Reflexion und Brechung: Licht und Mikrowellen

Reflexion und Brechung von elektromagnetischen Wellen

Ziele

• Messen Sie den Brechungsindex eines Prismas für elektromagnetische Wellen im sichtbaren Bereich (Licht) und für Mikrowellen.
• Messen Sie den Reflexionswinkel von elektromagnetischen Wellen.
• Messen Sie den Grenzwinkel der Totalreflexion, wenn ein Lichtstrahl von einem Medium mit höherem Brechungsindex auf ein Medium mit niedrigerem Brechungsindex übergeht.

Grundlagen

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle ändert sich beim Übergang von einem Medium in ein anderes. Die Brechung hat die Eigenschaft, die Richtung des Strahls zu ändern, wenn dieser schräg auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes trifft.

Das Snelliussche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Einfallswinkel und Brechungswinkel:

n₁ * sin(θ_i) = n₂ * sin(θ_t)

Wobei n₁ und n₂ die Brechungsindizes des ersten bzw. zweiten Mediums sind und θ_i und θ_t die Einfallswinkel bzw. Brechungswinkel.

Wenn n₁ > n₂, dann ist θ_t > θ_i. In diesem Fall gibt es einen kritischen Einfallswinkel θ_kritisch, ab dem keine Brechung mehr stattfindet, sondern Totalreflexion.

Verfahren

Teil 1: Brechungsindex eines Prismas

1. Setzen Sie ein Prisma auf die Drehscheibe, sodass der Lichtstrahl senkrecht auf die flache Seite des Prismas trifft (Einfallswinkel 0°).
2. Drehen Sie die Scheibe, um den Einfallswinkel zu variieren, und messen Sie ihn.
3. Bestimmen Sie den Brechungswinkel mithilfe einer Skala am Rand der Drehscheibe.
4. Wiederholen Sie die Schritte 2 und 3 für zwei weitere Einfallswinkel.
5. Bestimmen Sie den Brechungsindex für jeden Einfallswinkel mithilfe des Snelliusschen Gesetzes.

Messungen:

• a) θ_i = 10°, θ_t = 7°
• b) θ_i = 30°, θ_t = 20°
• c) θ_i = 50°, θ_t = 30°

Berechnung des Brechungsindexes (n₂) mit dem Snelliusschen Gesetz (n₁ = 1 für Luft):

• a) n₂ ≈ 1,42
• b) n₂ ≈ 1,46
• c) n₂ ≈ 1,53

Je größer der Einfallswinkel, desto kleiner ist der Brechungswinkel und desto größer ist der Brechungsindex.

Teil 3a: Übergang von einem optisch dünneren zu einem optisch dichteren Medium (n₁ < n₂)

Teil 3b: Übergang von einem optisch dichteren zu einem optisch dünneren Medium (n₁ > n₂)

Schlussfolgerungen

In diesem Experiment wurden der Reflexionswinkel und der Brechungswinkel gemessen. Der Grenzwinkel der Totalreflexion liegt zwischen 40° und 50°, etwa bei 45°.

Teil 4: Reflexion und Brechung von Mikrowellen

Reflexion und Brechung von Mikrowellen:

θ_i = 20°

θ_i + θ_t = 20° + 8° = 28°

Anwendung des Snelliusschen Gesetzes zur Bestimmung des Brechungsindexes für Mikrowellen in Styrol:

n₂ = 1 (Luft)

θ_i = 20°

θ_t = 28°

n₁ ≈ 1,37

Der Brechungsindex für Mikrowellen in Styrol beträgt etwa 1,37.