Totale interne Reflexion: Der kritische Winkel

1 · Vorhersagen

Licht, das von einem dichteren Medium (wie Glas) zu einem weniger dichten Medium (wie Luft) wandert, kann vollständig reflektiert statt gebrochen werden, wenn der Einfallswinkel steil genug ist. Hat ein Glas mit höherem Brechungsindex einen kleineren oder größeren kritischen Winkel?

2 · Aufbauen

  1. Öffnen Sie das Tir-Preset und drücken Sie Zurücksetzen. Licht wandert vom Glas in die Luft (n₂ = 1.0 fest).
  2. Aktivieren Sie die Anzeige des kritischen Winkels.
  3. Stellen Sie den Brechungsindex des Glases für jeden Versuch ein und notieren Sie den kritischen Winkel.

3 · Daten sammeln

Glasindex n₁Kritischer Winkel θ_c (°)
1.30
1.50
1.70

Tragen Sie den kritischen Winkel θ_c (y-Achse) gegen 1/n₁ (x-Achse) für Ihre drei Versuche auf.

4 · Auswerten

  1. Berechnen Sie für einen Versuch θ_c = asin(n₂/n₁) mit n₂ = 1.0. Vergleichen Sie mit der Tabelle.
  2. Erklären Sie, warum ein Glas mit höherem Index (das Licht stärker bricht) einen KLEINEREN kritischen Winkel hat – Totalreflexion tritt bei einem größeren Bereich von Einfallswinkeln auf.

5 · Vertiefen

  1. Optische Fasern nutzen die Totalreflexion, um Licht in einem hochbrechenden Glaskern einzufangen und es nahezu verlustfrei entlang der Faserlänge zu reflektieren. Erklären Sie, warum Hersteller von Glasfaserkabeln Glaskerne mit sehr hohem Brechungsindex verwenden, die von einer Ummantelung mit niedrigerem Brechungsindex umgeben sind.
  2. Diamant hat einen ungewöhnlich hohen Brechungsindex (ungefähr 2.42), was ihm einen sehr kleinen kritischen Winkel verleiht (ungefähr 24°). Erklären Sie, warum dadurch ein gut geschliffener Diamant strahlend glitzert – Licht, das von oben einfällt, neigt dazu, intern mehrmals vollständig reflektiert zu werden, bevor es wieder austritt.

Die Physik hinter diesem Experiment

Kritischer Winkel für die Totalreflexion

Licht, das sich von einem dichteren Medium (n₁) zu einem weniger dichten Medium (n₂ < n₁) bewegt, wird bei jedem Einfallswinkel jenseits des kritischen Winkels θ_c = asin(n₂/n₁) vollständig intern reflektiert. Außerhalb dieses Winkels wird überhaupt kein Licht mehr durchgelassen – 100 % Reflexion.

← Zurück zum Experiment

Optik

138 kostenlose druckbare Physik-Arbeitsblätter