Versuch 1 Praktikum Optik und Atomphysik Thema „Licht und ...

Versuch 1 Eva Heineke
Andreas Wobig
Praktikum Optik und Atomphysik
Thema „Licht und Lichtausbreitung“

Inhaltsverzeichnis
1.0 Licht breitet sich in homogenen Medien geradlinig aus
1.1 Theorie
1.2 Versuchsaufbau, -beschreibung und -ablauf
1.3 Auswertungen und Ergebnisse
1.4 Zusammenfassung
1.5 Zusatzfragen
2.0 Licht hat Energie
2.1 Theorie
2.2 Versuchsaufbau, -beschreibung und -ablauf
2.3 Auswertungen und Ergebnisse
2.4 Zusammenfassung
2.5 Zusatzfragen
3.0 Licht im inhomogenen Medium
3.1 Theorie
3.2 Versuchsaufbau, -beschreibung und -ablauf
3.3 Auswertungen und Ergebnisse
3.4 Zusammenfassung
4.0 Quellenverzeichnis
5.0 Anhang

Licht und Lichtausbreitung
1.0 Licht breitet sich in homogenen Medien
1.1 Theorie
geradlinig aus
Schon seit der Antike haben Gelehrte und Wissenschaftler sich bemüht eine allgemeingültige
Theorie über die Natur des Lichts aufzustellen. Dabei wurden viele grundlegende
Erkenntnisse gewonnen, die in die heutige moderne Physik eingeflossen sind.
300 v. Chr. hat Euklid sich in seiner Schrift über die Optik darum bemüht, seine
Überlegungen in eine exakte mathematische Form zu bringen. Hierauf gründete sich die
Theorie der geometrischen Optik, die besagt, dass Licht sich strahlenförmig auf geradlinigen
Bahnen im Raum ausdehnt. Die Ausbreitung von Licht lässt sich also mit dieser Theorie
geometrisch beschreiben.
Ende des 17. Jahrhunderts kamen mit der Emissions- und Wellentheorie zwei einander
widerstreitende Auffassungen über die Beschaffenheit des Lichts auf.
Die geradlinige Ausbreitung des Lichtes führte Isaac Newton dazu, die Emissionstheorie zu
begründen. Danach besteht Licht aus winzigen Partikeln, die von einer Lichtquelle aus
geradlinig durch den Raum geschleudert werden. Die Lichtteilchen können von Hindernissen
abprallen und die Richtung ihrer Flugbahn verändern. 1690 entwickelte Christian Huygens
die erste Wellentheorie des Lichtes. Das nach ihm benannte Huygenssche Prinzip besagt, dass
jeder Punkt einer bestehenden Wellenfront ein Ausgangspunkt einer neuen kugelförmigen
Elementarwelle ist, die die Ausgleichsgeschwindigkeit und Frequenz der ursprünglichen
Wellenfront hat. Die Einhüllende aller Elementarwellen ergibt die neue Wellenfront.
Die geometrische Optik beruht auf dem Modell von geradlinigen Lichtstrahlen, die nur bei so
genannter Brechung (beim Übergang in ein optisch dichteres oder dünneres Medium) oder
Reflexion ihre Richtung ändern. Alle Welleneffekte des Lichtes werden in der Strahlenoptik
vernachlässigt. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, oft mit c abgekürzt, beträgt 299.792,5
Kilometer pro Sekunde und wurde erstmals von dem dänischen Physiker Olaf Römer anhand
von Beobachtungen an den Jupitermonden bestimmt.

In Materie, etwa in Luft, Wasser oder Glas, ist die Lichtgeschwindigkeit hingegen geringer.
Der Faktor n = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum/Lichtgeschwindigkeit im Medium ist eine
Materialkonstante und heißt die optische Dichte des Mediums.
Die optische Dichte des Vakuums beträgt 1, die von Luft 1,00029. Zu einem geringen Teil
hängt die Lichtgeschwindigkeit in Materie auch von der Farbe des Lichtes ab (siehe Versuch
Dispersion).
Aus der Geradlinigkeit von Lichtstrahlen ergibt sich die Schattenform eines beliebigen
Gegenstandes: alle diejenigen Punkte eines Projektionsschirmes (etwa einer Wand) liegen im
Schatten, bei denen die direkte Verbindungslinie zur Lichtquelle den undurchsichtigen
Gegenstand durchdringt. Es folgt, dass der Rand des Schattens unscharf ist, wenn die
Lichtquelle ausgedehnt ist. Die Unschärfe des Schattens, erhöht sich mit der Ausdehnung der
Lichtquelle, mit der Nähe zur Lichtquelle und mit der Entfernung zwischen Gegenstand und
Schirm.
Um 1800 konnte Thomas Young die Wellennatur des Lichtes nachweisen. Ebenso wie der
Schall kann auch das Licht als ein Wellenphänomen verstanden werden und die Ausbreitung
des Lichtes mit allgemeingültigen Gesetzen zur Ausbreitung von Wellen beschrieben werden.
Phänomene wie die Beugung und Interferenz des Lichtes sind durch die Wellentheorie
erklärbar. (Vgl. www.led-info.de/grundlagen/licht/was-ist-licht/geschichte.html, Stand 05/06,
vgl. http://de.encarta.msn.com/encyclopedia_761576625/Optik.html, Stand 05/06)
1.2 Versuchsaufbau, -beschreibung und - ablauf
Materialien:
Leuchtbox, Halogen 12 V/20 W
mit 3 dicht schließenden Blenden
mit 1 Einspalt/Zweispalt-Blende
mit 1 Dreispalt/Fünfspaltblende
Netzgerät, 3…12 V-/6- V~, 12 V~
weißes Papier Din A4

Aufbau:
Siehe Abb. 1
Legt das Blatt Papier quer vor euch auf den Tisch und stelle die Leuchtbox mit der
Lampenseite auf das Blatt, wie es die Abb. 1 zeigt.
Markiert die Stellung der Leuchtbox mit dünnen Bleichstiftstrichen
Abb. 1
Ablauf:
a) Gesetzmäßigkeit der Lichtausbreitung
Beobachtet das Licht und markiert durch je 2 Kreuzchen den oberen und unteren Rand des
Lichtbündels.
Wie verlaufen die Lichtbündelbegrenzungen? Notiert eure Beobachtungen.
Benutzt nun die Rückseite des Blattpapiers und stellt die Leuchtbox wieder an dem Rand des
Blattes (Abb. 1) auf. Markiert die Stellung der Leuchtbox mit dem Bleistift.
Haltet in ca. 2 cm Abstand von der Leuchtbox die Dreispaltblende in das Lichtbündel und
beobachtet den Verlauf des Lichts vor und hinter der Blende.
Markiert jeden Rand der 2 breiten Lichtbündel und jedes sichtbare schmale Lichtblende
(jeweils oben und unten) mit jeweils 2 Kreuzchen und verbindet diese.
Wie verlaufen die Ränder der breiten Lichtbündel und die schmalen Lichtbündel?
aa) Visiermethode
Setzt die Dreispaltblende in die Leuchtbox auf der Lampenseite ein und stellt die Leuchtbox
am Rand eines Blattes Papier wie in Abb. 2 auf.
Haltet im Abstand von ca. 8 cm von der Leuchtbox die Einspaltblende senkrecht in den
Lichtweg.
Versucht eine Begründung für deine Beobachtungsergebnisse bei der Visiermethode
anzugeben.

Abb. 2
1.3 Auswertungen und Ergebnisse
Gesetzmäßigkeit der Lichtausbreitung
Die Lichtbündelbegrenzungen verlaufen geradlinig auseinanderstrebend. Sowohl die Ränder
der breiten als auch die der schmalen Lichtbündel verlaufen geradlinig.
Abb. 3
Visiermethode
Da das Licht der Lichtquelle zunächst den mittleren Spalt der Dreifachblende und
anschließend die Öffnung der Einfachblende passiert, müssen beide auf einer Geraden liegen,
wenn sich das Licht geradlinig ausbreitet. Dies wird durch den Versuch bestätigt.
Abb. 4

1.4 Zusammenfassung
• Von Lichtquellen breiten sich Lichtstrahlen in allen Richtungen aus.
• Innerhalb eines lichtdurchlässigen Stoffes von gleichartiger Beschaffenheit wie z.B.
Glas breiten sich Lichtstrahlen geradlinig aus. Dies gilt auch für die Lichtausbreitung
im luftleeren Raum.
• Hinter lichtundurchlässigen Körpern entstehen Schatten.
• Quer zu ihrer Ausbreitungsrichtung haben Lichtstrahlen keine Wirkung. So kann, da
das Licht nicht direkt in unser Auge gelangt, auch nicht von uns wahrgenommen
werden.
• Lichtstrahlen aller Farben können sich ungestört durchkreuzen.
(Vgl.
05/06)
http://www.altenpflegeschueler.de/sonstige/grundlagen-der-physik-1.php, Stand
1.5 Zusatzfragen
Überlegt euch Anwendungen aus der Technik für die von euch gefundene Gesetzmäßigkeit
und gebt zwei Beispiele an.

2.1 Theorie
2.0 Licht hat Energie
In der Physik bezeichnet man mit Photon die elementare Anregung (Quant) des
elektromagnetischen Felds. Man kann Photonen auch als „Bausteine“ elektromagnetischer
Strahlung, so etwas wie „Lichtteilchen“ betrachten. Dabei besitzen alle Elementarteilchen
einschließlich der Photonen auch Welleneigenschaften. Schon die kleinste Menge an
elektromagnetischer Strahlung einer beliebigen Frequenz ist ein Photon. Photonen haben eine
unendliche Lebensdauer, können dennoch bei einer Vielzahl physikalischer Prozesse erzeugt
oder vernichtet werden. Ein freies Photon bewegt sich immer mit der
Vakuumlichtgeschwindigkeit und ist somit nie in einer Ruhelage. In optischen Medien ist die
effektive Lichtgeschwindigkeit aufgrund von Photonen- und Materiewechselwirkung
verringert. (Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Photon, Stand 05/06).
Energieniveauschema
In Atomen befinden sich die Hüllenelektronen auf bestimmten Energieniveaus. Wird einem
Atom nun Energie zugeführt (entweder durch ein Zusammenstoß mit einem Elektron, durch
Heizen oder durch Lichtbestrahlung), befindet es sich im angeregten Zustand. Hierbei werden
Hüllenelektronen auf höhere Energieniveaus gebracht. Da jedes Elektron bestrebt ist, in
seinen Grundzustand zurückzukehren, fällt das Elektron wieder auf sein anfängliches
niedrigeres Energieniveau zurück. Dabei wird Energie in Form von Licht frei: Photonen der
Energie W=h*f (h: Plancksches Wirkungsquantum, f: Frequenz) werden frei.
Solarzelle
Solarzellen werden aus Hableitern hergestellt, dessen Leitfähigkeit durch Energiezufuhr in
Form von Wärme oder Licht erhöht werden kann. Doch wie kann ein Stoff an Leitfähigkeit
gewinnen, wenn man ihm Energie zuführt? Jedes Atom hat im Kristallgitter von Silicium hat
vier unmittelbare Nachbaratome, in denen sich jeweils eines der vier Außenelektronen des Si-
Atoms aufhalten. Auf gleiche Weise liefert jedes der Nachbaratome ein Außenatom für diesen
Nachbarbereich, so dass sich dort zwei Elektronen befinden.

Durch die Anziehungskräfte der Elektronen im Nachbarbereich wird der Kristall
zusammengehalten. Bei sehr tiefen Temperaturen sind die Elektronen fest zusammen.
Wird der Kristall erwärmt, so beginnen die Elektronen zu schwingen und werden sozusagen
aus ihren Bindungen quasi freigesetzt. Legt man eine Spannung an, werden die quasi freien
Elektronen zum Pluspol gezogen und am Minuspol wieder durch neue Elektronen aus dem
Stromkreis ersetzt. Um die Leitfähigkeit eines Halbleiters zu verbessern, wird die Anzahl der
Elektronen erhöht.
Hierzu werden einige (z. B. jedes millionste) Siliziumatome im Kristallgitter durch
Arsenatome ersetzt. Diesen Vorgang wird als Dotieren bezeichnet. An der Kristallbindung
kann ein Elektron kann sich nicht beteiligen, da Arsen fünf Valenzelektronen besitzt.
Als „freies“ Elektron bleibt es und erhöht somit die Leitfähigkeit. Bei dieser Form der
Dotierung, die auf der Zugabe von negativ geladenen Elektronen beruht, wird im Resultat von
n-Halbleitern gesprochen.
Wird Silizium mit Atomen dotiert, die ein Valenzelektron weniger haben, z. B. Aluminium,
nennt man es positiv dotiert und es entsteht ein p-Halbleiter. Bei jedem Aluminium-Atom
fehlt ein Elektron in der Bindung, so dass viele Löcher (Defektelektronen) entstehen, die nicht
aufgefüllt werden können. Bei angelegter Spannung können Bindungselektronen von links in
ein rechts von ihrem Gitterplatz liegendes Loch fließen (Abb. 5).
Abb. 5
Dadurch entsteht an ihrem alten Platz ein neues Loch. Auch Elektronen, die aus dem
Minuspol kommen, können dabei Löcher auffüllen. Da der Kristall elektrisch neutral bleiben
muss, müssen eben viele Elektronen zum Pluspol abwandern.
Grenzen ein n- und ein p-Halbleiter ohne Störung der Gitterstruktur aneinander, so entsteht an
dieser Stelle der so genannter p-n-Übergang, der eine Sperrschicht darstellt. Diese Schicht
lässt je nach Polung Elektronen durch oder sperrt sie, so dass es zu keinem Elektronenfluss
kommen kann. Dies nennt man eine Halbleiterdiode. Die n-dotierte Seite eines Halbleiters ist
der Sonne zugewandt.

