Referat physik Die Lichtgeschwindigkeit

Einführung

Zu Beginn der Physikepoche wiederholten wir ein paar Grundgesetze der Optik aus den früheren Epochen. Da war z.B. die Schattenbildung und dessen Ausbreitung. Wie kommt es, daß ein Schatten nie ganz dunkel ist? Wir stellten dann fest, daß die Grundlage hierfür das Refle­xionsge­setz bietet. Denn es besagt:

Der Ausfallswinkel, ist gleich dem Einfallswinkels, d.h. man hat z.B. ei­nen Spiegel und in diesen Spiegel fällt Licht, so ist der Winkel zum Lot auf dem Spiegel genauso groß, wie der zum reflektierten Licht.

Da das Licht sich unendlich oft spiegeln kann, kommt es da dazu, daß es auch im Schatten eines Hauses z.B. nicht Stockdunkel ist. Durch viele Spiegelungen , auch im Weltall, entsteht das sog. Streulicht. Da aber wie immer etwas "Verlust" nicht zu verhindern ist, ist das Streulicht natürlich nicht so stark, wie direkte Sonneneinstrahlung.

Noch einige Beispiele für dieses Grundgesetz:

Wann ist es der Person möglich, ihre Füße zu sehen?

Gar nicht!

Erst wenn der Spiegel geneigt wird! Denn beim Neigen wird der Blick so gespiegelt, daß beim Anwenden des Gesetztes, er die Füße erreicht.

Für diese Anwendung gibt es ein weiteres Gesetz: Der Ausfallswinkel er­weitert sich um die doppelte Größe Delta. Eine Größe auf der einen Seite vom Lot und eine Größe auf der anderen Seite.

Die Lichtgeschwindigkeit

Schon sehr früh beschäftigten sich die Physiker mit dem Phänomen der Lichtausbreitung. Sie glaubten nicht an eine unendlich schnelle Aus­brei­tung und wollten deshalb die Lichtgeschwindigkeit herausfin­den. Hierzu gibt es von den verschiedenen Physikern je eine eigene Me­thode:

Olaf Römer, ein Schwede, hatte schon 1675 folgende Versuchsanord­nung;

Er berechnete den Abstand von der Erde zur Sonne mit 150.000.000 km und fand durch die Beobachtung des Jupitermondeintrittes in den Schat­ten des Jupiter eine Zeitverzögerung von 1000s. heraus. Die er­rechnete er dadurch, daß er einmal die Eintrittszeit des Jupiter­mondes von der Konjunktion der Erde aus und einmal von der Opposi­tion aus beobach­tete. Die erlangten Werte ließen sich dann in die For­mel für Geschwindig­keit einsetzten:

V = S : T = 300.000.000 km : 1000 Sekunden = 300.000 km /s

Hiermit lag er schon sehr früh sehr nah an unseren heutigen Werten; denn unsere Geschwindigkeit des Lichtes wird mit Cv = 299700000 km/s angegeben. Fizeau berechnete die Lichtgeschwindigkeit 1849 mit einer anderen Methode:

Er nahm eine Lichtquelle, ließ das Licht durch eine Linse bündeln und richtete diesen Lichtstrahl auf ein Zahnrad mit 720 Zähnen. Der Licht­strahl ging durch den halbdurchlässigen Spiegel, desweiteren durch eine

Aussparung im Zahnrad und traf auf einen senkrecht aufgestellten Spie­gel. Der Abstand zwischen dem Zahnrad und dem Spiegel betrug genau 8633m.

Der reflektierte Strahl wurde wieder gebündelt und zurück durch das Zahnrad auf den halbdurchlässigen Spiegel geworfen. Hier wurde er dann zum Beobachter umgelenkt. Drehte sich das Zahnrad nun schnell genug, so wurde der Strahl durch eine andere Lücke zurückgeworfen. Das Zahn­rad mußte sich nun 12,6 mal gedreht haben, damit der Licht­strahl wieder durch eine Aussparung fiel. Anhand dieser Tatsache läßt sich die Lichtge­schwindigkeit folgendermaßen errechnen:

S = 2 x 8633m

t = 1 : 2 x 720 x 12,6

V = 17,266 : 1 : 2 x 720 x12,6

= 313165,44 km/s

Mit diesem Wert liegt Fizeau etwas weiter entfernt von unserem Wert, als Olaf Römer 174 Jahre früher!

