Brechung des Lichts im Glasprisma
Ein dreieckiges Glasprisma hat zwei schräge Flächen (brechende Flächen). Der Winkel zwischen ihnen heißt brechender Winkel des Prismas (A).
- An der ersten Fläche geht das Licht von Luft in Glas (optisch dünner → dichter) und wird zum Lot hin gebrochen.
- An der zweiten Fläche geht es von Glas in Luft und wird vom Lot weg gebrochen.
- Beide Knicke drehen den Strahl zur Basis des Prismas hin.
Der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl (verlängert) und dem austretenden Strahl ist der Ablenkwinkel (D). Anders als bei einer Glasplatte ist der austretende Strahl beim Prisma nicht parallel zum einfallenden, weil die beiden Flächen nicht parallel sind.
Begriffe für die Zeichnung
Einfallender Strahl, gebrochener Strahl, austretender Strahl, Einfallswinkel (i), Brechungswinkel (r), Austrittswinkel (e), Ablenkwinkel (D).
Dispersion von weißem Licht
Wenn ein schmales Bündel weißen Lichts durch ein Prisma geht, erscheint auf einem Schirm ein Band aus sieben Farben. Dieses Band heißt Spektrum, und das Aufspalten heißt Dispersion.
Reihenfolge von der Basis aufwärts: Violett, Indigo, Blau, Grün, Gelb (Y), Orange, Rot (VIBGYOR).
Warum trennen sich die Farben?
Im Vakuum sind alle Farben gleich schnell. In Glas wird violettes Licht am stärksten abgebremst und rotes am wenigsten, deshalb hat Glas für Violett eine etwas größere Brechzahl. Größere Brechzahl → stärkere Ablenkung. Violett wird also am stärksten abgelenkt, Rot am schwächsten.
Wiedervereinigung (Newtons Versuch)
Isaac Newton stellte ein zweites, gleiches Prisma umgedreht hinter das erste. Die Farben kamen wieder als weißes Licht heraus. Das zeigte: Das Prisma fügt keine Farbe hinzu. Weißes Licht ist selbst eine Mischung aus allen Farben.
Wie ein Regenbogen entsteht
Ein Regenbogen ist ein natürliches Spektrum am Himmel nach dem Regen. Winzige Wassertropfen in der Luft wirken wie kleine Prismen:
- Brechung und Dispersion, wenn das Sonnenlicht in den Tropfen eintritt.
- Innere Reflexion an der Rückseite des Tropfens.
- Nochmalige Brechung beim Austritt, wodurch die Farben noch weiter auseinandergehen.
Rot erreicht unser Auge von Tropfen weiter oben am Himmel (etwa 42°) und Violett von tieferen Tropfen (etwa 40°). Deshalb liegt Rot am äußeren Rand und Violett am inneren Rand. Ein Regenbogen erscheint immer gegenüber der Sonne: Die Sonne muss in deinem Rücken stehen. Du kannst auch an einem sonnigen Morgen mit einem Rasensprenger einen Regenbogen erzeugen.
Schwerpunkte für die Prüfung
Häufige Fragen: den Strahlengang durch ein Prisma zeichnen und i, e und D einzeichnen (2–3 Punkte); warum Violett am stärksten gebrochen wird; was Dispersion und Spektrum bedeuten; Newtons Wiedervereinigung; die drei Schritte der Regenbogenentstehung und warum er gegenüber der Sonne liegt.
Wichtige Formeln und Definitionen
- Dispersion: Aufspaltung von weißem Licht in seine Farben
- Reihenfolge im Spektrum (von schwach bis stark gebrochen): R O Y G B I V
- Brechzahl: n(violett) > n(rot) in Glas, also D(violett) > D(rot)
- Prisma: Der Strahl knickt an beiden Flächen zur Basis hin
- Regenbogen = Brechung + Dispersion + innere Reflexion + Brechung
Gelöste Beispiele
1. Ein Strahl weißen Lichts geht durch ein Prisma. Welche Farbe erscheint auf dem Schirm am nächsten zur Basis, und warum?
Violett. Glas hat für Violett die größte Brechzahl, also wird Violett am stärksten gebrochen und landet am nächsten zur Basis.
2. Warum zerlegt eine Glasplatte weißes Licht nicht in Farben wie ein Prisma?
Bei einer Platte sind die beiden Flächen parallel, deshalb macht die Brechung an der zweiten Fläche die der ersten genau rückgängig. Die Farben treten parallel aus und überlagern sich wieder zu Weiß (nur mit einem winzigen seitlichen Versatz). Beim Prisma sind die Flächen geneigt, die Knicke addieren sich und die Farben trennen sich.
3. Wie könntest du zeigen, dass weißes Licht aus sieben Farben besteht?
Schicke ein schmales Lichtbündel durch ein Prisma, dann entsteht ein Spektrum. Stelle danach ein gleiches Prisma umgedreht in den Strahlengang: Die Farben vereinen sich wieder zu weißem Licht. Aufspalten und Zusammenfügen zeigt, dass weißes Licht eine Mischung ist.
4. Warum sieht man in Indien mittags nie einen Regenbogen am Südhimmel?
Ein Regenbogen entsteht gegenüber der Sonne, etwa 40–42° vom genau gegenüberliegenden Punkt entfernt. Mittags steht die Sonne hoch, dieser Punkt liegt also weit unter dem Horizont und der Bogen ist nicht zu sehen. Regenbogen erscheinen am Morgen oder späten Nachmittag.
Häufige Fehler
- Zu schreiben, das Prisma erzeuge die Farben. Die Farben steckten schon im weißen Licht, das Prisma trennt sie nur.
- Zu sagen, Rot werde am stärksten gebrochen. Rot wird am schwächsten gebrochen, Violett am stärksten.
- Den austretenden Strahl zur Spitze hin zu zeichnen. An beiden Flächen dreht sich der Strahl zur Basis hin.
- Zu denken, man könne einen Regenbogen sehen, wenn man zur Sonne schaut. Er liegt immer gegenüber der Sonne.