Vor der Belichtung der Solarzelle überschreiten einige Elektronen aufgrund ihrer
Eigenbewegung schon bei der Herstellung des p-n-Übergangs die Grenzschicht, genauso wie
einige Bindungselektronen in die Löcher des p-Halbleiters rücken. Der n-Halbleiter verliert
dabei einen kleinen Teil seiner frei beweglichen Elektronen. In der direkten Nähe der
Grenzschicht überwiegt bei den n-Halbleitern die positive Ladung der Löcher. Der p-
Halbleiter lädt sich in der Nähe der Grenzschicht durch die hinzu gekommenen Elektronen
leicht negativ auf. Auf diese Weise entsteht ein Gleichgewichtszustand, der verhindert, dass
weitere Elektronen über die Grenzschicht springen.
Wird die Grenzschicht nun durch Sonnenstrahlen belichtet, werden die Elektronen auf ein
höheres energetisches Niveau gehoben und es entstehen freie Elektronen und Löcher. Jetzt
ziehen am Rande des n-Halbleiters die positiven Ladungen freie Elektronen an, wodurch das
Gleichgewicht gestört wird. Bei diesem Prozess hat der n-Halbleiter Elektronen „zurück
gewonnen“, welche über den äußeren Stromkreis zurück zum p-Halbleiter fließen. Bei
anhaltender Belichtung durch Sonnenstrahlen entsteht so ein kontinuierlicher Stromfluss, den
man als Nutzstrom abgreifen kann.
(Vgl. http://www.diebrennstoffzelle.de/alternativen/sonne/solarzelle.shtml, Stand: 05/06).
2.2 Versuchsaufbau, -beschreibung und - ablauf
Materialien:
Solarzelle (des Typs: ASI-F 2/12 mit folgenden Angaben: Pmpp : 2,6 W (beginnend), Umpp :
16,8 V, UOC : 22,8 V, Impp : 0,127 A ≈ const. (mpp: maximum power point), Isc : 0,165 A (sc:
short cut), Toleranz ± 10%). Auch andere Solarzellen sind möglich.
2 Leitungen,
2 Klemmen
Widerstände und ein Multimeter
Aufbau:
Schießt die Solarzelle mit Hilfe der Leitungen, Widerstände und den daran befestigten
Klemmen an das Multimeter an.

Ablauf:
Die Solarzelle hat laut Herstellerangabe bei einer Lichtintensität von 1000 W/m 2 (1000 W/m 2
= intensive Sonnenstrahlung bei blauem Himmel ohne Wölkchen = Solarkonstante) einen
Kurzschlussstrom von 0,127 A.
Beschreibt in wenigen Worten die aktuelle Wetterlage.
Schließt das Multimeter im Messbereich 2 A oder 10 A an die Anschlüsse der Solarzelle an.
Ihr messt nun den zur aktuellen Lichtintensität gehörenden Kurzschlussstrom Isc.. Bestimmt
diesen bei a) künstlichem Licht (Overheadprojektor, ca. 2000 W/m 2 ) und b) bei Sonnenlicht.
Mit der nachfolgenden Formel könnt ihr die Lichtintensität (Bestrahlungsstärke) S berechnen.
Welchen Zusammenhang zwischen Kurzschlussstrom und Lichtintensität vermutet ihr bei
folgender mathematischer Bedingung?
Isc (in A) x 1000 W/m 2
Lichtintensität S (in W/m 2 ) = -------------------------
Impp (in A)
Bestimmt mit dem Multimeter (Messbereich 2 V Gleichstrom) die Leerlaufspannung UOC der
Solarzelle bei a) künstlichem Licht und b) bei Sonnenlicht.
Deckt die Fläche der Solarzelle schrittweise in 20er Schritten beginnend bei 20% mit
schwarzer Pappe ab und messt die entsprechende Leerlaufspannung in V. Stellt die
Messergebnisse in einer Tabelle zusammen und wertet diese aus. Achtung! Die Solarzelle
sollte sich nicht erwärmen, da die Temperaturerhöhung einen Einfluss auf die
Leerlaufspannung hat.
Abgedeckte
Fläche in %
Leerlaufspannung
in V
20 40 60 80 100

2.3 Auswertungen und Ergebnisse
Im Gegensatz zu anderen Stromquellen darf man eine Solarzelle kurzschließen; der
Kurzschlussstrom ist dabei eine wichtige Messgröße. Er ist abhängig von der Fläche der
Solarzelle und der Strahlungsleistung des einfallenden Lichts. Die Leerlaufspannung meint
die gemessene Spannung, die sich ergibt, wenn kein Verbraucher zwischengeschaltet ist.
Aus der Formel und den Messwerten ergibt sich ein proportionaler Zusammenhang zwischen
Kurzschlussstrom und Lichtintensität.
Ob der Kurzschlussstrom drinnen oder draußen größer ist, hängt von der Lichtinstensität
(W/m 2 ) ab.
Aus der Tabelle ergibt sich, dass die Leerlaufspannung abnimmt, je größer die abgedeckte
Fläche der Solarzelle ist.
2.4 Zusammenfassung
Die Solarzelle ist ein elektronisches Bauelement aus dem Halbleiter-Material Silizium. Ihre
Oberseite ist gleichmäßig dunkelblau-schwarz, damit Lichtreflexe verhindert werden und das
einfallende Licht in den Siliziumkristall gelangen kann. Die Solarzelle wandelt Sonnen- bzw.
Lichtenergie in elektrische Energie um. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle liegt bei etwa
16%.
2.5 Zusatzfragen
Warum darf man Stromquellen (Netzgeräte, Batterien, Akkus) niemals kurzschließen?
Warum kann man Solarzellen problemlos und folgenlos kurzschließen?
Was heißt der Index oc bei der Angabe UOC ?

3.1 Theorie
3.0 Licht im inhomogenen Medium
Inhomogenität bedeutet in den Naturwissenschaften eine ungleiche Verteilung von Masse
oder anderen Eigenschaften. Die Atmosphäre ist beispielsweise ein inhomogenes Medium, da
diese aus unterschiedlichen Luftschichten mit unterschiedlichen Dichten besteht. Optische
Effekte können auftreten, wenn Licht von irdischen oder außerirdischen Lichtquellen die
Lufthülle der Erde durchdringt. Solche Effekte werden „Luftspiegelungen“ bezeichnet. Die
Erscheinungen werden durch unstetige oder stetige Brechung des Lichtes an Luftschichten
unterschiedlicher Temperatur und damit unterschiedlicher optischer Dichte hervorgerufen.
Ein Beispiel ist das Flimmern der Fixsterne. Beobachtet man solche Fixsterne, lässt sich
häufig eine Zitterbewegung sowie Helligkeitsschwankungen feststellen. Es wird durch
zeitliche Änderung der mechanischen und damit auch der optischen Dichte der Luft
verursacht. Da die Brechung des Lichtes ungleichmäßig ist, schwankt in kurzen
Zeitintervallen die Menge des in unser Auge treffenden Lichtes. Bei der Raumfahrt konnte
nachgewiesen werden, dass dieser Effekt nicht außerhalb der Erdatmosphäre auftritt.
Häufig treten Luftspiegelungen am Meer auf. Gelegentlich lässt sich dort das umgekehrte Bild
z. B. eines weit entfernten Schiffes oder einer entfernteren Insel in der Luft schwebend
erkennen. Diese Erscheinung lässt sich durch ein geometrisches Modell erklären.
Abb. 8
Die vom Gegenstand AB ausgehenden Strahlen a und b werden durch die kontinuierlich nach
oben hin abnehmende optische Dichte kontinuierlich gebrochen. Dadurch wird der Lichtweg
gekrümmt. Verlängert man die ins Auge des Beobachters treffenden Strahlen geradlinig

ückwärts, ergibt sich mit den Punkten A’B’ die Lage des auf dem Kopf stehenden virtuellen
Bildes.
Sind tiefere Luftschichten optisch dünner als die darüber liegenden (z.B. erhitzte Luft über
einer dunklen Straße), wird ein unter flachem Winkel gegen die Erdoberfläche einfallendes
Lichtbündel nach oben gekrümmt. Diese Krümmung kann so stark sein, dass das Licht über
einen tiefsten Punkt hinaus wieder nach oben verläuft. Somit entsteht der Eindruck einer
vollständigen Reflexion, die sie aber nicht ist. In einiger Entfernung sieht dann ein Beobachter
ein virtuelles Bild des hellen Himmels auf dem Erdboden. Es wird der Eindruck erweckt die
Straße wäre nass.
Abb. 9
In der geometrischen Konstruktion wird die Lage des virtuellen Bildes durch geradlinige,
rückwärtige Verlängerung ins Auge des Beobachters gelangten Strahles gefunden.
Die Fata Morgana ist ebenfalls ein Beispiel, bei dem Luft ein inhomogenes Medium
durchdringt und es so zu Naturphänomen kommt. Hierbei werden unwirkliche Objekte
sichtbar, wie z. B. Türme, Schlösser oder sogar ganze Städte. Während der Beobachtung
ändern sie ihre Gestalt und sind oft nach kurzer Zeit wieder verschwunden. Die Fata Morgana
stellt ein kompliziertes optisches Phänomen dar, das in den unteren Schichten der Atmosphäre
unter bestimmten Bedingungen auftritt. Ihr Zustandekommen ist jedoch noch nicht
vollständig geklärt.
Das Phänomen der Fata Morgana wird wahrscheinlich durch thermische Inhomogenitäten in
der Luft verursacht, wobei mit zunehmender Höhe über dem Erdboden ein mehrfacher
Anstieg und Abfall der optischen Dichte angenommen wird. Infolge dessen kommt es dann zu
Mehrfachabbildungen und Verschmierungen, die zu den oben genannten Eindrücken führen.

Die Entstehung eines gebogenen Lichtbündels durch kontinuierliche Änderung der optischen
Dichte kann mit Hilfe eines graphischen Schichtenmodells erklärt werden.
Abb. 10
Hierbei wird angenommen, dass die optische Dichte von Schicht zu Schicht zunimmt. Das
Lichtbündel würde bei Lichtdurchgang (Lichtbündel fällt jeweils schräg auf die
Grenzflächen) in gleicher Richtung mehrfach gebrochen. Verringert man in Gedanken die
Dicke der Schichten und vergrößert man gleichzeitig ihre Anzahl, nimmt das Lichtbündel
immer stärker die Form eines Bogens an.
3.2 Versuchsaufbau, -beschreibung und - ablauf
Materialien:
1 Glastrog mit rechteckigem Querschnitt und ebenen Seitenflächen
Zucker,
Leitungswasser
und Flourescein
Aufbau:
Der Glastrog wird etwa zu einem Drittel mit Zuckerlösung gefüllt (ca. 50 g Zucker auf 100 ml
Wasser), die zusätzlich mit Flourescein gefärbt ist. Die Zuckerlösung wird mit der gleichen
Menge gefärbten Wassers überschichtet.
Ablauf:
Rührt mit einem senkrecht gehaltenen Glasstab langsam durch beide Flüssigkeitsschichten.
Der Zucker diffundiert in das darüber geschichtete Wasser.
Jetzt wird ein schmales Lichtbündel von der Seite her von oben nach unten auf die
Vermischungszone gerichtet.
Schaut nun von der Längsseite in den Trog.

3.3 Auswertungen und Ergebnisse
Von oben nach unten entsteht durch das Diffundieren eine Zone kontinuierlich zunehmender
Zuckerkonzentration und somit auch kontinuierlich steigender optischer Dichte. Wenn ein
schmales Lichtbündel von der Seite her flach von unten auf die Vermischungszone gerichtet
wird, wird dieses durch stetige Brechung gekrümmt.
Schaut ein Beobachter von der zur Leuchte gegenüberliegenden Seite in den Trog, sieht er das
Bild der Leuchte in angehobener Position.
Abb. 11: Entstehung eines gekrümmten Lichtbündels bei einer Flüssigkeit mit kontinuierlicher Änderung
der optischen Dichte
3.4 Zusammenfassung
Fällt ein Lichtbündel durch ein inhomogenes Medium, nimmt dieses die Form eines Bogens
an.

4.0 Quellenverzeichnis:
• Microsoft Encarta Enzyklopädie 2005
• Georg Schollmeyer, Ralph Hepp: Phywe Schülerversuche Physik – Optik.
• Götz, Rainer. Dahncke, Helmut (Hrsg.): Handbuch des Physikunterrichts.
Sekundarbereich I. Band 4/I. Optik. Aulis Verlag Deubner &CO KG. Köln. 1995.
• Boysen, Gerd u.a. (Hrsg.): Physik für Gymnasien. Sekundarstufe I. Cornelsen Verlag.
Berlin. 2000.
Internetquellen:
• www.wikipedia.de
• http://www.diebrennstoffzelle.de/alternativen/sonne/solarzelle.shtml

5.0 Anhang
Zu 1.5
Überlegt euch Anwendungen aus der Technik für die von euch gefundene Gesetzmäßigkeit
und gebt zwei Beispiele an.
Antwort: Tunnelbau, Gebäude- und Geländevermessung, Zielen beim Luftgewehrschießen.
Zu 2. 4
Warum darf man Stromquellen (Netzgeräte, Batterien, Akkus) niemals kurzschließen?
Antwort: Die Spannungen steigen stark an, so dass Leitungen überhitzen. Dadurch entsteht
Brandgefahr bzw. Batterien entladen sich.
Warum kann man Solarzellen problemlos und folgenlos kurzschließen?
Antwort: Es gibt keine Leistungssteigerung, da die Spannung von der Lichtstärke abhängig
ist.
Was heißt der Index oc bei der Angabe UOC ?
Antwort: Open Circuit / offener Kreis

Versuch 2 Christian Dalfuß, J annis Decker
Reflexionsgesetz
Das Reflexionsgesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen der Richtung des
einfallenden Strahles, des reflektierten Strahles und der Lage des Spiegels. Als Hilfsmittel
dient dabei das sog. Einfallslot. Hierunter versteht man die auf der Spiegeloberfläche im
Auftreffpunkt des einfallenden Strahles errichtete Senkrechte.
Das Reflexionsgesetz lautet:
1.Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind maßgleich.
2.Einfallender Strahl, Lot und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene
Der Einfallwinkel wird vom einfallenden Strahl und dem Lot, der Reflexionswinkel vom
reflektierten Strahl und dem Lot gebildet.
(Abb. 1)
Der Einfallswinkel ist immer gleich dem
Ausfallswinkel, egal in welchem Winkel der
Lichtstrahl auf den Spiegel trifft.

1. Versuch: Reflexion am ebenen Spiegel
1. Theorie
Bei einem gerichteten Lichtstrahl gilt das Reflexionsgesetz, das besagt, dass der
Winkel des einfallenden Strahls zum Lot gleich dem Winkel des ausfallenden Strahles zum
Lot ist („Einfallswinkel = Ausfallswinkel“). Die Lichtstrahlen die vom Punkt P (Gegenstand)
ausgesandt werden, laufen nach der Reflexion am Spiegel so auseinander, als kämen sie
vom Punkt P' (Bild). Der Beobachter sieht das Bild des Gegenstandes. Hier spricht man
von einem „virtuellen Bild“, da keine wirklichen Strahlen von ihm ausgehen. (vgl. Abb 1a)
Versuch 1:
(Abb. 1a)
1. Equipment und Aufbau
(Aufbau 1 Abb. 1b)

Aufbau 1:
Gegeben sind ein ebener Spiegel, eine monochromatische Lichtquelle
(Laserpointer) und ein Schienenaufbau. Der Laserpointer und der Spiegel werden am
Schienenaufbau befestigt und der Lichtstrahl des Laserpointers in verschiedenen Winkeln
auf den Spiegel gestrahlt. Anschließend wird mit Hilfe einer Zigarette Rauch vor den
Spiegel geblasen und der Laserstrahl somit sichtbar gemacht. (siehe Abb.1b)
Aufbau 2:
Gegeben sei wieder ein ebener Spiegel und eine monochromatische Lichtquelle,
des Weiteren das Arbeitsblatt 1. Stelle den Spiegel nun senkrecht auf die
gekennzeichnete Fläche und lasse den Laser aus verschiedenen, auf dem Arbeitsblatt
angegebenen Winkeln auf den Spiegel strahlen. Falls notwendig kann der Lichtstrahl
wieder mit dem Rauch einer Zigarette sichtbar gemacht werden.
2. Aufgaben
Der Einfallswinkel und der Ausfallswinkel des Laserstrahles sollen in Aufbau 1
miteinander verglichen werden und in Aufbau 2 gemessen werden. Was fällt auf?
3. Fragen
a) Wie verhalten sich Einfallswinkel und Ausfallswinkel zueinander?
b) Was geschieht bei Änderung des Einfallwinkels?
c) Was geschieht, wenn der Strahl von schräg oben bzw. nach schräg unten
gerichtet wird?
d) Wo wird das Reflexionsgesetz am ebenen Spiegel technisch angewandt?
e) Gibt es Erscheinungen in der Natur die mit Hilfe des Reflexiongesetzes zu
erklären sind?
4. Protokoll und Auswertung
Halte Deine Beobachtungen schriftlich fest, skizziere den Aufbau und den
Strahlenverlauf des Lasers mit unterschiedlichen Einfallswinkeln. Gab es Probleme? Wie
wurden sie gelöst? Zu welchem Ergebnis kommst Du?

Arbeitsblatt 1
Aufgaben:
1. Ermittelt zu den vorgegebenen
Einfallswinkeln die dazugehörigen
Ausfallswinkel.
2. Tragt die ermittelten Ausfallswinkel in die
Tabelle ein.
3. Vergleicht die Einfallswinkel und die
Ausfallswinkel.
Einfallswinkel Ausfallswinkel
10°
20°
30°
40°
50°
60°

2. Versuch: Reflexion am Hohlspiegel
1. Theorie
Fällt Licht parallel zur optischen Achse auf einen Hohlspiegel, so kreuzen sich die
reflektierten Strahlen nicht in einem Punkt wie beim Parabolspiegel. Nach der Reflexion
treffen sich nur die achsennahen Strahlen im Brennpunkt F, während die achsenfernen
Strahlen die optische Achse näher am Scheitelpunkt S schneiden. Diese Abweichung
nennt man sphärische Aberration oder Öffnungsfehler. Die Gesamtheit aller reflektierten
Strahlen wird von einer Brennfläche eingehüllt, deren Schnitt mit einer durch die optische
Achse gelegten Ebene die Katakaustik (Abb. 2b) ergibt. Die Spitze der Katakaustik liegt im
Brennpunkt des Spiegels. (Abb. 2a)
(Parallele Strahlen treffen auf einen Hohlspiegel Abb. 2a)
(Katakaustik Abb. 2b)

Berechnung des Brennpunkts und der Brennweite
(Abb. 2c)
Der Lichtstrahl verläuft parallel zur optischen Achse (Strecke CS) und trifft in Punkt A auf
den Hohlspiegel. In diesem Punkt A wird der Strahl nach dem Reflexionsgesetz reflektiert,
wobei die Strecke CA das Lot im Punkt A ist und gleichzeitig der Radius des Hohlspiegels,
da C ja Mittelpunkt ist. Einfalls- und Ausfallswinkel bezeichnen wir als die Winkel α. Da der
Lichtstrahl parallel zur optischen Achse einfällt, ist der eingeschlossene Winkel der
Strecken CA und CS ebenfalls α. Daraus ergibt sich ein gleichschenkeliges Dreieck mit
den Eckpunkten CFA, und somit kann man schlussfolgern, dass die Strecken CF und FA
gleich lang sind. Da beim Hohlspiegel die Strahlen nur nahe der optischen Ebene in den
Brennpunkt gebündelt werden, wird der Winkel α sehr klein und somit das Dreieck sehr
flach. Damit gilt: Strecke CF + Strecke FA ist ungefähr Strecke CA.
Da die Strecken CF und FA gleich lang sind, und die Strecken CA und CS beide den
Radius beschreiben, folgt dass der Brennpunkt F auf der optischen Achse genau in der
Mitte des Radius liegt. Die Brennweite f ist also r/2.
Der Hohlspiegel vergrößert
(Abb. 2d)
Die Punkte P1-3 werden im Hohlspiegel gespiegelt, der
Strahlenverlauf ist eingezeichnet. Die virtuellen Bilder
P’1-3 werden durch die Spiegelung an der konkaven
Oberfläche auseinandergerückt. Beschreiben die
Punkte nun Teile eines Gegenstandes, wäre dieser im
Spiegel vergrößert dargestellt.

(Abb. 2d)
2. Equipment und Aufbau
Gegeben sind ein Hohlspiegel, ein Laserpointer und eine Schienenkonstruktion. Auf
der Schienenkonstruktion werden Laserpointer und der Spiegel montiert (vgl. Abb 2d).
3. Aufgaben
Anschließend wird der Laser eingeschaltet und parallel und nahe der gedachten optischen
Achse auf den Hohlspiegel gerichtet. Die Reflexion wird mittels eines Schirms oder der
Hand gesucht. Nach dem Auffinden wird die Reflexion auf einen dünnen Stift gespiegelt.
Der Stift wird nun von einer Person an exakt derselben Position gehalten, oder besser fest
durch einen Ständer fixiert, während der Schlitten, auf dem der Laser angebracht ist, circa
einen Millimeter zur Seite geschoben wird. Die neue Reflexion wird beobachtet. Zur Hilfe
und besserem Verfolgen des Strahlenverlaufs kann Zigarettenrauch eingesetzt werden.
Berechne die Brennweite des Spiegels.
4. Fragen
a) Wie verlaufen die Strahlen?
b) Wie weit darf der Schlitten verschoben werden, wenn sich die Strahlen immer im
Brennpunkt treffen sollen?
c) Wie kann man den Hohlspiegel sinnvoll nutzen?
5. Protokoll und Auswertung
Halte Deine Beobachtungen schriftlich fest, skizziere den Aufbau und den
Strahlenverlauf des Lasers mit unterschiedlichen Entfernungen von der optischen Achse.

Literaturverzeichnis:
• Dorn/Bader – Physik der Mittelstufe, Schroedel Verlag GmbH, Hannover 1992
• Gerthsen/Vogel – Physik, Springer Verlag, Heidelberg 1993
• http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/geooptik/refl
exion2.vlu/Page/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/geooptik/reflexionsgesetz_gekruemmt
2.vscml.html
• http://de.wikipedia.org/wiki/Reflexionsgesetz
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1.Theorie:
Versuch 3: Alexander Wamsiedler und Michael Helmke
Brechungsgesetz:
Fällt ein Lichtstrahl schräg auf eine Grenzfläche zweier unterschiedlicher Medien (z.B. Luft-
Wasser), so wird ein Teil des Lichtes reflektiert, ein anderer Teil dringt in das Medium ein.
Dabei hat dieser nicht reflektierte Lichtstrahl jedoch seine Ausbreitungsrichtung geändert.
Diese Richtungsänderung wird als Lichtbrechung bezeichnet.
Bild 1: Brechung und Reflexion von Licht
Der Niederländer Willebrord Snell van Royen formulierte durch systematische
Untersuchungen 1620 das Brechungsgesetz (es wird daher auch snelliussches
Brechungsgesetz genannt):
sin α1
——– = konstant = n
sin α2
Daraus folgt, dass die Konstante n, die Brechzahl oder Brechungsindex genannt wird, nur von
den beiden angrenzenden Medien 1 und 2 abhängig ist. Diese Medien unterteilen sich dabei in
einen optisch dünneren und einen optisch dichteren Stoff, von deren Verhältnis die Größe des
Brechungswinkels α2 bei einem bestimmten Einfallswinkel α1 abhängt. Im optisch dünneren
Stoff ist die Lichtgeschwindigkeit größer als im optisch dichteren, sie nimmt im Vakuum
ihren maximal möglichen Wert an.
Der Brechungsindex ist für die Optik eine wichtige Materialkonstante. Dieser hängt nicht nur
vom Material, sondern auch von der Wellenlänge des Lichtes ab.

Beispiele für den Brechungsindex verschiedener Materialen:
Tabelle 1: Brechzahlen verschiedener Stoffe. Die Angaben beziehen sich auf eine
Wellenlänge von 589 nm (gelbe Natriumlinie) und eine Temperatur von 20 °C.
Die Lichtgeschwindigkeit in einem Stoff ist z. B. auch von der Dichte abhängig. Wenn sich
die Dichte von Luft deutlich ändert, so ändert sich auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit von
Licht. Das ist z. B. in der Atmosphäre der Fall. Da sich dort mit der Höhe die Dichte
kontinuierlich ändert, ist das auch für die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Fall. Damit tritt
eine kontinuierliche Brechung auf. Das ist z. B. zu beachten, wenn man den Ort eines Sterns
genau feststellen will (Bild 2).
Bild 2: scheinbare und
wahre Position eines Sterns
Wir sehen den Stern dort, von wo das Licht geradlinig herzukommen scheint. Das muss nicht
der Ort sein, an dem sich der Stern tatsächlich befindet, da in der Lufthülle der Erde eine
kontinuierliche Brechung des Lichtes erfolgt, wenn es geneigt einfällt.
Dieser Effekt tritt auch bei der auf- oder untergehenden Sonne auf. Wir sehen die Sonne

aufgrund der Brechung des Lichtes in der Lufthülle auch dann noch, wenn sie bereits ein
wenig unter dem Horizont steht. Darüber hinaus sehen wir sie gestaucht, weil sich die
Brechung des Lichtes vom oberen Rand der Sonne von der vom unteren Rand der Sonne
unterscheidet.
Eine solche kontinuierliche Brechung tritt auch an Grenzflächen zwischen kalter und warmer
Luft auf. Solche Grenzflächen gibt es manchmal in der Atmosphäre. Man findet sie auch über
von der Sonne stark erhitzten Straßen. Man spricht dann von Luftspiegelungen oder von einer
Fata Morgana.
Totalreflexion:
Geht Licht von einem optisch dichten in einen optisch dünnen Stoff über, dann ist der
Brechungswinkel größer als der Einfallswinkel. Das kann man z. B. beobachten wenn Licht
von Wasser in Luft übergeht
Bei einem Brechungswinkel von 90° gelangt das Licht gar nicht mehr in den zweiten Stoff, es
verläuft entlang der Grenzfläche. Vergrößert man in dieser Situation den Einfallswinkel noch
weiter, dann wird sämtliches Licht an der Grenzfläche reflektiert. Dieser Vorgang wird als
Totalreflexion bezeichnet.
Gesetze der Totalreflexion
Denjenigen Einfallswinkel, ab dem es zur Totalreflexion kommt, kann man mithilfe des
Brechungsgesetzes berechnen. Man nennt ihn Grenzwinkel der Totalreflexion. Im Grenzfall
beträgt der Brechungswinkel 90°. Das gebrochene Licht verläuft in diesem Fall genau in der
Grenzfläche. Dann gilt:
Tabelle 2: Grenzwinkel der Totalreflexion für verschiedene Stoffkombinationen

Bei bestimmten durchsichtigen Medien mit sehr hoher Brechzahl kann das Licht daher
richtiggehend „gefangen“ werden.
Die Totalreflexion wird z.B. bei Lichtleitern (Glasfaserkabel, Lichtleitkabel) für die
Nachrichtenübertragung und bei Prismen (Umkehrprismen, Umlenkprismen) genutzt.
In der Natur findet man das Prinzip der Totalreflexion z.B. bei einem Regenbogen.
Brechung an einem Prisma:
Prismen sind meist Körper aus Glas oder Kunststoff. Sie können genutzt werden, um Licht in
seine Bestandteile zu zerlegen, um es in eine andere Richtung zu lenken (Umlenkprismen)
oder um den Lichtweg umzukehren (Umkehrprismen). An Prismen erfolgt Brechung oder
Totalreflexion von Licht.
Umlenkprismen
Prismen, bei denen das Licht in eine andere Richtung gelenkt wird, nennt man
Umlenkprismen (Bild 3). In welche Richtung das auffallende Licht gelenkt wird, hängt von
der Richtung des Lichteinfalls, von der Form der Prismen sowie von ihren optischen
Eigenschaften ab.
Bei solchen Umlenkprismen erfolgt entweder eine zweifache Brechung an den Grenzflächen
Luft-Glas und Glas-Luft (Bild 3a) oder eine Totalreflexion an einer Grenzfläche (Bild 3b).
Dabei wird bei einem rechtwinkligen Prisma das Licht um 90° abgelenkt.
Bild 3a und 3b: Umlenkprismen
Umkehrprismen
Prismen, bei denen die Lage von einfallenden und reflektierten Lichtstrahlen gerade
umgekehrt wird, nennt man Umkehrprismen (Bild 4). Die Umkehrung des Lichtes kann dabei
durch zweifache Totalreflexion (Bild 4a) oder durch zweifache Brechung und Totalreflexion
(Bild 4b) erfolgen.

