Sexl Physik 7, Schulbuch

Zahlreiche Naturphänomene, wie der Regenbogen oder die Fata Morgana, und das optische System Auge lassen sich mittels der Gesetze der Lichtbrechung verstehen. Die Gesetze der Brechung und Reflexion sind die Grundlage für die Konstruktion optischer Geräte von der Brille bis zum Spiegelteleskop. Totalreflexion und Lichtleiter Wir betrachten den Übergang von Wasser in Luft. Was passiert, wenn wir den Ein- fallswinkel des aus dem Wasser kommenden Lichtstrahls kontinuierlich vergrö- ßern? Bei einem bestimmten Winkel wird der Strahl parallel zur Grenzfläche ge- brochen Bei noch größeren Einfallswinkeln wird er in das Wasser zurückreflektiert ( 57.1 ). Man spricht in diesem Fall von Totalreflexion , der entsprechende Ein- fallswinkel β G heißt Grenzwinkel der Totalreflexion . Totalreflexion kann nur beim Übergang von Licht in ein Medium mit kleinerer Brechzahl auftreten. Untersuche, überlege, forsche: Totalreflexion 57.1 E 1 Setze in der Gleichung sin α /sin β = n für α = 90° und für n die Brechzahlen für Wasser bzw. für Glas ein. Berechne β . Stelle eine Formel zur Berechnung des Grenzwinkels auf! Überprüfe deine Ergebnisse mittels Experiment. Glasfaserkabel werden zur Übertragung von Information genutzt. Sie bestehen aus haarfeinen Glas-(oder Kunststoff-)fasern (Durchmesser 0,125mm ), deren Kern von einem Mantel mit niedrigerem Brechungsindex umhüllt ist und die durch eine Schutzhülle gegen mechanische Beschädigungen geschützt sind ( 57.2 ). Durch Totalreflexion wird Licht im Inneren der Faser auch um Biegungen geleitet. Die Da- ten werde digital als kurze Lichtimpulse gesendet. Durch Verwendung verschiede- ner Frequenzen lässt sich die Datenrate erhöhen. Aktuell können mehrere Terabit pro Sekunde übertragen werden. Glasfaserkabel verbinden nun die Kontinente. Das wurde erst möglich, als es ge- lang, hochreines Glas herzustellen, in dem sich Licht mit minimaler Dämpfung ausbreiten kann. (Für die Entwicklung der Grundlagen dazu erhielt 2009 der chi- nesische Physiker C. Kao den Nobelpreis.) Neben den Anwendungen in der Nachrichtentechnik werden Glasfaserkabel zur Datenübertragung zwischen Großrechnern und deren Peripheriegeräten, in Bord- systemen an Flugzeugen, Schiffen, Kraftfahrzeugen, in der Mess-, Steuer- und Re- gelungstechnik sowie für Kabelfernsehen verwendet. Glasfaserkabel werden in der Medizin für endoskopische Untersuchungen einge- setzt. Mit Glasfasern wird der zu untersuchende Raum (z. B. der Magen) beleuchtet. Über ein weiteres Kabel, den Bildleiter, wird das Bildsignal vom Objektiv an der Endoskopspitze nach außen geleitet ( 57.3, 57.4 ). Dieses Kabel besteht aus vie- len Tausenden Glasfasern, von denen jedes ein Helligkeits- und Farbsignal liefert, so dass in der Gesamtheit ein Bild entsteht. Statt des Bildleiters kann auch ein elektrisches Kabel mit einem lichtempfindlichen elektronischen Bauelement (CCD- Sensor) verwendet werden. Untersuche, überlege, forsche: Glasfaserkabel 57.2 W 2 Welche technischen Probleme gibt es, wenn die Lichtimpulse über lange Strecken geleitet werden? Warum ersetzt man nicht alle Kupferkabel durch Glas- faserkabel? 57.3 W 2 Glasfaserkabel werden zur Datenübertragung zwischen den Kontinenten ver- wendet. Welche Verbindungen bestehen aktuell? Welche Probleme treten bei die- ser Form der Übertragung auf? Welche anderen Übertragungsmöglichkeiten gibt es? Welchen Vorteil bietet die Übertragung mit Glasfaserkabeln? Reflexion und Brechung in der Atmosphäre Die Brechzahl von Luft hat für gelbes Licht auf Meeresniveau und bei 20 °C den Wert n = 1,000292 . Bei abnehmender Luftdichte (z. B. wegen höherer Temperatur oder geringerem Luftdruck) wird sie kleiner. Führt der Lichtweg durch unter- schiedliche Luftschichtungen, so kann es zu einer Krümmung des Lichtwegs oder zur Totalreflexion des Lichts an atmosphärischen Schichten kommen. 57.1 Wenn Licht allzu schräg aus Wasser auf die Grenzfläche zur Luft trifft, tritt Total- reflexion ein. Glasfaserkern Glasfasermantel   57.2 Totalreflexion eines Lichtstrahls in einer Glasfaser. Der Kern der Glasfaser ist von einem Mantel mit kleinerer Brechzahl um- geben. Lichtleiter Bildleiter Objekt Darm Okular Lichtquelle 57.3 Prinzip eines Endoskops Kanal für Mikrowerkzeuge CCD-Chip Licht Arbeitskanal Lichtübertragungs- fasern Elektrisches Video-Kabel Mechanische Steuerdrähte 57.4 Aufbau eines modernen Endoskops (Bild oben: Endstück; unten: Querschnitt) L 1 L 2 B 57.5 Infolge der atmosphärischen Brechung scheinen Sterne höher (L 1 ) über dem Horizont zu sein als sie es tatsächlich sind (L 2 ). 57 | ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv