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Lichtdispersion Leitfaden

PhysikMittelstufeLesezeit: 3 Min

Übersicht

Im Jahr 1666 ließ Newton in einem dunklen Raum einen Sonnenstrahl durch ein dreieckiges Prisma fallen, und an der Wand erschien ein wunderschönes Band aus sieben Farben. Dieses Experiment zerstörte den traditionellen Glauben, dass „Licht eine reine, einzelne Einheit ist“, vollständig. Dieses Experiment führt Sie zurück zu Newtons klassischer Entdeckung, simuliert den Zerlegungsprozess von weißem Licht durch ein dreieckiges Prisma, um die winzigen Unterschiede in den Brechungseigenschaften verschiedener monochromatischer Lichter zu untersuchen.

Hintergrund

Vor Newton glaubte man weithin, dass weißes Licht am reinsten sei und dass Farben durch eine Art „Verschmutzung“ des Lichts durch Objekte verursacht würden. Newton bewies durch das berühmte „Prismenexperiment“, dass weißes Licht tatsächlich eine Mischung aus Lichtern verschiedener Farben ist. Noch genialer war, dass er ein zweites Prisma verwendete, um die sieben Lichtfarben wieder zu weißem Licht zu vereinen, was die Theorie der Lichtdispersion unbestreitbar bestätigte. Diese Entdeckung öffnete die Tür zur Spektroskopie und ermöglichte es uns sogar, die Zusammensetzung von Sternen zu analysieren, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sind.

Schlüsselkonzepte

Lichtdispersion

Das Phänomen, bei dem polychromatisches Licht in monochromatisches Licht zerfällt. Nachdem weißes Licht ein Prisma passiert hat, zerfällt es in sieben Farben: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett.

Spektrum

Ein Band aus farbigem Licht, das nach der Zerlegung von polychromatischem Licht in der Reihenfolge der Wellenlänge (oder Frequenz) angeordnet ist. Es ist der „Fingerabdruck“ von weißem Licht.

Brechungsindex und Frequenz/Wellenlänge

nviolet>nredn_{\text{violet}} > n_{\text{red}}

Der Brechungsindex eines Mediums ist für Licht verschiedener Farben unterschiedlich. Licht mit höherer Frequenz und kürzerer Wellenlänge (wie violettes Licht) hat einen größeren Brechungsindex und weicht stärker ab.

Formeln & Herleitung

Beziehung zwischen Abweichung und Brechungsindex

δ∝n−1\delta \propto n - 1
Da der Brechungsindex nn von Glas für violettes Licht größer ist, ist der Ablenkungswinkel δ\delta von violettem Licht von seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung beim Durchgang durch das Prisma am größten und bei rotem Licht am kleinsten.

Experimentier-Schritte

  1. 1

    Newtons Experiment nachstellen

    Beobachten Sie den Prozess, wie ein weißer Lichtstrahl in ein dreieckiges Prisma eintritt. Was passiert mit dem Licht an der ersten Grenzfläche des Prismas? Ist der Lichtstrahl nach dem Eintritt in das Prisma immer noch weiß?
  2. 2

    Abweichungswinkel erkunden

    Ziehen Sie den Schieberegler „Einfallswinkel“, um die Einfallsrichtung des Lichts zu ändern. Beobachten Sie sorgfältig das farbige Lichtband, das das Prisma verlässt. Welche Lichtfarbe weicht am stärksten ab (absolute Position ist am niedrigsten)? Welche weicht am wenigsten ab?
  3. 3

    Spektrale Anordnung vergleichen

    Notieren Sie die Reihenfolge der sieben Farben: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo, Violett. Welches Muster finden Sie beim Vergleich ihrer Wellenlängendaten zwischen dem Brechungsindex und der Wellenlänge?
  4. 4

    Unsichtbares Licht erkunden

    Klicken Sie auf „Infrarot anzeigen“ und „Ultraviolett anzeigen“. In welchen Bereichen des Spektrums befinden sie sich jeweils? Können Sie aufgrund dieser Verteilung erraten, warum Infrarotstrahlen eine signifikante thermische Wirkung haben?

Lernergebnisse

  • Bestätigen Sie, dass weißes Licht polychromatisches Licht ist, das aus sieben monochromatischen Lichtern besteht: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett.
  • Beherrschen Sie die Reihenfolge des Spektrums nach der Dispersion und den Unterschied in der Abweichungsfähigkeit, den es darstellt.
  • Verstehen Sie das Prinzip der Prismendispersion: Dasselbe Medium hat für Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedliche Brechungsindizes.
  • Erkennen Sie die unsichtbaren Bereiche im Spektrum (Infrarotbereich und Ultraviolettbereich).

Praxisanwendungen

  • Regenbogen: Sonnenlicht, das nach dem Regen in kleine Wassertröpfchen in der Luft eindringt, erfährt Brechung, Reflexion und erneute Brechung, was zu Dispersionsphänomenen führt.
  • Spektralanalyse: Wissenschaftler können die Bestandteile entfernter Sterne bestimmen, indem sie das von ihnen emittierte Spektrum analysieren.
  • Glasfaserkommunikation: Verwendung von Dispersionskompensationstechnologie, um die Signalintegrität bei der Übertragung über große Entfernungen sicherzustellen.
  • Edelsteinidentifizierung: Der hohe Dispersionswert (Feuer) von Diamanten ist ein wichtiger Grund für ihre Schönheit und kann auch zur Echtheitsbestimmung herangezogen werden.

Häufige Irrtümer

Irrtum
Das Prisma „färbt“ das Licht mit Farbe.
Richtig
Falsch. Das Prisma „sortiert“ lediglich die verschiedenen monochromatischen Lichter, die bereits im weißen Licht vorhanden sind, durch unterschiedliche Brechungswege; es erzeugt keine neuen Farben.
Irrtum
Infrarot ist rot und Ultraviolett ist violett.
Richtig
Falsch. Sowohl Infrarot als auch Ultraviolett sind für das bloße Auge unsichtbar. Das rote Licht, das wir normalerweise von Heizungen sehen, ist begleitendes sichtbares rotes Licht, nicht das Infrarot selbst.

Weiterführende Literatur

Bereit zum Start?

Da du nun die Grundlagen verstehst, starte das interaktive Experiment!

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