Bild 4a und 4b: Umkehrprismen
Betrag der Ablenkung durch ein Prisma
Unter der Ablenkung durch ein Prisma versteht man den Winkel zwischen dem verlängerten
auffallenden Lichtstrahl und dem austretenden Lichtstrahl. Geht man von Licht einer
Frequenz (einer Farbe) aus, dann beträgt nach Bild 5 die Ablenkung:
Diese Minimalablenkung kann auch genutzt werden, um die Brechzahl des Prismas zu
ermitteln.
Bild 5: Brechung am gleichseitigen Prisma
Anwendung von Prismen
Prismen werden vor allem genutzt, um Licht in seine Bestandteile zu zerlegen oder um die
Richtung des Lichtes bei optischen Geräten zu verändern. In Spektralapparaten werden sie zur

Lichtzerlegung genutzt. Das so zerlegte Licht wird einer Analyse unterzogen
(Spektralanalyse).
In Ferngläsern verwendet man Prismen, um das Licht umzulenken (Bild 5). Dadurch ist eine
relativ kurze Bauweise möglich. Darüber hinaus erfolgt eine Umkehrung des Lichtes in der
Weise, dass man im Fernglas ein aufrechtes Bild der betrachteten Gegenstände sieht. Auch in
Spiegelreflexkameras werden Prismen eingesetzt.
2.Versuchsaufbau, -beschreibung und -ablauf:
Versuch zum Brechungsgesetz:
Material:
- Laserpointer
- Winkelscheibe
- Plexiglasscheibe, Halbkreis (optische Scheibe)
- Stativstangen, Halterungen…
Aufbau: Die optische Scheibe wird mit der flachen Seite in Richtung Laser auf den
Mittelpunkt der Winkelscheibe aufgespannt und der Laser auf diesen Mittelpunkt
ausgerichtet.
Bild 6: Versuchsanordnung (anstatt der Reuter-
Lampe wird ein Laserpointer verwendet)
Durchführung: Die Winkelscheibe wird so zum Laser ausgerichtet dass ein durchgängiger
Laserstrahl entsteht. Im weiteren Verlauf wird die Winkelscheibe um die in der Tabelle zum
Versuch angegebenen Einfallswinkel in eine Richtung gedreht und die durch den Laserstrahl
entstandenen Brechungswinkel ermittelt.
Messungen: Die ermittelten Brechungswinkel werden in die unten stehende Tabelle 3 den
gegebenen Einfallswinkeln zugeordnet und die Werte in den Diagrammen 1 und 2 skizziert.

Die Brechzahl n wird, wie in der Theorie beschrieben durch:
sin α1
——– = konstant = n
sin α2
also
sin α Luft / sin α Plexiglas = n L;Pl
ermittelt (Zur Berechnung von n den Taschenrechner auf Grad einstellen).
α Luft 0° 15° 30° 45° 60° 75°
α Plexiglas
sin α Luft
sin α Plexiglas
n L;Pl = sin α Luft /
sin α Plexiglas
Tabelle 3: Versuchsmessungen zum Brechungsgesetz
α Plexiglas
sin α Plexiglas
90
80
70
60
50
40
30
20
10
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
α Luft - α Plexiglas - Diagramm
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
α Luft
sin α Luft - sin α Plexiglas - Diagramm
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
sin α Luft
Diagramm 1
Diagramm 2

Auswertungen und Ergebnisse:
Qualitative Versuchsergebnisse:
- An der Grenzfläche Luft-Plexiglas wird der einfallende Strahl sowohl reflektiert als
auch gebrochen
- Bei einem Übergang Luft-Plexiglas erfolgt die Brechung zum Einfallslot hin
- Einfallender Strahl, reflektierter Strahl, gebrochener Strahl liegen in einer Ebene
- Aufgrund der Ausrichtung auf den Mittelpunkt der optischen Scheibe, wird der
Lichtstrahl nur einmal gebrochen, weil er senkrecht auf den Übergang Plexiglas-Luft
trifft
Quantitative Versuchsergebnisse:
- Die Lichtgeschwindigkeit in Plexiglas ist langsamer als in Luft
- Die Brechungszahl n L;Pl lässt sich mit dem Quotienten sin α Luft / sin α Plexiglas für
mehrere Einzelwerte ermitteln und mit dem Theoriewert (siehe Tabelle 1) vergleichen
- Die Steigung aus Diagramm 2 entspricht nahezu dem Brechungsindex n L;Pl
Weitere Fragen zum Nachdenken:
a) Was lässt sich über den Brechungswinkel α2 im Vergleich zum Einfallswinkel α1 sagen,
wenn
1. Medium 1 optisch dünner als Medium 2 ist?
2. Medium 1 optisch dichter als Medium 2 ist?
(vergleiche Abbildung 1)
b) Kann es eine Brechung geben, wenn Licht senkrecht auf eine Grenzfläche trifft?
Versuch zur Totalreflexion:
Material:
- Laserpointer
- Winkelscheibe
- Plexiglasscheibe, Halbkreis (optische Scheibe)
- Stativstangen, Halterungen…
Aufbau: Der Versuch ist analog zum vorherigen aufgebaut, außer dass die optische Scheibe
mit der konvexen Seite zum Laser hin auf den Nullpunkt der Winkelscheibe aufgespannt
wird. Der Laser bleibt auf den Nullpunkt ausgerichtet.
Durchführung: Die Winkelscheibe wird wiederum senkrecht auf 0° zum Laser ausgerichtet,
so dass ein durchgängiger Laserstrahl entsteht. Im weiteren Ablauf wird die Winkelscheibe
um die in der Tabelle zum Versuch angegebenen Einfallswinkel in eine Richtung gedreht und
die durch den Laserstrahl entstandenen Brechungswinkel bzw. der Grenzwinkel der
Totalreflexion durch Annäherung ermittelt und in die Tabelle eingetragen.
Messungen: Die ersten vier Messungen werden analog zum vorherigen durchgeführt. Danach
(ab 40°) findet ein langsames Drehen der Winkelscheibe (ggf. mehrmals probieren) statt, um
den Übergang von der Brechung zur Totalreflexion, also den Grenzwinkel der Totalreflexion

zu ermitteln. Quantitativ wird in die Tabelle eingetragen ob Brechung oder Totalreflexion
vorliegt.
α Plexiglas 0° 10° 20° 30° 40° ____°
α Luft
Brechung oder
Totalreflexion
Tabelle 4: Brechung oder Totalreflexion
Auswertungen und Ergebnisse:
Qualitative Versuchsergebnisse:
- Der einfallende Lichtstrahl trifft immer senkrecht auf die konvexe Fläche der
optischen Scheibe, verläuft also gradlinig weiter bis zur nächsten Grenzfläche
- Totalreflexion kann nur beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch
dünneres Medium geschehen
- Ist der Grenzwinkel der Totalreflexion erreicht, wird das gesamte Licht an der
Grenzfläche reflektiert
Quantitative Versuchsergebnisse:
- Totalreflexion findet genau dann statt, wenn der Brechungswinkel β = 90° ,
also sin β = 1 ist
- Dieser Einfallswinkel α, ab dem der Brechungswinkel β = 90° ist, wird Grenzwinkel
der Totalreflexion αg der beiden Stoffe genannt und ist ein konstanter Wert
- Für alle Einfallswinkel α > αg gibt es nur einen reflektierten Strahl
- Der experimentell ermittelte Grenzwinkel lässt sich mit dem theoretischen Wert aus
Tabelle 2 vergleichen
Weitere Fragen zum Nachdenken:
c) Wäre es denkbar, dass Totalreflexion auch an einem Übergang von einem optisch dünneren
zu einem optisch dichteren Stoff geschehen kann?
d) Warum wird Licht zur Datenübertragung genutzt?
Versuch zu Prismen:
Material:
- Laserpointer
- Winkelscheibe
- Prisma
- Stativstangen, Halterungen…
Aufbau: Der Versuch ist wiederum analog zu den vorherigen angelegt, nur dass die optische
Scheibe durch ein Prisma ersetzt wird. Das Prisma wird in seinem Mittelpunkt auf den der
Winkelscheibe aufgespannt, so dass Grundseite des Prismas und Mittellinie der
Winkelscheibe parallel liegen.

Durchführung: Der Laserpointer wird aus mehreren frei gewählten Winkeln (z.B. alle 10°, in
Tabelle eintragen) auf den vordersten Schnittpunkt des Prismas und der Mittelpunktslinie der
Winkelscheibe ausgerichtet. Bei den Messungen soll der erste Winkel 0° betragen und dann
stufenweise nach unten geändert werden, aber so, dass der Laserpointerstrahl immer auf den
vordersten Schnittpunkt des Prismas ausgerichtet bleibt. Die Entfernung zum Schnittpunkt ist
nicht relevant, sollte aber so nah wie möglich gewählt werden.
Messungen: Der Einfallswinkel α1 und der ausgehende Winkel β2 (Benennungen nach Bild 5 /
siehe Theorie) werden abgelesen, sofern möglich, und in die Tabelle eingetragen. Durch
systematisches Probieren soll nun der Fall ermittelt werden an dem α1 = β2 ist und damit der
Ablenkwinkel υ minimal ist.
α1 0°
β2
Tabelle 5: Einfalls- und Ausfallswinkel am Prisma
Auswertungen und Ergebnisse:
Qualitative Versuchsergebnisse:
- Das Prisma wird in diesem Versuch genutzt, um das Licht zwei mal in eine Richtung
zu brechen
- Mit Prismen lässt sich Licht auf sehr kurzen Strecken umlenken
Quantitative Versuchsergebnisse:
- Beim kleinsten Ablenkwinkel für das Prisma ist der Strahlengang durch das Prisma
symmetrisch
- Mit Hilfe des kleinsten Ablenkwinkels lässt sich der Brechungsindex des Prismas
berechnen (siehe weitere Fragen)
Weitere Fragen zum Überlegen:
sin ((υ+γ)/2)
e) Mit Hilfe der Formel n = ————— lässt sich der Brechungsindex des Prismas für den
sin (γ/2)
Fall α1 = β2 jetzt rechnerisch ermitteln. Welchen Wert hat n (γ lässt sich messen / s. Theorie)?
f) Warum ist es möglich, mit einem Prisma einen weißen Lichtstrahl in seine Farbbestandteile
zu zerlegen (Abhängigkeit von Ablenkwinkel, Brechungsindex, Lichtwellenlänge)?

Versuch 4 Uwe Misch, Rainer Handelmann
Praktikum Optik
Brechung mit Linsen, Brennpunkt
Abbildungsgesetze,
Lupe, Mikroskop oder Fernrohr

4.1
Theorie
4.2
Equipment
4.3
Versuchsbeschreibung
4.4
Fragestellungen
Inhaltsverzeichnis
4.5
Versuch 1.
Durchgang des Lichts durch Linsen: (2 Varianten)
Durchführung Variante 1
Beobachtung Variante 1
4.5.1
Durchführung Variante 2
Durchführung Variante 2
Beobachtung Variante 2
4.6
Versuch 2:
Brechung von Parallel-, Brennpunkt- und Mittelpunktstrahlen an
Sammel- und Zerstreuungslinsen
Versuchsbeschreibung
Beobachtung
Ergebnis
4.7
Versuch 3.
Linsengleichung und Gleichung für den
Abbildungsmaßstab
Versuchsbeschreibung
Auswertung
Ergebnis
Anmerkung
Hinweis
Anhang: Auswertungstabelle für Versuch 4.7 Versuch 3
2

Versuch 4:
Brechung mit Linsen, Brennpunkt
Abbildungsgesetze,
Lupe, Mikroskop oder Fernrohr
4.1 Theorie:
Die Untersuchung der Brechung von Lichtbündeln beim Übergang von einem
durchsichtigen Stoff in einen anderen stellt eine systematische Fortsetzung der
Experimente zu den Eigenschaften des Lichts dar.
Daher soll bei diesen Versuchen veranschaulicht werden, wie Lichtstrahlen sich
hinter verschiedenen Linsen ausbreiten.
Durch Messungen an der optischen Bank und der Hafttafel soll auf die Abbildungs-
und Linsengesetze hergeleitet werden.
4.2 Equipment:
Bei den hier aufgeführten Experimenten soll hauptsächlich mit punktförmigen
Lichtquellen bzw. mit parallelen Lichtbündeln gearbeitet werden, damit der
Lichtverlauf durch unterschiedliche Linsen und Linsensysteme erkennbar wird.
Als Experimentiergeräte dienen hier vor allem Experimentierleuchten, eine Hafttafel,
eine optische Bank sowie Laserpointer .
Geräte und Anordnungen werden zu den einzelnen Versuchen gesondert aufgeführt
und beschrieben.
4.3 Versuchsbeschreibung:
Es handelt sich hierbei um drei Einzelversuche.
Es werden drei Gruppen gebildet (2x5 Personen und 1x4 Personen).
Jede dieser Gruppe baut einen Versuch auf führt ihn durch, wertet ihn aus und geht
im Anschuss zu einem anderen Versuchsaufbau, der vorher von einer anderen
Gruppe vorbereitet wurde.
Der Gruppenwechsel verläuft solange, bis jede Gruppe jeden der drei Versuche
durchgeführt hat.
4.4 Fragestellungen:
a. Was ändert sich am Bild, wenn ein Teil der Linse abgedeckt wird?
b. Wie kann man erreichen, dass bei der Abbildung mit einer Sammellinse, dass Bild
genauso groß ist wie der Gegenstand?
c. Wie ändert sich die Bildgröße eines weit entfernten Gegenstands, wenn er
zunächst mit einer Sammellinse mit f = 5cm, dann mit f = 10cm abgebildet wird?
Wo liegen die Bilder ungefähr?
d. Ein Gegenstand bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit aus großer
Entfernung auf eine Konvexlinse zu. Das reelle Bild bewegt sich von der Linse fort.
Wann ist seine Geschwindigkeit a) kleiner, b) größer als die des Gegenstands?
e. Ein weit entfernter Gegenstand (Haus, Baum) wird durch eine Konvexlinse auf
einen Schirm abgebildet. Warum ist der Abstand Linse – Schirm nahezu gleich der
Brennweite f? Für welches optische Gerät ist diese Tatsache unbedingt notwendig ?
3

4.5 Versuch 1.
Durchgang des Lichts durch Linsen: (2 Varianten)
Variante 1:
Materialien:
1. Hafttafel
2. Mehrspalthaftleuchte mit Stromquelle
3. Linsenkörper, bikonvex, magnetisch haftend
4. Linsenkörper, bikonkav, magnetisch haftend
Variante 2:
Materialien:
1. Experimentierleuchte mit Kondensor und Stromquelle
2. optische Bank
3. große Linse mit Blendscheibe, f = +100mm
4. große Linse mit Blendscheibe, f = - 200mm
5. Mehrfachspaltblende
6. Fadenvorhang
Durchführung Variante 1:
In der Mitte der Hafttafel wird eine horizontale Linie gezogen, die als optische Achse
dient. Auf der linken Seite wird die Mehrspalthaftleuchte auf der Hafttafel befestigt,
sodass nach verbinden mit der Stromquelle die parallelen Lichtbündel teils oberhalb
und teils unterhalb der optischen Achse verlaufen. Zunächst wird in etwa 20 cm
Abstand von der Leuchte der bikonvexe Linsenkörper in den Lichtweg gebracht.
Anschließend wird der bikonvexe durch den bikonkaven Linsenkörper ersetzt.
Abb.1
Beobachtung Variante 1
Bei der Bikonvexen Linse werden alle Lichtbündel zur optischen Achse hin
gebrochen, sodass sie sich alle etwa in einem Punkt treffen (Abb. 1).
Die Lichtbündel divergieren von der optischen Achse weg, als ob sie alle von einem
Punkt auf der linken Seite der Linse herkämen (Abb. 2)
4

