Licht breitet sich in Luft, Glas und Wasser nicht mit der gleichen Geschwindigkeit aus. Die Lichtgeschwindigkeit in Luft beträgt 3 x 10 6 m/s. In Wasser sind es 2,25 × 10 8 m/s und in Glas 2 × 10 8 m/s. Denn Glas ist optisch dichter als Wasser und Wasser optisch dichter als Luft. Ein Medium wird dichter genannt, wenn die Lichtgeschwindigkeit abnimmt, und es wird seltener , wenn die Lichtgeschwindigkeit zunimmt.
Licht breitet sich in einem Medium geradlinig aus. aber wenn ein Lichtstrahl, der sich in einem transparenten Medium bewegt, schräg auf die Oberfläche eines anderen transparenten Mediums fällt, bewegt er sich in einem anderen Medium auf einem geraden Weg, aber anders als seiner ursprünglichen Richtung. Die Änderung der Richtung des Lichtweges beim Übergang von einem transparenten Medium zum anderen wird als Lichtbrechung bezeichnet.
Ein Lichtstrahl, der auf die Oberfläche fällt, die zwei Medien trennt. \(\angle i\) ist der Einfallswinkel zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen und \(\angle r\) ist der Brechungswinkel zwischen dem gebrochenen Strahl und der Normalen. Abweichung ist der Winkel zwischen der Richtung des gebrochenen Strahls und der Richtung des einfallenden Strahls. Also \(\angle\delta\) = \(\mid \angle i - \angle r \mid\)
Die Lichtbrechung gehorcht zwei Gesetzen, die als Snellsche Brechungsgesetze bekannt sind.
\(\mu = \frac{3 X 10 ^8ms^{-1}}{2.25 X 10 ^8 ms{-1}} = \frac{4}{3} = 1.33\)
Hinweis: Kein Medium kann einen Brechungsindex kleiner als 1 haben.
Brechungsindex (µ) einiger gängiger Substanzen
| Substanzen | µ | Substanzen | µ |
| Vakuum | 1.00 | Luft | 1.00 |
| Eis | 1.31 | Wasser | 1.33 |
| Alkohol | 1.37 | Glyzerin | 1.47 |
| Gewöhnliches Glas | 1.5 | Kerosin | 1.41 |
Frage 1: Was sind die Bedingungen dafür, dass ein Lichtstrahl bei der Brechung unbewegt durchgeht?
Lösung: Es gibt zwei Bedingungen - (1) wenn der Einfallswinkel gleich 0 ist. (2) wenn der Brechungsindex beider Medien gleich ist.
Prinzip der Reversibilität Wenn der Brechungsindex von Medium 2 bezüglich Medium 1 \(_1\mu_2= \frac{sin \ i}{sin \ r}\) ist und der Brechungsindex von Medium 1 bezüglich Medium 2 \(_2\mu_1 = \frac{sin \ r}{sin \ i }\) , dann \(_1\mu_2 \times _2\mu_1 = 1\) oder wir können sagen \(_1\mu_2 = \frac{1}{_2\mu_1}\) |
Frage 1: Wenn der Brechungsindex von Glas in Bezug auf Luft 3/2 beträgt, wie groß ist dann der Brechungsindex von Luft in Bezug auf Glas?
Lösung: a µ g = 3/2, also ist g µ a \(\frac{1}{^3/_2} = \frac{2}{3}\) .
Geschwindigkeit: Wenn ein Lichtstrahl von einem dünneren zu einem dichteren Medium gebrochen wird, nimmt die Lichtgeschwindigkeit ab, während die Lichtgeschwindigkeit zunimmt, wenn er von einem dichteren zu einem dünneren Medium gebrochen wird.
Frequenz: Die Lichtfrequenz hängt von der Lichtquelle ab und ändert sich daher nicht durch Brechung.
Wellenlänge: Die Lichtgeschwindigkeit v in einem Medium, die Lichtwellenlänge λ in diesem Medium und die Lichtfrequenz f stehen in Beziehung zu v = fλ.