Der gleichmäßig gewölbte Spiegel

Beim Halbkreis wird der auftreffende Lichtstrahl nicht genau auf einen Punkt reflektiert. Daher ist ein gleichmäßig gewölbter Spiegel nicht zur punktgenauen Bündelung des Lichtes geeignet. Erst die Kurve eines Pa­rabolspiegels kann das Licht oder elektromagnetische Wellen in ei­nem Brennpunkt konzentrieren.

Die Münzhebung

In einem quadratischen Glasbecken lag eine Münze. Der Boden des Bec­kens war mit ca. 5 cm Wasser bedeckt. Sah man unterhalb der obe­ren Glaskante in das Becken und goß gleichzeitig Wasser hinzu, so sah es so aus, als wenn die Münze anfinge, sich langsam mit dem steigen­den Wasserspiegel zu heben. Ein Phänomen der Brechung in Glas und Was­ser.

Lichtbrechung

Auf ein Wasserbecken mit orangenem Wasser richteten wir einen La­ser­strahl. Wir beobachteten die verschiedenen Lichtbrechungen.

Den Laser von oben in das Wasser leuchtend, waagerecht, senkrecht von unten, schräg von unten

Das Gesetz der Lichtbrechung

Der Faktor, um den sich das Licht im Übergang von zwei unterschied­lich dichten Stoffen bricht, ist vom Material abhängig. Der Winkel vom Lot zum gebrochenen Lichtstrahl wird mit beta bezeichnet. Ein Licht­strahl der aus Vakuum in Vakuum strahlt, wird nicht gebrochen, dieses Ver­hältnis ist also das absolute Brechungsverhältnis und wird mit dem Faktor 1 be­zeichnet.

Brechungsexponenten gegen Luft:

Wasser 1,333, Ather 1,3538, Schwefelkohlenstoff 1,6276, Kronglas 1,51 - 1,62, Quarzglas 1,46 und Diamant 2,4172.

In einer Versuchsreihe wurden durch einen Physiker folgende Werte von Licht in Wasser gemessen.

Hieran zeigt sich, daß der Brechungsexponent nicht immer mit dem er­rechneten übereinstimmt, bzw. daß beim Ablesen der Winkel immer Rundungsfehler oder Ungenauigkeiten auftreten.

Erklärung zur Lichtbrechung

Lassen wir ein schmales Lichtbündel schräg auf eine Wasseroberfläche treffen, so spaltet es sich in zwei Teile. Der eine wird dem Reflexions­ge­setz gemäß reflektiert, der andere tritt in das Wasser ein, geht aber nicht in der ursprünglichen Richtung weiter. Verändern wir die Richtung des einfallenden Strahlenbündels, so ändert sich auch die Richtung des im Wasser abgelenkten. Diese Erscheinung wird als Brechung bezeich­net. Der von seiner Richtung abgelenkten Strahl, wird als der gebro­chene Strahl bezeichnet. Der Winkel, den der gebrochene Strahl mit dem Ein­fallslot bildet, heißt der Brechungswinkel. Brechung findet stets an der Grenzfläche zweier durchsichtiger Körper statt. Wird der Licht­strahl beim Eintritt in das zweite Medium zum Einfallslot hin gebrochen,

so nennen wir dieses Medium optisch dichter, als das erste. Der einfal­lende Strahl, das Einfallslot und der gebrochene Strahl liegen in der Ein­fallsebene. Die in einem Versuch ermittelten Daten zeigen, daß Einfalls- und Brechungswinkel einer besonderen Gesetzmäßigkeit un­ter­liegen.

Wenn man um den Einfallspunkt einen Kreise zeichnet, und von den Schnittpunkten des einfallenden und des gebrochenen Strahls die Senk­rechten auf die Grenzfläche zieht, ergeben die Abschnitte auf der Grenz­linie ein Maß für Einfalls- und Brechungswinkel. Für Luft und Wasser fin­det man das Verhältnis 4 zu 3. Dieses wird als Brechungs­verhältnis oder auch Brechungsexponent oder auch Brechungsindex bezeichnet.

Nlw = 4:3

Durch die geometrische Betrachtung läßt sich feststellen, daß

sin ß : sin a = konstante = Nlw

Das Brechungsverhältnis gegen Vakuum gilt als das absolute Bre­chungsverhältnis oder als Brechungszahl N.

Nv = 1    ; Nl = 1,00028

Totalreflexion

Wir nahmen ein Wasserbecken und stellten in dieses eine Metallplatte, in die Loch gestanzt war. Das Licht aus der dahinter gesellten Lampe wurde mit einem Sieb ähnlichen Metallgehäuse so ins Wasser umge­lenkt, daß einzelne Strahlen zu sehen waren. Diese Strahlen hatten verschiedene Einfallswinkel in das Wasser. So konnte man beobach­ten, wie bei immer flacher werdendem Winkel a die Brechung in der Luft immer größer wurde. Bis dahin, daß kein Licht mehr aus dem Was­ser strahlte; denn alle Strahlen wurden totalreflektiert.