Abb. 2
4.5.1 Durchführung Variante 2:
Die Experimentierleuchte wird am Ende der optischen Bank aufgestellt und mit der
Stromquelle verbunden. es wird ein horizontaler, paralleler Lichtverlauf eingestellt.
Dann bringt man den Fadenvorhang über der optischen Bank an. Nachfolgend stellt
man die Mehrfachspaltblende so vor den Kondensor, dass die Spalte horizontal
verlaufen. In etwa 20 cm Entfernung von der Experimentierleuchte wird die
Sammellinse in die Lichtstrahlen eingeführt.
Abb. 3
Beobachtung:
Am Fadenvorhang sind mehrere parallele Lichtbündel zu beobachten, die nach dem
Durchgang durch die Linse zu einem Punkt hin verlaufen (Abb. 3).
Die Sammellinse wird nun durch eine Zerstreuungslinse ausgetauscht.
Beobachtung:
Nach dem Durchgang durch die Linse verläuft das Lichtbündel divergent. Das Licht
scheint von einem Punkt vor der Linse herzukommen.
5

4.6 Versuch 2:
Brechung von Parallel-, Brennpunkt- und Mittelpunktstrahlen an
Sammel- und Zerstreuungslinsen
Materialien:
1. Hafttafel
2. Haftleuchte mit Stromquelle (eventuell Laserpointer)
3. Linsenkörper bikonvex, magnetisch haftend
4. Linsenkörper bikonkav, magnetisch haftend
Auf einer Hafttafel wird eine optische Achse eingezeichnet und eine bikonvexe Linse
genau in der Mitte befestigt. Die einfachen (F und F´) sowie die doppelten
Brennweiten (2F und 2F´) werden gekennzeichnet. In doppelter Brennweite wird nun
die Leuchte so auf den Linsenkörper gerichtet, dass
a. die Strahlen zur optischen Achse parallel verlaufen
b. die Strahlen die Linse im unteren Drittel, also unterhalb der optischen Achse,
treffen und
c. die Strahlen genau in der Mitte die Linse durchlaufen
(siehe Abb. 4)
Abb.4 Abb.5
Beobachtung:
a. der Lichtstrahl verläuft hinter der Linse durch den Brennpunkt F´
b. der Lichtstrahl verläuft hinter der Linse parallel zur optischen Achse
c. der Lichtstrahl verläuft hinter der Linse gradlinig weiter ohne gebrochen zu
werden
Nun wird die bikonvexe Linse durch die bikonkave Linse ersetzt und der Lichtstrahl
wie folgt zur Linse ausgerichtet:
a. der Lichtstrahl verläuft parallel zur optischen Achse
b. der Lichtstrahl wird so ausgelenkt, als würde er durch den Brennpunkt (F´)
hinter der Linse verlaufen
c. der Lichtstrahl wird auf den Linsenmittelpunkt gerichtet (siehe Abb. 5)
6

Beobachtung:
a. hinter der Linse wird der Lichtstrahl divergent gebrochen und verläuft so, als
käme er vom Brennpunkt (F) vor der Linse
b. hinter der Linse verläuft der Lichtstrahl parallel zur optische Achse
c. hinter der Linse verläuft der Lichtstrahl gradlinig weiter ohne gebrochen zu
werden
Ergebnis:
Bei Sammellinsen verlaufen Parallelstrahlen hinter der Linse durch den
Brennpunkt (F´)und Brennpunktstrahlen hinter der Linse parallel.
Bei Zerstreuungslinsen verlaufen Parallelstrahlen hinter der Linse so, als wenn sie
vom Brennpunkt (F) vor der Linse kämen.
Auf den Brennpunkt (F´) hinter dem Brennpunkt gerichtete Strahlen verlassen die
Zerstreuungslinse als Parallelstrahlen.
Bei Sammel- und Zerstreuungslinsen werden Mittelpunktstrahlen nicht gebrochen.
7

4.7 Versuch 3.
Linsengleichung und Gleichung für den
Abbildungsmaßstab
Materialien:
1. Experimentierleuchte mit Stromquelle
2. optische Bank, 1,5 m
3. 2 Linsen, f = 120 mm (als Doppelkondensor)
4. Linse, f = 150 mm
5. Dia mit Diahalter
6. Projektionswand (Schirm)
7. Maßstab 1 m
8. Maßstab 20 cm
Versuchsbeschreibung:
Zur Vorbereitung des Experiments wird die Lampe eingeschaltet und der
Doppelkondensor in einem solchen Abstand zur Lichtquelle gebracht, dass er gut
ausgeleuchtet ist und ein schwach divergentes Lichtbündel entsteht (Abb.6).
Man stellt die Gegenstandsweite s (g) zunächst auf 0,37 m ein. Der Schirm wird so
verschoben, dass auf ihm ein scharfes Bild zu sehen ist.
Bildweite s´(b) und Bildgröße y´ (B) werden gemessen und in eine Tabelle
eingetragen.
Man wiederholt den Vorgang bei 6 weiteren, kleineren Gegenstandsweiten s (g).
Berechnet und in die Tabelle eingetragen werden außerdem die reziproken
Gegenstands- und Bildweiten, sowie deren Summen, die reziproke
Brennweite (f = 0,15 m), die Gegenstandsgröße y (G) = 0,02 m und die
s g y G
Verhältnisse ( ) und ( ).
s´
b y´
B
1 1 1 1 1
Man vergleicht die Summen + ( + ) mit und
s s´
g b f
Abb.6
s g
( ) mit
s´
b
8
y G
( )
y´
B

Auswertung:
Gegen-
stands-
weite s (g)
in m
Bildweite
s´ (b)
in m
1 1
s s´
+
−1
in m
in
1
f
−1
m
9
Gegen-
stands-
große
y (G)
in m
Bildgroße
y´ (B)
in m
s G
( )
s´
B
y g
( )
y´
b
0,37 0,255 6,63 6,67 0,02 0,014 1,45 1,43
0,30 0,30 6,66 6,67 0,02 0,200 1 1
0,28 0,322 6,68 6,67 0,02 0,023 0,87 0,87
0,26 0,35 6,70 6,67 0,02 0,027 0,74 0,74
0,23 0,43 6,67 6,67 0,02 0,037 0,53 0,54
0,20 0,59 6,69 6,67 0,02 0,057 0,34 0,35
0,18 0,93 6,65 6,67 0,02 0,105 0,19 0,19
Ergebnis:
Für Sammellinsen gilt die Linsengleichung
1 1
s s´
+ = 1
f
und die Gleichung für den Abbildungsmaßstab
s
=
s´
y
.
y´
Anmerkung:
Die in den Gleichungen verwendeten Formeln sind mit beide
Buchstabenkombinationen angegeben (y = g; y´= b; s = G; s´= B.
Ich persönlich halte mich lieber an die alte Bezeichnung b; g; B; G)
Hinweis:
Man sollte vor dem Experiment prüfen, ob die Brennweite der Linse auch mit dem
Aufdruck übereinstimmt. Falls nötig müssen Korrekturen vorgenommen werden

Gegenstandsweite
(g)
in m
Bildweite
(b)
in m
Anhang
Auswertungstabelle für den Versuch 4.7
Versuch 3
1 1
+
g b
−1
in m
1
f
−1
in m
0,37 6,67
0,30 6,67
0,28 6,67
0,26 6,67
0,23 6,67
0,20 6,67
0,18 6,67
1 1
1
1. Bitte vergleicht die Spalte 3 ( + ) mit der Spalte 4 ( ).
g b
f
Welche Beziehung könnt ihr feststellen?
g G
2. Vergleicht nun Spalte 7 ( ) mit der Spalte 8 ( ).
b
B
Was stellt ihr fest?
10
Gegen-
stands-
größe
(G)
in m
Bildgröße
(B)
in m
g
b
G
B

Versuch 5: Dispersion des Lichtes
Yvonne Pörschke, Anna Schneider
Lichtquelle Prisma Bildschirm
Inhaltsverzeichnis:
1. Historie ................................................................................................................... 2
2. Versuchstheorie und –aufbau I............................................................................... 2
3. Beschreibung und Durchführung ............................................................................ 5
4. Beobachtung .......................................................................................................... 5
5. Versuchsaufbau II. und Durchführung .................................................................... 6
6. Beobachtung .......................................................................................................... 6
7. Auswertung und Ergebnisse der Versuche............................................................. 6
8. Zusatzfragen........................................................................................................... 7

1. Historie
J.W. von Goethe: „Die Farben entstehen durch den Einfluss, der dem Glaskörper
hinzugefügt wird, gewissermaßen durch eine Verunreinigung durch das Glas.“
Die Tatsache, dass weißes Licht aus mehreren verschiedenfarbigen Lichtarten
zusammengesetzt ist, wurde erst 1670 durch Newton erkannt und bewiesen. Zuvor
glaubte man, dass die Farbenmischung aus bestimmten Verhältnissen von Licht und
Dunkel entsteht. Newton jedoch zeigte, dass weißes Licht unterschiedliche Farben
enthält und umgekehrt weißes Licht aus zwei Komplementärfarben zusammengesetzt
werden kann.
Die Spektroskopie wurde von einem deutschen Optiker – Joseph von Fraunhofer –
1814/15 erfunden. Das optische Gerät, mit dem Licht in sein Spektrum zerlegt und
visuell untersucht werden kann, nennt man Spektroskop oder Spektrometer.
Er wollte herausfinden, wie stark verschiedene Glassorten das Licht auffächern. Mit
einem Prisma betrachtete er dazu einen Spalt, der durch eine Öllampe beleuchtete
wurde. Zu sehen war eine gelbe Linie, die senkrecht durch das Spektrum verlief. Bei
seinen weiteren Forschungen fand er viele andere Linien in allem Bereichen des
Spektrums.
Isaac Newton: „Licht, das im Auge den Eindruck „weiß“ erzeugt ist aus vielen
Lichtarten zusammengesetzt, die – einzeln betrachtet – die Empfindung
unterschiedlicher Farben hervorrufen.“
2. Versuchstheorie und –aufbau I.
Die Zerlegung des weißen Mischlichtes im Prisma kommt dadurch zustande, dass
das Prisma für jede Spektralfarbe einen anderen Brechungsindex besitzt. Der
Brechungsindex eines Stoffes ist von der Spektralfarbe (bzw. der Frequenz des
Lichtes) abhängig.
Überschreitet eine Lichtwelle die Grenzfläche zwischen zwei Medien mit
verschiedenen Phasengeschwindigkeiten, so hängt auch die Brechung der Welle von
ihrer Frequenz ab. So wird die Lichtwelle an der Grenzfläche in ihre Farb-
Komponenten aufgefächert.
Die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Spektralfarbe beim Übergang vom
Vakuum in ein Medium bezeichnet man als Dispersion. Im sichtbaren Spektrum

nimmt der Brechungsindex vom roten zum violetten Ende hin stetig zu (normale
Dispersion). So wird der rote Teil des Lichtes am wenigsten stark, der blaue/violette
Teil am stärksten gebrochen und somit abgelenkt. Selten gibt es auch eine
abnormale Dispersion, bei der der rote Teil des Lichtes am stärksten und der blaue
Teil wenig gebrochen wird.
Die Dispersion tritt nicht nur bei der Brechung am Prisma, sondern bei jeder
Brechung von nichtmonochromatischen Licht an einer Grenzfläche zwischen
verschiedenen optischen Medien auf. Sie spielt vor allem in optischen Geräten, in
denen Linsen und Prismen verwendet werden, eine häufig unerwünschte Rolle. Die
Dispersion ist die Ursache für die chromatische Abberation, nach der z.B. parallel zur
optischen Achse einfallendes Licht verschiedener Spektralfarben verschiedene
Brennpunkte bei derselben Linse besitzt. Der Fehler wird weitgehend durch
Achromate behoben, das sind Linsen, die aus einer Kombination von Sammel- und
Zerstreuungslinsen verschiedener Glassorten mit unterschiedlichen Brechungsindizies
bestehen.
Die Dispersion ist neben der Brechung für die Entstehung des Regenbogens
verantwortlich, wie Descartes verständlich machte.
Stammt das Licht aus einer Gasentladungslampe,
so enthält es nur eine
begrenzte Anzahl von Frequenzen
(Farben), z.B. drei. Bei der Brechung an
den beiden Grenzflächen entstehen so
drei verschieden gerichtete Teilwellen.
Die Bilder auf dem Schirm sind drei dünne
farbige Linien. Die Lage der Spaltbilder ist Abb.1 Entstehung eines Spektrums
durch ein Prisma
ein relatives Maß für die Frequenz des a) Brechung am Prisma und Aufspaltung
dazugehörigen Lichtes (siehe Abb.1).
b) Spektrallinien am Schirm
So hat jeder Stoff eine bestimmte Anzahl Spektrallinien die er jedes Mal wieder
erzeugt. Er kann so wie ein Mensch am Fingerabdruck, anhand seiner Spektrallinien
erkannt werden. Dieses Verfahren wird speziell auch Spektralanalyse genannt
(Erfinder: Robert Wilhelm Bunsen und Gustav Robert Kirchhoff).
Aus dem komplizierten Bau der Spektrallinien, bei denen es sich meist um
dichtbeisammenliegende Linien handelt, sogenannten Dubletts, Tripletts und

Quartetts, musste man schließen, dass das Borsche Atommodell zu einfach ist. So
wurden Unterschiede des Energieniveaus von Elektronen innerhalb derselben
Schale festgestellt und durch die verschiedenen Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der
Elektronen im Atom erklärt. Zu jedem möglichen Aufenthaltsort bzw. Orbital gehört so
eine bestimmte Energie, die als Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge vom Atoms
aus ausgestrahlt werden kann.
Der Aufbau eines einfachen Spektrometers wird in Abb.2 dargestellt und besteht aus
unkomplizierten Bestandteilen:
- 1 Lichtquelle
- 1. Linse Das Licht der Quelle wird parallel ausgerichtet
- 2. Linse und deutlich gemacht
- 1 Blende Begrenzt den Lichtstrahl in seiner Ausdehnung
- 1 Spalt Lässt nur einen begrenzten Teil des Lichtstrahls hindurch
- 3. Linse bündelt den Lichtstrahl und bildet das Spektrum scharf ab
- 1 Prisma Zerlegung des Lichtes
- 1 Schirm
Lichtquelle
1. Linse 2. Linse Blende Spalt 3. Linse Prisma
Schirm
Abb.2 Stark vereinfachter Versuchsaufbau, der Pfeil stellt den Lichtstrahl ohne Brechung dar.

