Die Totalreflexion
1. und 2. Stunde
Abb. 2: Lichtbrechung, v. Harten, 04.2018
Anhand von optischen Phänomenen wird die Reflexion und Brechung wiederholt (optisches Medium, Einfallslot, Einfallswinkel, Reflexionswinkel und Brechungswinkel).
Bei der Lichtbrechung wird das Experimentieren geübt. Als Wiederholung wird der Übergang von Luft in Glas quantitativ mit einem Schülerversuch untersucht. Aus den Messwerten wird ein Brechungsdiagramm erstellt.
Dabei werden prozessbezogene Kompetenzen geübt und erweitert (zum Beispiel Experimente durchführen und auswerten).
Abb. 3: Brechung und Reflexion, v. Harten, 04.2018
Der Grenzwinkel
Die Umkehrbarkeit des Lichtweges wird am Diagramm thematisiert. Beim Übergang von Glas in Luft erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass sie keine Aussagen für die Einfallswinkel größer als 42 ° treffen können.
Mit einer kleinen Änderung im Versuchsaufbau können die Schülerinnen und Schüler dieser Frage nachgehen. Sie stoßen dabei auf das Phänomen der Totalreflexion.
Die Begriffe Totalreflexion und Grenzwinkel werden eingeführt. Die Schülerinnen und Schüler messen dann den Grenzwinkel für den Übergang von Wasser zu Luft und vergleichen ihn mit dem Literaturwert (48,8 °).
Die Totalreflexion in der Natur
Abb. 4: Unterwasseraufnahme, v. Harten, 04.2018
Eine schöne Anwendung sind Unterwasseraufnahmen. Hier sieht man in einem kreisförmigen Ausschnitt den Himmel. Am Rand ist die Spiegelung des Untergrundes an der Wasseroberfläche zu beobachten.
Abb. 5: Strahlengang, v. Harten , 04.2018
Die Totalreflexion in der Technik
Abb. 6: Demonstration eines Lichtleiters, v. Harten, 04.2018
Glasfaserkabel und Signalübertragung
Die Funktionsweise eines Lichtleiters (Lichtwellenleiter, Glasfaserkabel) wird demonstriert und an einer Skizze erläutert.
Abb. 7: Skizze, v. Harten, 04.2018
Ein einfacher Aufbau ist mit einer LED und einem Lichtleiter möglich. Ein kleines Loch bohrt man in die LED, in das der Lichtleiter reingesteckt wird. In den folgenden Abbildungen sieht man mehrere Lichtleiter als Glasfaserbündel.
Abb. 9: LED - Lichtleiter, v. Harten, 04.2018
Abb. 8: Farbstrauß aus Lichtleitern, v. Harten, 04.2018
Für die Signalübertragung kann eine, über einen Taster schaltbare, LED verwendet werden. An die LED wird ein Lichtleiter befestigt. Am anderen Ende befindet sich ein Fotowiderstand, der Bestandteil einer HELL-HELL-Schaltung ist.
Abbildung 10: Signalübertragung mit Lichtleiter, v. Harten, 04.2018
Als Vertiefung bzw. Differenzierung wird der Aufbau aus innerem Kern und äußerem Mantel) von Lichtleitern, die in der Technik eingesetzt werden, behandelt.
Ein informatives Video kann auch eingesetzt werden:
URL: https://www.youtube.com/watch?v=AFlbY6P10mc (abgerufen am 31.05.2018)
Zusatz:
Der Regensensor
Einige Regensensoren funktionieren optoelektronisch, d.h. Lichtreflexionen an einer Glasscheibe werden mit einer LED und einer Fotodiode gemessen.
Dazu kann ein Modellversuch aufgebaut werden.
URL: https://www.leifiphysik.de/optik/lichtbrechung/ausblick/regensensor (abgerufen am 18.04.2018)
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