Wenn Licht von einem dünneren zu einem dichteren Medium übergeht, nimmt die Wellenlänge ab, und wenn Licht von einem dichteren Medium zu einem dünneren Medium übergeht, nimmt die Wellenlänge zu.
(1) Die Wassertiefe in einem Schiff scheint aus der Luft gesehen geringer zu sein
Die wirkliche Tiefe ist OS. Ein Lichtstrahl, der vom Punkt O ausgeht und senkrecht auf die Wasser-Luft-Oberfläche fällt, bewegt sich gerade entlang SA. Ein weiterer Strahl OQ, der auf die Wasser-Luft-Oberfläche am Punkt Q auftrifft, biegt beim Übergang zur Luft vom normalen NQ weg und geht den Weg QT entlang. Wenn der Strahl QT zurückerzeugt wird, treffen sich die beiden gebrochenen Strahlen am Punkt P. Somit ist P das Bild von O. Somit erscheint dem Betrachter die Tiefe des Gefäßes als SP statt als SO aufgrund der Lichtbrechung von Wasser zu Luft .
(2) Früher Sonnenaufgang und später Sonnenuntergang
(3) Fata Morgana in der Wüste
Manchmal ist in Wüsten ein umgekehrtes Bild eines Baumes zu sehen, das den falschen Eindruck von Wasser unter dem Baum vermittelt. Dies wird Fata Morgana genannt. Die Ursache der Fata Morgana liegt in der Lichtbrechung. Wie in der Wüste erwärmt sich der Sand sehr schnell, deshalb wird die Luftschicht, die mit dem Sand in Kontakt kommt, erhitzt. Dadurch ist die bodennahe Luft wärmer als die oberen Luftschichten. Mit anderen Worten, obere Schichten sind dichter als darunter! Wenn ein Lichtstrahl von der Sonne nach der Reflexion an der Spitze eines Baumes von einer dichteren zu einer dünneren Schicht wandert, biegt er sich von der Normalen weg. Somit nimmt bei der Brechung an der Trennfläche aufeinanderfolgender Schichten jedes Mal zu, wenn der Brechungswinkel zunimmt und der Einfallswinkel des von dichter zu dünner werdenden Strahls ebenfalls zunimmt, bis er 90° erreicht. Bei einer weiteren Erhöhung des Einfallswinkels von der dichteren zur dünneren Schicht erleidet sie eine vollständige Reflexion und nun wandert das reflektierte Licht vom dünneren zum dichteren Medium und biegt sich daher bei jeder Brechung zur Normalen hin. Beim Erreichen des Auges des Betrachters wird ein umgekehrtes Bild des Baums gesehen.
Wenn der einfallende Strahl AB auf eine Glasplatte fällt, trifft er auf den Einfallspunkt B. Der Strahl AB tritt von Luft auf Glas ein, biegt sich also in Richtung der Normalen und folgt dem Weg BC. Wenn der gebrochene Strahl BC am Punkt C erneut auf die Glasoberfläche trifft, biegt er sich von der Normalen weg, wenn der Strahl von Glas zu Luft wandert und dem Weg CD folgt. Der austretende Strahl CD ist parallel zum einfallenden Strahl AB. Austretender Strahl und einfallender Strahl sind also in der gleichen Richtung, aber seitlich versetzt.
Ein Prisma ist ein transparentes Medium, das von fünf ebenen Flächen mit dreieckigem Querschnitt begrenzt wird. Zwei gegenüberliegende Prismenflächen sind identische Dreiecke, während die anderen drei Flächen rechteckig und zueinander geneigt sind.
Wenn ein einfarbiger Lichtstrahl auf die geneigte Prismenfläche fällt, fällt der einfallende Strahl PQ auf die Prismenfläche, er bewegt sich von Luft zu Glas, so dass er sich zur Normalen krümmt und durch den Weg QR wandert. Wenn der gebrochene Strahl QR bei R auf die Prismenfläche trifft, tritt eine weitere Brechung auf. Nun tritt der Strahl QR vom Glas in die Luft ein, so dass er sich von der Normalen wegbiegt und in Richtung RS wandert. Beim Durchgang durch das Prisma biegt sich der Lichtstrahl also zur Basis des Prismas hin ab.