Zusatz:
Weißes Licht kann auch zusammengesetzt werden.
Wird eine Farbe aus dem Spektrum des weißen Lichtes (s. Abb.3)
herausgenommen, nennt man das restliches Mischlicht und die Spektralfarbe
Komplementärfarben (lat. Ergänzung). Bei Komplementärfarben ist demnach eines
der Lichter ein Mischlicht und das andere eine Spektralfarbe, die zusammen weißes
Licht ergeben.
Dieses Mischen farbiger Lichter wird
Farbaddition genannt. Bei einer
Farbsubtraktion werden einzelne Farben
durch einen Farbfilter absorbiert und nicht
mehr auf dem Schirm angezeigt. Werden
mehrere Farbfilter hintereinander
aufgestellt, so wird immer die jeweils
Abb.3 Spektrum des weißen Lichts.
zugehörige Farbe aus dem Spektrum absorbiert.
3. Beschreibung und Durchführung
Mit den Materialien und in der angegebenen Reihenfolge aus 2. wird der Versuch auf
einer Schiene und Halterungen für die einzelnen Teile aufgebaut. Die Abstände
zwischen den Linsen etc. müssen selbst eingestellt und ausprobiert werden. Der
Schirm, auf den das aufgefächerte Licht nachher auftreffen soll, muss dabei durch
die Lichtbrechung des Prismas nicht in einer waagrechten Linie und nicht in
geradliniger Ausrichtung stehen, sondern seitlich versetzt, um etwas sehen zu
können.
4. Beobachtung

5. Versuchsaufbau II. und Durchführung
Der Versuchsaufbau erfolgt wie in 2., es aber wird statt der Glühlampe eine Gasentladungslampe
(Energiesparlampe) verwendet und dessen Spektrum untersucht.
6. Beobachtung
7. Auswertung und Ergebnisse der Versuche
Zeichne die jeweils abgebildeten Spektren im richtigen Verhältnis dreimal so groß auf
ein Blatt und beschrifte die Enden mit der dazugehörigen Wellenlänge (ca. 380-
700nm).
Inwiefern unterscheidet sich das Spektrum der Gasentladungslampe von dem des
weißen Lichtes und wieso?
- Für das Auge sind nur Wellenlängen von etwa 380-700nm sichtbar, andere
Wellenlängen sind z.B. Ultraviolett, Röntgenstrahlen (unter 380nm), Infrarot,
Mikrowellen (über 700nm)
- Unterschiedliche beschaffene Medien haben unterschiedliche
-
Brechungsindizes und können so das weiße Licht in seine Spektralfarben
auffächern
Das Spektrum von weißem Licht hat Wellenlängen von 380-700nm
- Es gibt Spektren 1.,2... Ordnung und haben unterschiedliche Winkel und
Abbildungspunkte
- Abhängig von der Qualität des Prismas erscheint das Spektrum mehr oder
weniger scharf

8. Zusatzfragen
8.1. Warum ist der Himmel blau?
Der Grund für die Farbe des Himmels ist die nach dem englischen Physiker Baron
John William Strutt Rayleigh benannte Rayleigh-Streuung des Sonnenlichts an
Luftmolekülen. Sobald ein Sonnenstrahl auf ein Luftmoleküls trifft, regt es dieses zu
Schwingungen an. Das nun schwingende Luftmolekül kann seinerseits wieder einen
Lichtstrahl in eine bestimmte Richtung ausstrahlen. So ist das Licht in eine bestimmte
Richtung abgelenkt worden. Rayleigh konnte im Jahre 1899 zeigen, dass das
Ausmaß der Streuung von der jeweiligen Wellenlänge abhängt: Je kleiner die
Wellenlänge ist, desto stärker ist die Streuung. Das heißt, blaues Licht wird viel
stärker gestreut als rotes Licht. Diese Erkenntnis ist der Schlüssel für die Erklärung
der Himmelsfarbe. Das ganze indirekte Sonnenlicht, das unsere Augen erreicht, ist
Streulicht. Da Blau im sichtbaren Spektrum am besten gestreut wird, erscheint uns
der Himmel blau. Natürlich ist das kein reines Blau, da auch noch andere
Farbkomponenten im Streulicht vorhanden sind – allerdings in geringen Ausmaße.
8.2. Wie entsteht ein Regenbogen?
Das Sonnenlicht wird bei beim Eintritt in die Wassertröpfchen durch Brechung und
Dispersion zerlegt und tritt nach einmaliger oder zweimaliger Reflexion an der
Grenzfläche zwischen Wasser und Luft und nochmaliger Brechung aus dem
Wassertröpfchen heraus. Im ersten Fall bildet der einfallende Sonnenstrahl mit dem
ausfallenden einen Winkel von 42°(Hauptregenbogen), im zweiten einen Winkel von
51°(Nebenregenbogen), so dass das Auge die beiden Regenbogen an
verschiedenen Stellen des Himmels sieht.
8.3. Farbaddition (siehe oben) und additive Farbmischung haben unterschiedliche
Bedeutung. Was ist eine additive (1) und was eine subtraktive (2) Farbmischung.
Denke dabei an die Farben des Fernsehers und im Malkasten.
(1) Ist die Farbmischung z.B. beim Fernseher, es gibt die Farben Rot, Blau, Grün
(RGB) mit denen alle anderen Farben darstellbar sind.
(2) Mit den Farben im Malkasten - Magenta, Cyan und Gelb - können die
anderen Farben hergestellt werden.

Abbildungsverzeichnis:
Abb.1 Entstehung eines Spektrums durch ein Prisma a) Brechung am Prisma
und Aufspaltung, b) Spektrallinien am Schirm.
Abb.2 Stark vereinfachter Versuchsaufbau, der Pfeil stellt den Lichtstrahl ohne
Brechung dar.
Abb.3 Spektrum des weißen Lichts.
Literaturverzeichnis:
Dorn (1972): Physik. 16. Auflage, Hermann Schroedel Verlag: Hannover.
Kuchling, H. (2004): Taschenbuch der Physik. 18. neu bearb. Aufl., Carl Hanser
Verlag: Leipzig
Szallies, B. (2000): Physik 1. 2. neubearb. Aufl., Auer Verlag: Donauwörth.
Szallies, B. (2002): Physik 2. 2. neubearb. Aufl., Auer Verlag: Donauwörth.
Physik für Gymnasien (2000). 1. Auflage, Cornelsen Verlag: Berlin.

Versuch 6 Tobias Pavek/ Steffen Engel
Das Huygenssche Prinzip
Christian Huygens (1629 – 1695) war seinerzeit ein bedeutender Mathematiker und
Physiker. Er gilt als Entdecker der Saturnringe und des Saturnmondes und als
Erfinder der Pendeluhr. Als seine größte Leistung aber gilt das nach ihm benannte
Huygenssche Prinzip. Das Huygenssche Prinzip ist die Grundlage für die
Wellentheorie des Lichtes.
1. Theorie:
Spricht man von Wellen, so werden die meisten Menschen zunächst an Wellen im
Meer bzw. im Wasser denken. Es ist ohne weiteres möglich, auch in unserem Fall
diese Wellen zu nutzen.
Am Anfang aber steht zunächst die Frage: „Wie entstehen Wellen überhaupt?“ Wir
können dies sehr anschaulich darstellen, indem wir einfach ein Meer oder See
simulieren und zwar mit Hilfe einer Wellenwanne. Zur Erzeugung einer Welle
benötigen wir zwei Dinge: Erstens einen Erreger, dieser simuliert eine Schwingung,
indem er periodisch in das Wasser eintaucht. Zweitens benötigen wir ein Medium in
dem sich die von uns erzeugten Wellen ausbreiten können und in dem wir sie
beobachten können. Dazu dient uns das Wasser in der Wellenwanne. Wir haben uns
so nun zunächst ein Modell hergestellt.
Das Huygenssche Prinzip:
Es beinhaltet zwei grundlegende Aussagen:
1. Jeder Punkt einer Wellenfront kann als Ausgangspunkt von Elementarwellen
angesehen werden, die sich mit gleicher Geschwindigkeit und gleicher
Wellenlänge, wie die ursprüngliche Welle, ausbreitet.
2. Jede Wellenfront kann man sich als Einhüllende aller Elementarwellen
vorstellen.
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Wie kann man sich dieses Prinzip veranschaulichen?
Für die Betrachtung wollen wir die Laola – Welle heranziehen. Diese Wellenfront
setzt sich aus vielen verschiedenen Menschen zusammen, die eine bestimmte
Bewegung an ihrem Platz ausführen, sobald ihr Nachbar mit der Bewegung beginnt.
Theoretisch wäre es möglich, dass irgendeiner dieser Menschen die Welle an einem
beliebigen Punkt startet. Er ist damit ebenfalls Ausgangspunkt einer Elementarwelle.
Es gibt nun jedoch noch den Fall, dass die Welle auf ein anderes Medium trifft und so
entsprechend „gebrochen“ werden kann (Snelliussches Brechungsgesetz).
Die Brechung lässt sich durch den „Brechungsindex“ beschreiben.
Wellenfront
s2 = c2⋅ t
A B
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s1 = c1⋅ t
Brechungsindex:
n =
sin ( α)
sin ( β )

Die Formel vom Brechungsindex lässt sich wie folgt herleiten:
s1 c1⋅t sin ( α)
= =
AB AB
s2 c2⋅t sin ( β ) = =
AB AB
c1⋅t AB c1
λ1
n = = =
c2⋅t c2
λ2
AB
Es lässt sich hierbei feststellen, dass sich die Wellenlänge und
Ausbreitungsgeschwindigkeit nach dem folgenden Grundsatz verändern:
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Wellenlänge werden kleiner, wenn gilt:
c1 > c2
Also für n > 1
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Wellenlänge werden größer, wenn gilt:
c1 < c2
Also für n < 1
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit, als auch die Wellenlänge bleiben erhalten, wenn
gilt:
c1 = c2
Also für n = 1
Das Huygenssche Prinzip in unserem Versuch:
Mittels eines Wellenerregers wird in der Wellenwanne eine gradlinige Wellenfront
erzeugt. Um einen Ausgangspunkt für eine Elementarwelle herzustellen, fügt man
senkrecht ein Brett (mit einem Spalt) in die Wellenwanne ein. Die Wellenfront trifft im
90° Winkel auf und wird vom restlichen Brett reflektiert. Am Spalt entsteht ein neues
Wellenzentrum und man kann die Entstehung einer Elementarwelle beobachten. Der
Spalt kann an einer beliebigen Stelle angebracht werden.
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2. Versuchsaufbau, -beschreibung und -ablauf (inklusive durchzuführende
Messungen)
2.1 Versuch 1
Erzeugung einer Wellenfront in der Wellenwanne
Durchführung:
Befülle zunächst die Wellenwanne mit dem Medium Wasser. Richte nun den Erreger
(Motor) aus. Der Motor darf maximal mit 12V betrieben werden. Nutze dazu ein
regulierbares Netzgerät. Die Eintauchgeschwindigkeit des Erregers lässt sich durch
Variation der Spannung verändern.
Notiere Beobachtungen und beschreibe wie sich eine Welle erzeugen lässt.
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2.2 Versuch 2
Das Huygenssche Prinzip
Durchführung:
Erweitere den Aufbau aus Versuch 1 dadurch, dass du in die Wellenwanne ein
Hindernis mit einer Öffnung (Spalt) einfügst. Schalte nun wieder den Motor ein.
Beobachte vor allem das Auftreffen der Wellenfront auf den Spalt und die
Veränderungen die dabei auftreten. Beschreibe diese.
Eine gerade Wellenfront erzeugt an einem
Spalt eine Kreiswelle.
Diese Kreiswellen werden auch von einem
einzelnen Erregerzentrum erzeugt.
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2.3 Versuch 3
Überlagerung am Doppelspalt
Durchführung:
Nutze wieder den aus Versuch 1 bekannten Basisaufbau und vertausche das
Hindernis mit einem Spalt gegen eines mit zwei Spalten.
Beobachte die von den Spalten ausgehenden Elementarwellen. Dabei sind vor allem
die Bereiche interessant, in denen sich die Wellen überschneiden.
Fertige eine Zeichnung an und suche markante Linien. Beschreibe diese.
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3. Auswertungen und Ergebnisse
Hier wird der Verlauf des Experimentes beschrieben und die daraus ableitbaren
Erkenntnisse näher betrachtet und ausgewertet.
Besonderheiten sollen notiert und in den theoretischen Zusammenhang gebracht
werden.
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4. Diskussion der Ergebnisse, Kommentare, Zusammenfassung
Hier sollen die Ergebnisse kritisch betrachtet/diskutiert, wichtige Kommentare
aufgeführt und die grundlegenden Erkenntnisse zusammengefasst werden.
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5. Zusatzfragen
a) Was ist das Huygenssche Prinzip?
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b) Man stelle sich folgenden Sachverhalt vor:
Man hat eine Uhr, die deutlich hörbar klingelt. Diese stecke man unter eine
Glasglocke und erzeuge in dieser ein Vakuum. Wird das Klingeln der Uhr lauter
oder leiser als bei dem Versuch im normalen Luftdruck?
Begründe deine Antwort.
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c) Was passiert mit der Welle, wenn es keine Erreger für eine weitere Welle gibt
(Bsp.: Vakuum)?
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d) Welche Fälle kann es geben, wenn sich zwei Wellen treffen? Wie könnte die neue
Welle aussehen?
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e) Was versteht man unter dem (Snelliusschen) Brechungsindex?
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Versuch Nr. 7 Kirsten Kulp und Sarah Henze
Thema: Beugung und Interferenz
Versuche:
1. Einzelspalt – Versuch
2. Doppelspalt – Versuch
3. Gitter – Versuch

Inhaltsverzeichnis
1. Theorie
2. Versuche und Messungen
2.1 Versuch 1: Einzelspalt
2.2 Versuch 2: Doppelspalt nach Thomas Young
2.3 Versuch 3: Gitter
3. Zusatzfragen
4. Quellenverzeichnis

