wasser durch kräftiges Rühren aufzuschäumen. Durch das Phänomen der aufgrund des Schaumes auf der Wasseroberfläche nun nicht mehr auftretenden Totalreflexion am Übergang Wasser/Luft kann als Exkurs u.a. die Funktionsweise eines Regensensors erleutert werden.


Beobachtungen

Im Rahmen des Versuchs ist insbesondere das Verhalten eines Lichtstrahls an verschiedenen Grenzflächen zu beobachten. Weiterhin verdeutlicht das notwenige Spülmittel im Wasser, dass Licht mitbloßem Auge nur sichtbar ist, wenn es von etwas reflektiert wird.

  • Die offensichtlichste Beobachtung bei diesem Versuch ist das Auftreten einer Abfolge von Totalreflexionen des Laserstrahls an den horizontalen Grenzflächen des Versuchsaufbaus
  • Ein sehr genaues Hinsehen ist erforderlich, um das Verhalten des Laserstrahls an den Übergängen am Boden und den Seiten des Glasbehälters zu erkennen. So ist üblicherweise am Verlauf des Lichtwegs an den Übergängen Luft/Glas/Wasser erkennbar, dass der Laserstrahl am Übergang zum optisch dichteren Material (Luft/Glas) zunächst zum Lot hin und beim anschließenden Übergang zum optisch dünneren Material (Glas/Wasser) vom Lot weg gebrochen wird. Bei auftretender Totalreflexion an der Unterseite des Glasbehälters (Glas/Luft) findet analog dazu beim Übergang Wasser/Glas/Wasser zunächst eine leichte Brechung des Lichts zum Lot hin und anschließend wieder vom Lot weg statt. Aufgrund der ähnlichen Brechzahlen von Wasser (n ≈ 1,33) und Glas (n ≈ 1,46)[6] findet die Totalreflektion an der Unterseite des Behäters nicht an der Grenzfläche Wasser/Glas, sondern erst am Übergang Glas/Luft statt. Die geringe Differenz der Brechzahlen sind zudem dafür Verantwortlich, dass aufgrund des relativ dünnwandigen Glasbehälters beim vorliegendenden Versuchsaufbau lediglich eine deutliche Brechung des Lichts am Übergang Luft (n ≈ 1) und Glas (n ≈ 1,46) erkennbar ist (s. Abb. 5).
    Abb. 5: Detailansicht der Grenzflächen

  • Bei einer Wiederholung des Versuchs mit aufgeschäumtem Wasser zeigt sich nun, dass keine Totalreflexion stattfindet, wenn der Laserstrahl den Schaum und somit keine homogene Grenzfläche trifft.


Auswertung

In den Abbildungen 1-5 wird deutlich, dass sich der Weg des Laserstrahls analog zu den verschiedenen Brechungs- und Reflexionsgesetzen verhält. Die Messung der Verschiedenen Ein- und Austrittswinkel während dem Versuch gestaltet sich schwierig. Anhand der per Grafiksoftware ausgewerteten Photos der Versuchdurchführung lässt sich allerdings gut erkennen, dass die auftretenden Werte der Brechungs- und Reflexionswinkel die Brechzahlen der Fachliteratur sowie die Snelliusschen Brechungsgestze bestätigen.

Sicherheitshinweise

Es ist darauf zu achten, dass der Laserstrahl weder direkt, noch als Reflexion in die Augen der anwesenden Personen gelangt. Das Glasgefäß sollte aus Gewichtsgründen erst am Ort der Versuchsdurchführung mit Wasser gefüllt und vor dem Versuchsabbau wieder geleert werden.

Literatur

Bitte führen Sie die von Ihnen im Text angeführten Quellen an. Allgemeine Quellen, die Sie zwar gelesen haben, aber auf die Ihr Text keinen Bezug nimmt, sind nicht anzuführen. Das Quellenmanagement im Wiki finden Sie unter Hilfe:Quellenangaben.

  1. Vgl. Kircher, et. al.(2015), S. 170, Physikdidaktik – Theorie und Praxis, 3. Aufl. Springer
  2. Vgl. Wiater, W. (1993), Unterricht und Lernen in der Schule (Donauwörth), S. 200 ff.
  3. Vgl. Demtroeder, W. (2007), Experimentalphysik 2, 4. Auflage, Springer, S. 233 ff.
  4. Vgl. Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Wissenschaft Berlin & Ministerium für Bildung, Jugend und Sport des Landes Brandenburg (2015), S. 38 - 39: Rahmenlehrplan Jahrgangsstufen 1 – 10. Teil C: Physik. Salzland Druck GmbH & Co. KG, Staßfurt. S. 38 - 39
  5. Vgl. Muth, L. u. Winkelmann, J. (2014), S. 5, Veränderungen von Schülervorstellungen durch Experimentieren, Didaktik der Physik, Frühjahrstagung – Frankfurt 2014
  6. Vgl. Demtroeder, W. (2013), Experimentalphysik 2, 6. Auflage, Springer, S. 224

Siehe auch

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