Die Formel lautet, da aus dem Wasser in die Luft reflektiert wird:

sin b = 3

sin a 4

sin 90 ° = 4 = 1 = 4

sin b 3 sin b 3 4 x sin b

sin b b

Dies ist der sog. Grenzwinkel der Totalreflexion.

Merke :

Fällt das Licht aus der Luft ins Wasser, so ist der Winkel b kleiner als der Winkel a

Kommen die Strahlen des Lichts aus dem Wasser und gehen in die Luft, so gilt das Umgekehrte, als wird der Winkel b in jedem Fall größer. ( Bis zu Totalreflexion)

Weitere Beispiele der Totalreflexion:

Wir hielten in ein Becken mit Wasser ein leeres Reagenzglas. Ab einem bestimmten Winkel schien das Reagenzglas wie versilbert. Nun konnte man die verschiedenen Winkel ausprobieren und stellte immer das selbe fest, man kann ab einem best. Blickwinkel nicht mehr in das Rea­genzglas reinsehen. Ist aber Wasser im Reagenzglas so bemerkt man nur die Blickbrechung durch die verschiedenen Materialien.

Rechnung:

sin a = n sin b = sin a sin b

sin b

sin b

b

Planparalleleplatte:

a = 30 ° n = 1,5

sin a : sin b = n               sin g sin d = sin g: N g/l

sin b = sin a :n          (Wechselwinkel zu b sin d

sin b sin d

b d

Lichtbrechung in Prismen

Rechnung der Brechungswinkel:

Ist der Blickwinkel auf ein Glas 30°, so ist der Winkel b

sin d : sin c Der Winkel c läßt sich dadurch               

errechnen, daß die Winkelsumme im

Dreieck 180° beträgt.

sin d = sin c x 1,5                        Also 60° + 90° + 90° ergibt 180°,

wobei bei einem der 90° Winkel ich

sin d = sin 40,53° x 1,5               19,47° abziehe und so auf den Winkel

c = 40,53° komme.

d

Umlenkprisma

Beim Umlenkprisma sind die Winkel so, daß die entstehende Totalrefle­xion gleich zweimal zu Tage tritt und der Lichtstrahl an der selben Seite wieder austritt, an der er auch ein tritt.

sin a

N = 1,5

sin a : sin b 1: sin b

sin b = 1 : 1,5 = 0,66666666 b = 41,81°, ein Winkel der

Totalreflexion

Totalreflexion tritt überall da auf, wo der Winkel a 90° beträgt.

Linsen

Linsen bestehen aus geschliffenem Glas, welches dazu benutzt wird Lichtstrahlen zu bündeln oder in eine bestimmte Richtung zu lenken.

Es gibt 2 Grundlinsen, bikonkav( nach innen gewölbt ), bikonvex( nach außen gewölbt). Hierzu gibt es verschiedene kombinierte Schliffe:

Die Linsen haben wie gesagt die Eigenschaft das Licht zu bündeln, zu zerstreuen oder umzulenken. Dies geschieht nach dem Prinzip des Parabolspiegels. Denn auch hier gilt Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen und umgekehrt. Außerdem kann man in Versuchen mit Linsen feststellen, daß ein Gegenstand anders erscheint, wenn der Abstand zu Linse verändert wird.

Hier befindet sich der Gegenstand (G) außerhalb der doppelten Brennweite (2F). Das visuelle Bild erscheint dem Betrachter durch die Linse nun zwischen den Punkten F (einfache Brennweite) und 2F verkleinert und verkehrt herrum.

Steht der Gegenstand aber auf 2F, so ist er durch die Linse im visuellen genau so groß und steht auch auf 2F gegenüber.

Steht der Gegenstand im reellen zwischen 2F und F, so erscheint er verkehrt herrum und größer auf der visuellen Seite der Linse.

Bei dieser Anordnung steht der Gegenstand zwischen dem Brennpunkt F und der Linse. Hier erscheint ein virtuelles Bild auf der selben Seite der Linse, er ist aber vergrößert. Dies ist die Funktion der Lupe.

Steht der Gegenstand aber auf dem Punkt F, so liegt sein Bild im unendlichen. Hier ist der Gegenstand also als visuelles Bild nicht zu sehen, da die Parallelstrahlen sich erst im unendlichen kreuzen. Hiernach ist das Bild dann auch unendlich groß.