1. Theorie
Die Erkenntnis, dass Licht neben Teilchen- auch Welleneigenschaften besitzt, wurde bereits
durch die Darstellung des Huygenschen Prinzips bewiesen. Anhand der folgenden Versuche
soll gezeigt werden, dass diese Erkenntnisse der Welleneigenschaften Phänomene aufweisen,
die auch nur dadurch zu erklären sind.
Fällt monochromatisches Licht 1 durch eine kleine Öffnung, einen Spalt oder passiert es eine
Kante, ist zu erkennen, dass das Licht nicht wie erwartet gradlinig daran vorbei verläuft
(Abb.7. 1), sondern, dass es von seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt wird (Abb. 7.2).
Dieses Phänomen nennt man Beugung.
Abb. 7.1
Theoretisch: ohne Beugung
Hindernis
Wellenberg
Abb. 7.2
Realität: mit Beugung
Hindernis
Wellenberg
Die Ursache der Beugungserscheinung lässt sich durch das bereits erarbeitete Huygensche
Prinzip erklären.
Es ist bekannt, …
- dass Licht- genauso wie Wasserwellen aus sehr vielen schwingenden Wellen
bestehen.
(Licht ist eine elektromagnetische Welle � horizontale, sowie vertikale Schwingung)
- dass jeder Punkt einer Welle Ausgangspunkt einer neuen, identischen Welle ist.
Das bedeutet, dass Wellen, wenn sie die Kante eines Hindernisses passieren (siehe dazu
Abb.7.3), neu angeregt werden zu schwingen. So entstehen die Beugungserscheinungen.
- dass im Bereich zwischen zwei Hindernissen (z.B. Spalt) zusätzlich neue, identische
Wellen zum Schwingen angeregt werden, wenn der Abstand zwischen den
Hindernissen größer ist, als die Wellenlänge. Es entsteht eine neue einhüllende
Wellenfront (siehe Abb. 7.2).
Das ist der Grund dafür, dass nicht nur am Rand eines Hindernisses Beugungserscheinungen
auftreten, sondern dass auch, wenn es sich um eine spaltähnliche Öffnung handelt, zwischen
den Hindernissen (Abstand > λ 2 ) neue Wellen entstehen.
1 monochromatisches Licht entsteht bei einer Lichtquelle (z.B. Laser), bei der das Licht in einer immer gleich
bleibenden Wellenlänge und Frequenz erzeugt wird und sich ausbreitet.
2 λ bezeichnet die Wellenlänge
neue
Wellenfront

Bei der Abbildung 7.3 ist zu erkennen, dass am Rand und zwischen dem Einzelspalt, dessen
Breite größer als die Wellenlänge des verwendeten monochromatischen Lichtes ist, neue
Wellen angeregt werden, zu schwingen.
Diese neu entstehenden Wellen sind kohärent 3 und breiten sich so aus, dass sie an vielen
Raumpunkten zusammentreffen und sich überlagern. Dieses Phänomen nennt man
Interferenz.
Bei den entstehenden Überlagerungen addieren sich die kohärenten Wellen und es bilden sich
neue Wellen. Dabei ist zu beachten, dass sich Teile der Wellen je nach Phasenverschiebung
verstärken (konstruktive Interferenz) oder auslöschen (destruktive Interferenz).
Besteht zwischen den Wellen ein Phasenunterschied von einem ganzen Vielfachen der
Wellenlänge (n•λ), so addieren sich die Amplituden, und es entsteht an dieser Stelle eine
Verstärkung. Man nennt diese Stellen dann Maxima.
λ
Besteht zwischen den Wellen ein Phasenunterschied von einer halben Wellenlänge ( ), so
2
löschen sich diese gegenseitig aus. Man nennt diese Stellen auch Minima.
Betrachtet man diese Erscheinungen auf einem Schirm, so wären an den Stellen der Maxima
farbige Punkte bzw. Striche und an den Stellen der Minima Auslöschungen bzw. nichts zu
erkennen. Das ist das Interferenzmuster. Das Interferenzmuster eines Einzelspalts ist auf der
Titelseite des 7. Versuchs zu erkennen.
Die Lichtwellen an sich, wie auf Abb. 7.2, lassen sich graphisch nicht darstellen. Diese kann
man mit Hilfe einer Wanne mit Wasser und einem bzw. mehrerer Schwingungserregern
simulieren und sichtbar machen.
3 Kohärent: phasengleich
Beugungsmuster eines
breiten Einzelspalts
Abb. 7.3

2. Versuche und Messungen
Bei den folgenden Versuchen sollen die Beugungserscheinung sowie die daraus folgende
Interferenz an Spaltöffnungen untersucht werden.
Bei allen Versuchen wird die Beugung und Interferenz durch monochromatisches Licht eines
Lasers und verschiedene Blenden erzeugt.
2.1. Versuch 1: Einzelspalt
2.1.1. Materialien:
Optische Bank, Laser, Halterung für Laser, weißer Schirm, Halterung für den Schirm,
Halterung für die Blenden, Blende mit Einzelspalt mit verschiedenen Spaltbreiten,
Zollstock, Lineal
2.1.2. Versuchsaufbau
Auf der optischen Bank sind der Laser, der Schirm mit Halterung und die Einzelspaltblende
mit Halterung so zu befestigen, dass sie sich auf einer Höhe befinden. Die Blende mit den 3
unterschiedlichen Einzelspalten ist so zu montieren, dass das Laserlicht auf den ersten
senkrechten Spalt trifft (0,4 mm). Der Abstand l = Blende – Schirm und der Abstand Laser –
Blende mit Einzelspalt müssen selbst eingestellt werden. Beachtet dabei, dass der Abstand l
möglichst groß gewählt werden sollte.
2.1.2.1.Skizze zu Versuch 2.1
2.1.3. Versuchsdurchführung
Das Laserlicht trifft auf die Blende mit dem 0,4 mm breiten Einzelspalt. Versucht den
Abstand so zu wählen, dass ihr ein möglichst gutes Bild auf dem Schirm erhaltet.
Beachtet jetzt dazu die Aufgabe 2.1.4 a). Betrachtet dazu das Interferenzmuster auf dem
weißen Schirm und messt dazu die folgenden Abstände:
a ist die Spaltbreite
l ist der Abstand zwischen Blende und Schirm
x1 ist der Abstand zwischen dem Hauptmaximum (0. Ordnung) und dem 1.Maximum
(1. Ordnung)

Notiert eure Werte in der Tabelle 7.1. Führt diese Versuchsdurchführung ebenfalls mit den
weiteren Einzelspalten mit den Spaltabständen 0,15 mm und 0,075 mm durch.
Tabelle 7.1: Vergleich zwischen verschiedenen Einzelspaltbreiten
Messwerte 1. Spalt 2. Spalt 3. Spalt
a =
l =
x1 =
0,4 mm 0,15 mm 0,075 mm
2.1.4. Aufgaben
a) Was erkennt ihr auf dem Schirm?
b) Welche Unterschiede sind bei den Mustern der verschiedenen Spaltbreiten
festzustellen?
c) Warum sind diese Muster zu erkennen und wie kommt es zu den Unterschieden bei
den verschiedenen Spaltbreiten?
d) Ist es möglich, mit dieser Versuchsanordnung nur das Beugungsmuster zu betrachten?
Warum?
2.1.5. Ergebnisse
zu a) Am weit entfernten Schirm ist das Interferenzmuster durch die Beugungs- und
Interferenzerscheinungen zu sehen. Es sind ein helles, zentrales Hauptmaximum,
sowie weitere Maxima 1. bis n. Ordnung festzustellen. Zwischen den Maxima mit
verschiedenen Ordnungen sind Bereiche zu erkennen, an denen das Licht durch
destruktive Interferenz ausgelöscht wurde (Minima).
Zu b) Es ist zu erkennen, dass der Spaltabstand umgekehrt proportional zum gemessenen
Abstand zwischen den Maxima ist. Das bedeutet, je kleiner der Spaltabstand, umso
größer der Abstand zwischen den Maxima. Es ist ebenfalls zu erkennen, dass der
Spaltabstand umgekehrt proportional zur Maximabreite ist. Das bedeutet, je schmaler
der Spaltabstand, umso breiter sind die Maxima auf dem Schirm. Auf Abb. 7.4 ist der
Zusammenhang zwischen Maximabreite und Helligkeitsintensität zu erkennen.
Darstellung der Helligkeitsintensität und Maximabreite
bei verschiednen Spaltabständen
Abb. 7.4
breiter Spalt
schmaler Spalt
Helligkeitsintensität
Maximabreite

Zu c) Siehe dazu 1. Theorie: Huygensche Prinzip, Beugung und Interferenz.
Wäre der verwendete Einzelspalt kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Lichts,
würde am Schirm nur die Beugungserscheinung zu sehen sein. Je breiter der Spalt
wird, umso mehr Kreiswellen entstehen am Spalt, die sich überlagern können.
Zu d) Nein, mit den durchgeführten Versuchen ist es nicht möglich, nur die
Beugungserscheinung sichtbar zu machen, da die Spaltbreite bei allen 3
Versuchsteilen zu groß war. Um ausschließlich die Beugungserscheinung sichtbar zu
machen, muss man einen Spalt wählen, dessen Breite kleiner ist, als die Wellenlänge
des verwendeten Lichts.

2.2. Versuch 2: Doppelspalt nach Thomas Young
2.2.1. Materialien
Optische Bank, Laser, Halterung für Laser, weißer Schirm, Halterung für den Schirm,
Halterung für die Blende, Blende mit Doppelspalt (Spaltabstand von Mittelpunkt zu
Mittelpunkt 0,4 mm), Zollstock, Lineal
2.2.2. Versuchsaufbau
Auf der optischen Bank sind der Laser, der Schirm mit Halterung und die Doppelspaltblende
mit Halterung so zu befestigen, dass sie sich auf einer Höhe befinden. Der Abstand l sollte
möglichst groß gewählt werden und der Abstand zwischen Laser und Blende mit Doppelspalt
kann ca. 20 - 30 cm betragen. Der Doppelspalt ist so in der Blende zu befestigen, dass das
Laserlicht gerade auf den Doppelspalt trifft.
2.2.2.1.Skizze zu Versuch 2.2
2.2.3. Versuchsdurchführung
Ihr wollt die Wellenlänge des Laserlichts bestimmen.
Messt dafür zuerst den Abstand x (der Abstand zwischen zwei benachbarten Maxima,
gemessen von Mittelpunkt zu Mittelpunkt) und notiert den Wert in der Tabelle 7.2. Schaltet
dann den Laser wieder aus und messt den Abstand l zwischen Blende und Schirm. Notiert
diesen Wert sowie den Abstand d, das ist der Spaltabstand zwischen den Mittelpunkten der
Spalte des Doppelspaltes, ebenfalls in der Tabelle 7.2. Berechnet mit der Formel die
Wellenlänge.
Formel zur Berechnung der ungefähren Wellenlänge: λ ≈ (d•x)
/l
Tabelle 7.2: Messwerte des Doppelspaltversuches nach Thomas Young
Messwerte Doppelspalt
x =
l =
d =

2.2.4. Aufgaben
a) Notiert die Messwerte und berechnet mit der Formel die Wellenlänge des Laserlichtes.
b) Was ist euch beim Bestimmen des x Wertes aufgefallen?
c) Warum ist dieses Muster zu erkennen und was würde zu sehen sein, wenn der Abstand
zwischen den Doppelspalten anders gewählt wäre?
d) Warum sollte der Abstand zwischen Blende und Schirm möglichst groß gewählt
werden?
2.2.5. Ergebnisse
Zu a) In der Literatur wird für den Helium-Neon-Laser die Wellenlänge 632,8 nm
angegeben. Bei einigen Lasern ist zusätzlich angegeben, welche Wellenlänge sie
ausstrahlen.
Zu b) Bei der Bestimmung vom Wert x erkennt man bei dem Interferenzbild, dass die
Abstände zwischen benachbarten Maxima genauso groß sind, wie die zwischen
benachbarten Minima und dass diese Abstände für alle Ordnungen gleich sind.
Zu c) Die Muster entstehen durch die Interferenz der durch Beugung entstandenen Wellen.
An den farbigen Stellen (Maxima) überlagern sich Wellen, deren Phasenunterschied
ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge (n*λ) ergibt und an den farblosen Stellen
(Minima) treffen Wellen aufeinander, deren Phasenunterschied n • λ /2 ist. Zusätzlich
kann man dieses Phänomen bei der Abbildung 7.5 erkennen. An den Stellen, wo sich
zwei gleiche Wellen überschneiden, entsteht ein Maximum (graphisch dargestellt
durch schwarze Punkte). An den Stellen, wo sich ein Wellenberg und ein Wellental
überschneiden würden, entsteht ein Minimum (graphisch dargestellt durch graue
Punkte).
Wellenberg
Wellental
Doppelspalt-
blende
Darstellung der Interferenz an einem
Doppelspalt
Abb. 7.5
Min
Min
1. Max
0. Max
1. Max
Schirm
Schirm mit
Interferenzmuster

Würde man den Spaltabstand zwischen den Spalten vergrößern, würden sich die
Minima und Maxima auf dem Schirm mehr zu Mitte hin verschieben, da sich die
Wellen früher überlagern. Eine gute graphische Darstellung und Simulation dazu befindet
sich bei Lit.: 4.2 b).
Zu d) Eigentlich müsste der Winkel zwischen Doppelspalt und den unterschiedlich weit
entfernten Maxima errechnet und in der Betrachtung der Wellenlänge berücksichtig
werden. Da diese Winkel jedoch sehr klein sind, wenn der Abstand zwischen Blende
und Schirm sehr groß gewählt wird, kann dieser Fehler vernachlässigt werden.

2.3. Versuch 3: Gitter
2.3.1. Materialien:
Optische Bank, Laser, Halterung für Laser, weißer Schirm, Halterung für den Schirm,
Halterung für die Blenden, Blenden mit unterschiedlichen Gittern (20, 40, 80, 100 Spalte
pro cm), Zollstock, Lineal
2.3.2. Versuchsaufbau
Auf der optischen Bank sind der Laser, der Schirm mit Halterung und eine Blende mit
Halterung so zu befestigen, dass sie sich auf einer Höhe befinden. Der Laser ist so zu
montieren, dass er direkt auf das Gitter trifft. Der Abstand l = Blende – Schirm und der
Abstand Laser – Blende müssen selbst eingestellt werden.
2.3.2.1.Skizze zu Versuch 2.3
Betrachtet dazu die Skizze 2.2.2.1 von Versuch 2.2 und verändert den Spalt durch die
verschiedenen Gitter.
2.3.3. Versuchsdurchführung
Befestigt nacheinander die verschiedenen Gitter in der Blende und beobachtet das
Interferenzmuster auf dem Schirm. Notiert die folgenden Werte in der Tabelle 7.3:
Gitterkonstante g, l und x. Notiert ebenfalls in der Tabelle, was euch besonderes aufgefallen
ist.
1cm
Gitterkonstante: g =
Striche
Tabelle 7.3: Messwerte der Gitter (n-fach-Spalt)
Messwerte 20 S. pro cm 40 S. pro cm 80 S. pro cm 100 S. pro cm
g =
x =
l =
Besonderheit:
2.3.4. Aufgaben
a) Berechnet die jeweiligen Gitterkonstanten.
b) Führt die Messungen durch und notiert eure Ergebnisse in der Tabelle.
c) Welche Unterschiede könnt ihr bei den Interferenzmustern der verschiedenen Gitter
erkennen?
d) Wie kommt es zu den Unterschieden in der Intensität und Schärfe der Maxima?

