Big Bang 7, Schulbuch

Einige Licht-Phänomene 29 RG 7.1 G 7.1 Kompetenzbereich Elektromagnetische Wellen 21 Der bekannte Wert der Lichtgeschwindigkeit von rund 3 · 10 8 m/s stimmt im Prinzip auch für Medien. Die primäre Lichtwelle (in Abb. 29.5 schwarz) regt aber die Atome im Stoff zu Schwingungen an, und eine gestreute Welle ent- steht (rot). Die Überlagerung der gestreuten Welle mit der primären Lichtwelle addiert sich zu einer verzögerten Ge- samtwelle (grün), die wir dann wahrnehmen. Unter dem Strich sieht es also so aus, als wäre das Licht langsamer ge- worden. Je größer die Brechzahl n, desto größer die opti- sche Dichte, desto stärker ist die Gesamtwelle verzögert. Diese Geschwindigkeitsänderung ist die Erklärung für die Brechung des Lichts an der Grenze zu einem anderen Medi- um. Jede Welle legt den Weg zwischen zwei Punkten in der kürzesten Zeit zurück. Das besagt das Prinzip von Fermat ( F3 ). Der zeitlich kürzeste Weg hat einen Knick, wenn die Material c absolut [m/s] % von c 0 n = c 0 / c Vakuum 299.792.458 100 1 bodennahe Luft 299.704.944 99,97 1,000292 Wasser 225.407.863 75,19 1,33 Quarzglas 202.562.471 67,56 1,48 Diamant 123.881.181 41,32 2,42 Tab. 29.1: Einige Beispiele für Lichtgeschwindigkeiten in verschiedenen Materialien ( F5 ): n bezeichnet man als Brechzahl. Wie lautet das Brechungsgesetz? Leite das Brechungs- gesetz mit Hilfe des Huygens-Prinzips ab. Was besagt das Prinzip von Fermat? Lies alles in Kap. 20 in „Big Bang 6“ nach! L Welchen Weg müssten der Mensch und der Pinguin nehmen (Abb. 29.3), damit sie so schnell wie möglich bei der Schwimmerin in Seenot sind und warum? Licht breitet sich immer mit rund 3 · 10 8 m/s aus. Richtig oder falsch? Wie funktioniert die Datenübertragung durch Glas- faserkabel eigentlich? In Abb. 29.4 siehst du einen Blick von unter Wasser. Wieso ist die Welt über Wasser so seltsam verzerrt? L F3 W1 F4 E1 Abb. 29.3: Welches sind die jeweils schnellsten Wege? F5 S1 F6 E1 F7 E1 Abb. 29.4 Tab. 29.2: Abb. 29.5: Die primäre Lichtwelle (schwarz) baut im Medium eine gestreute Welle auf (rot). Die Überlagerung führt zu einer ver- zögerten Gesamtwelle (grün). Es sieht so aus, als wäre das Licht langsamer geworden. Geschwindigkeiten in den beiden Medien nicht gleich groß sind, etwa wenn Licht schräg von Luft in Glas eindringt oder es wieder verlässt. Es ist wie am Strand ( F4 ). Für den Menschen ist der Weg über C am schnellsten, weil er im Wasser langsamer ist. Das entspricht einer Brechung zum Lot. Für den Pinguin ist der Weg über A am schnellsten, weil er am Sand langsamer ist. Das entspricht einer Brechung vom Lot. Mit Hilfe des Fermat-Prinzips kann man das Brechungsgesetz sehr elegant ableiten. Info: Lichtbrechung mit Fermat -> S. 22 In Abb. 29.6 siehst du, was passiert, wenn Licht auf ein op- tisch dünneres Medium trifft. Je größer der Einfallswinkel, desto stärker der Knick. Bei einem bestimmten Grenzwinkel verläuft der gebrochene Strahl parallel zur Wasseroberflä- che (4), und bei noch größerem Winkel wird alles reflektiert (5). Man spricht daher von Totalreflexion. Eine technische wichtige Anwendung ist die Datenübertragung mit Hilfe von Glasfaserkabeln (siehe Abb. 35.25, S. 85). Das Licht ist im Inneren durch Totalreflexion quasi gefangen. Glasfaser- kabel ermöglichen eine sehr hohe Datenübertragungsrate, etwa für Kabelfernsehen oder Internet ( F6 ). Auch bei Radiowellen kann es in der Atmosphäre zur Totalreflexion kommen (Abb. 29.7). Abb. 29.6: Totalreflexion an der Wasseroberfläche Abb. 29.7: Durch Totalreflexion von Radiowellen an der Ionos- päre kann es zu sehr hohen Reichweiten kommen. Nur zu Prüfzw cken – Eigentum des Verlags öbv