Ein Wasserprisma: sanftere Dispersion als Glas
1 · Vorhersagen
Wasser hat einen niedrigeren Brechungsindex (n ≈ 1.33) als Glas. Lenkt ein mit Wasser gefülltes Prisma das Licht weniger ab als ein entsprechendes Glasprisma?
- Ja – der niedrigere Index des Wassers bedeutet eine geringere Biegung an jeder Seite und somit eine geringere Gesamtabweichung als ein Glasprisma mit dem gleichen Spitzenwinkel.
- Ein Wasserprisma lenkt das Licht stärker ab als Glas.
- Die Abweichung ist unabhängig vom Index des Mediums gleich.
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie die Wasserprisma-Preset und drücken Sie „Zurücksetzen“. Dieses wassergefüllte Prisma hat einen Spitzenwinkel A = 60°, einen Index n = 1.33.
- Aktivieren Sie die Anzeige der Gesamtabweichung.
- Stellen Sie den Einfallswinkel für jeden Versuch ein und notieren Sie die Gesamtabweichung.
3 · Daten sammeln
| Einfallswinkel θ₁ (°) | Gesamtabweichung δ (°) |
|---|---|
| 35.00 | |
| 45.00 | |
| 55.00 |
Zeichnen Sie die Abweichung δ (y-Achse) gegen den Einfallswinkel θ₁ (x-Achse) für Ihre drei Versuche auf. Vergleichen Sie die Skala mit dem Experiment mit Weißlichtprismen (Kronglas).
4 · Auswerten
- Berechnen Sie für einen Versuch θ₂ = asin(sin θ₁/n), θ₃ = A − θ₂, θ₄ = asin(n·sin θ₃), dann δ = θ₁ + θ₄ − A unter Verwendung von n = 1.33. Vergleichen Sie mit der Tabelle.
- Vergleichen Sie Ihre Abweichungswerte mit denen des Weißlicht-Prismen-Experiments (gleicher Spitzenwinkel, höherer Index). Erklären Sie, warum der niedrigere Index des Wassers bei jedem passenden Einfallswinkel zu einer geringeren Abweichung führt.
5 · Vertiefen
- Ein Regenbogen besteht im Wesentlichen aus Millionen winziger kugelförmiger Wassertröpfchenprismen, die das Sonnenlicht brechen und intern reflektieren. Erklären Sie, warum die relativ geringe Dispersion von Wasser (im Vergleich zu Glas) immer noch ein sichtbares, wenn auch etwas weniger lebendiges Spektrum in einem Regenbogen erzeugt.
- In diesem Experiment bilden Flintprisma (n≈1.66), Weißlichtprisma/Kronglas (n=1.5) und Wasserprisma (n=1.33) einen klaren Trend: Dichtere optische Medien streuen und lenken das Licht stärker ab. Erklären Sie, warum dieser Trend der gleichen Physik folgt wie der kritische Winkeltrend des TIR-Experiments.
Die Physik hinter diesem Experiment
Medien mit niedrigerem Index weisen eine geringere Abweichung auf
Der Brechungsindex von Wasser (1.33) ist niedriger als bei typischem Glas (1.5–1.66), sodass ein Wasserprisma das Licht an jeder Fläche weniger stark beugt – kleinere Gesamtabweichung δ = θ₁ + θ₄ − A bei gleichem Spitzenwinkel und Einfall.