2.3.5. Ergebnisse
Zu a) 20 Striche pro cm: g = 0,05 cm
40 Striche pro cm: g = 0,025 cm
60 Striche pro cm: g = 0,01 6 cm
80 Striche pro cm: g = 0,0125 cm
100 Striche pro cm: g = 0,01 cm
Zu c) Anhand der Beobachtungen und Messungen kann man erkennen, dass sich die Lage
der Maxima bei den verschiedenen Gitterkonstanten proportional verändert. Je mehr
Spalte pro cm, umso größer sind die Abstände zwischen den Maxima. Es ist ebenfalls
zu beobachten, dass die Maxima mit zunehmender Spaltanzahl immer schmaler und
intensiver werden.
Zu d) Je mehr Spalte das Gitter pro cm besitzt, umso mehr Nebenmaxima (die nicht zu sehen
sind) befinden sich zwischen den Hauptmaxima. Nebenmaxima entstehen, wenn
Teilbündel einzelner, nicht benachbarter Spalte miteinander konstruktiv interferieren.
Zwischen zwei Hauptmaxima befinden sich immer 2 Maxima weniger als Spalte
pro cm vorhanden sind (bei einem Gitter mit 20 Spalten beträgt das 18
Nebenmaxima). Je mehr Nebenmaxima sich zwischen den Hauptmaxima befinden,
umso schmaler und intensiver werden also die Hauptmaxima. Vergleicht dazu
Abb. 7.6.
Beugungserscheinung am Gitter
a) 4 Spalte pro cm b) 8 Spalte pro cm
a)
b)
Abb. 7.6
Hauptmaxima
Nebenmaxima

3. Zusatzfragen
a) Hättet ihr keinen Laser, wie könntet ihr trotzdem mit Hilfe einer Glühlampe
monochromatisches Licht erzeugen?
b) Wo kann man ebenfalls Beugungs- und Interferenzerscheinungen beobachten?
c) Wo treffen wir in der Natur auf Beugungs- und Interferenzerscheinungen?
4. Quellenverzeichnis
4.1. Literaturverzeichnis
a) Physik, Paul A. Tipler. - Korr. Nachdr. der 1. Aufl. 1994. - Heidelberg [u.a.]: Spektrum Akad.
Verl., 1995
b) Experimentalphysik Bd. 2, Elektrizität und Optik: mit 17 Tabellen, zahlreichen
durchgerechneten Beispielen und 132 Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen, Wolfgang
Demtröder. – 1995
c) Metzler Physik : Gesamtband, Joachim Grehn. - 2., durchges. Aufl. - Hannover: Schroedel
Schulbuchverl., 1992
4.2. Internetquellen und Bilderverzeichnis
a) Universität Heidelberg (Stand: 2006) Licht als Wellenphänomen. URL: http://www.tphys.uniheidelberg.de/~huefner/Li+Mat/V04-Licht%20als%20Wellenphaenom.pdf.
(Abfrage: Juli 2006)
b) Fendt, Walter (Stand 2006) Interferenz von Licht am Doppelspalt. URL: http://www.walterfendt.de/ph14d/doppelspalt.htm.
(Abfrage: Juli 2006)
c) Zabel, H. (Stand: 2006) 37 Lektion Beugung und Interferenz. URL:
http://www.ep4.rub.de/imperia/md/content/skripte/ws03-04/mediziener/37_lektion.pdf. (Abfrage: Juli 2006)
d) Grüninger, Klaus-Dieter, Landesbildungsserver Baden-Württemberg (Stand: 2006) Simulation zum
Doppelspalt / Zwei Erreger. URL: http://www.schulebw.de/unterricht/faecher/physik/online_material/wellen/interferenz/dspalt.htm.
(Abfrage: Juli 2006)
e) Microsoft® Encarta® Enzyklopädie Professional 2003 © 1993-2002 Microsoft Corporation. Alle Rechte
vorbehalten.
f) Wikipedia - Die freie Enzyklopädie (Stand: 2006) URL. http://de.wikipedia.org. (Abfrage: Juli 2006)

Versuch 8 Marthe Simon, Alexander Grote
Polarisation
1. Theorie
Licht als
elektromagnetische
Welle
- Licht wird u.a. als elektromagnetische Welle betrachtet, wobei das elektrische und
ein magnetisches Feld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen.
- Wellen heißen transversal, wenn sie senkrecht zur Richtung ihrer Ausbreitung
schwingen.
- Man nennt zwei Lichtstrahlen, bei denen die elektrischen bzw. die magnetischen
Felder jeweils in der gleichen Richtung schwingen, gleich polarisiert.
- „Natürliches“ Licht ist unpolarisiert, aber für das menschliche Auge sehen
polarisiertes und unpolarisiertes Licht gleich aus
- Es gibt verschiedene Arten von polarisiertem Licht: Linear polarisiert, zirkular
polarisiert und elliptisch polarisiert. Für den Versuch ist linear polarisiertes Licht von
Bedeutung. Es schwingt nur noch in einer ganz bestimmten, zur Ausbreitungsrichtung
senkrechten Ebene.
1

- Zur Erzeugung von polarisiertem Licht werden Polarisationsfilter aus Kristallen und
aus Kunststoffen verwendet. Infolge der Doppelbrechung spaltet sich der einfallende
Lichtstrahl im Polarisationsfilter in zwei senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen
auf, die im ersten Fall meist räumlich getrennt werden. Im zweiten Fall wird einer von
ihnen durch Absorption unterdrückt.
Hinter der Polarisationsfolie tritt linear polarisiertes Licht aus. Um totale Auslöschung
hinter dem Polarisationsfilter zu erreichen, muss man einen 2. Polfilter hinter den 1.
einfügen. Hierbei muss die durchgelassene Schwingungsrichtung des 1. Filters
senkrecht auf die des 2. Filters stehen (um 90° verdreht). Es kommt keine
Schwingungsrichtung des unpolarisierten Lichtes in Frage, das durch beide Polfilter
hindurchdringen könnte, wenn der Drehwinkel 90° beträgt.
2. Versuchsbeschreibung
Material:
- Lichtquelle
-zwei Polarisationsfilter
- Schirm
- Halterung
2

Versuchsdurchführung:
Die Filter werden gedreht, so dass verschiedene Lichtintensitäten auf dem Schirm zu
beobachten sind.
3. Beobachtung
Durch das Drehen der Filter kann man die Lichtintensität auf dem Schirm bis Null
regeln. (Bei einem Drehwinkel von 90°)
4. Auswertungen und Ergebnisse
Polarisation:
Licht ist polarisierbar. Es verhält sich also wie eine Transversalwelle. Seinem
Charakter nach ist es eine elektromagnetische Welle.
(siehe Theorie)
5. Diskussion der Ergebnisse, Kommentare, Zusammenfassung
(zusammen mit der Gruppe)
6. Zusatzfragen
Einsatzmöglichkeiten in der Technik und der Umwelt?
- Polarisationsfilter werden in der Fotografie und in manchen Sonnenbrillen
eingesetzt. Unter anderem wird die Polarisation auch bei Digitaluhren und
Laptop-Bildschirmen ausgenutzt.
- Polarisation kann durch Reflexion des Lichtes an Oberflächen erfolgen. Die
Abbildung zeigt eine Schrankwand ohne und mit Polarisationsfilter. Es ist
erkennbar, dass ein erheblicher Teil des reflektierten Lichtes polarisiert ist. Es
wird durch den Polarisationsfilter ausgeblendet.
3

Warum ist das natürliche Licht unpolarisiert?
- Natürliches Licht wird von vielen in beliebigen Richtungen schwingenden
Elektronen erzeugt. Atome senden in einem Emissionsakt zwar polarisiertes
Licht aus, jedoch mit keiner bevorzugten Schwingungsebene. Es heißt daher
natürliches Licht und ist unpolarisiert, da statistisch gesehen alle Ebenen
vorkommen.
Wodurch kann Polarisation noch hervorgerufen werden?
Polarisation des Lichtes kann durch Streuung, Doppelbrechung und
Reflexion hervorgerufen werden.
Kann in diesem Versuch auch ein Laser verwendet werden?
- Nein! Das Licht eines Lasers ist schon polarisiert.
4

Doppelbrechung
1. Theorie:
Als Doppelbrechung (auch Birefringenz, von Erasmus Bartholin 1669 entdeckt)
bezeichnet man in der Optik die Aufteilung eines Lichtstrahls in zwei Teilstrahlen (den
ordentlichen und den außerordentlichen Strahl), wenn er durch ein optisch
anisotropes (Anisotropie [griech.: "an(ti)” gegen/nicht "isos” gleich, "tropos” Drehung,
Richtung] bezeichnet die Richtungsabhängigkeit einer Eigenschaft.), meistens
kristallines Material wie z. B. Kalzit läuft.
Verursacht wird die Doppelbrechung durch den
unterschiedlichen Brechungsindex des Lichts,
wenn es Materialien unterschiedlicher Dichte
durchquert. Normalerweise ändert sich nur die
Wellenlänge des Lichts beim Eintritt in ein anderes Medium. Bei der Doppelbrechung
geschieht das in 2 Graden, je nach Winkel des auftreffenden Lichtes. Es teilt sich in
zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichem Winkel und Wellenlänge. Der ordentliche
Strahl, dessen elektrisches Feld immer senkrecht zur optischen Achse (die gerade
Linie, die mit der Symmetrieachse eines reflektierenden oder brechenden optischen
Elements übereinstimmt, wird als optische Achse bezeichnet) des Kristalls steht,
breitet sich wie in einem nicht doppelbrechenden Material aus. Das elektrische Feld
des außerordentlichen Strahls, der senkrecht zum ordentlichen polarisiert ist, hat eine
Komponente parallel zur optischen Achse. Beide Komponenten haben eine
unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. , was dazu führt, dass der
außerordentliche Strahl sich im Material etwas geneigt bzgl. des ordentlichen Strahls
ausbreitet.
Die Differenz der Brechungsindices ∆n = ne − n0 ist ein Maß für die Doppelbrechung,
das Vorzeichen wird als optischer Charakter (oder optische Orientierung) bezeichnet.
Für Kalkspat ist ∆n = − 0,172, man nennt ihn auch optisch negativ.
5

2. Versuchsbeschreibung:
Durchführung:
Aufbau nach Skizze zunächst ohne Kristall und Polarisationsfilter. Die Lochblende
wird scharf auf die Zimmerdecke abgebildet. Der Kalkspat wird vorsichtig, wie skizziert
eingespannt. Anschließend wird das Polarisationsfilter in den Strahlengang gebracht.
Darauf folgend wird er um 90° um die optische Achse gedreht.
Skizze: Versuchsaufbau
3. Beobachtung:
Ohne Polfilter sieht man an der Decke zwei Lichtflecke. Mit Polfilter kann man einen
der Flecke zum Verschwinden bringen, der andere ist dann relativ hell.
Dreht man den Polfilter um 90°, so verschwindet der zuerst helle Fleck und der vorher
dunklere wird sehr hell.
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4. Deutung:
Das Lichtbündel wird durch den Kalkspat in einen ordentlichen und einen
außerordentlichen Strahl aufgespalten, die senkrecht zueinander polarisiert sind.
Optisch anisotrope Kristalle haben die Eigenschaft, einen auffallenden Strahl in zwei
senkrecht zueinander polarisierte Lichtbündel, den ordentlichen und den
außerordentlichen Stahl, aufzuspalten. Hierzu gehört insbesondere der Kalkspat. Für
den ordentlichen Strahl ist der Brechungsindex unabhängig von der Einfallsrichtung,
für den außerordentlichen gilt dieses nicht. Es gibt eine Einfallsrichtung, für die der
Brechungsindex für beide Strahlen gleich ist. Man nennt diese Richtung auch die
optische Hauptachse.
Fällt der Strahl unter einem beliebigen Winkel zur Hauptachse auf den Kristall so
spaltet er sich wegen der unterschiedlichen Brechungsindizes auf in einen Strahl
(ordentlicher Strahl), der senkrecht zu der Ebene polarisiert ist, die von der
Einfallsrichtung und der optischen Hauptachse aufgespannt wird, und in einen Strahl
(außerordentlicher Strahl), der in dieser Ebene polarisiert ist (siehe Abb. 5).
Nach dem Austritt aus dem Kristall haben beide Strahlen einen Gangunterschied:
¢ = d(n0 – na0) (13)
Hierin bezeichnet d die Dicke des Kristalls und n0 und na0 die beiden Brechungsindizes.
Solange die Dicke des Kristalls klein ist, überlappen sich die beiden Strahlen
vollständig. Infolge des Gangunterschiedes setzen sie sich jedoch zu einem elliptisch
polarisierten Strahl zusammen.
5. Fragen:
Frage (1): Wo ist im Alltag oder in der Technik das Phänomen der Doppelbrechung
auffindbar?
Doppelbrechung kann auch beim Spritzpressen von CDs auftreten.
Frage (2): Kann das Phänomen der Doppelbrechung in der Wissenschaft genutzt
werden?
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Das Phänomen kann zur Mineralienbestimmung benutzt werden. Geologen
nehmen dünne Scheiben eines Minerals oder eines Gesteins und untersuchen
es in polarisiertem Licht. Anhand der auftretenden Farben können sie das
Mineral oder die Bestandteile im Gestein bestimmen.
Frage (3): Berechnung der Doppelbrechung aus der Differenz der Brechungsindices
des ordentlichen Strahl (ordinärer Strahl) und des außerordentlichen Strahls
(extraordinärer Strahl). Der Brechungsindex für den ordinären Strahl ist bei
Calcit no=1,4864 und für den extraordinären Strahl ne=1,6583. Die Stärke
der Doppelbrechung ergibt sich aus der Differenz no - ne.
no - ne → 1,4864 - 1,6583 = -0,1719 (optisch negativ). Die beiden Strahlen
durchlaufen den Kristall mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.
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