Licht und Dispersion
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Grundlagen zum Thema Licht und Dispersion
Dispersion in der Physik
Hast du dich schon einmal gefragt, wie ein Regenbogen entsteht? Grundlegend hierfür ist die sogenannte Dispersion, mit der wir uns in diesem Text beschäftigen wollen.
Für einen guten Einstieg in dieses Thema sollte dir bekannt sein, dass man im Zuge der Strahlenoptik die Lichtausbreitung durch gerade Strahlen beschreiben kann. Beim Übergang solcher Lichtstrahlen von einem Material in ein anderes kommt es zur Lichtbrechung. Ein Lichtstrahl, der die Grenzfläche zwischen den zwei Medien passiert, wird also abgelenkt. Dabei hängt die Stärke dieser Ablenkung von den Brechungsindizes der beiden Materialien ab. Je größer der Unterschied der beiden Brechungsindizes ist, desto stärker wird das Licht gebrochen.
Wichtig zu wissen ist, dass sich weißes Licht aus dem Licht mehrerer Farben zusammensetzt. Weißes Licht besteht aus einem sogenannten Spektrum an unterschiedlichen Wellenlängen oder Frequenzen. Dabei hat violettes oder blaues Licht beispielsweise eine kürzere Wellenlänge (und eine höhere Frequenz) als rotes Licht.
Dispersion – einfach erklärt
Klären wir nun die Frage, was mit Dispersion gemeint ist.
Eine allgemeine Definition von Dispersion beschreibt diese als die Abhängigkeit einer physikalischen Größe von der Frequenz einer Welle.
Zumeist versteht man darunter die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in einem Medium von der Frequenz des Lichts.
Aus dieser Abhängigkeit folgt, dass Licht mit unterschiedlicher Frequenz (und Wellenlänge) unterschiedlich stark gebrochen wird.
Dispersion – Brechung im Prisma
In den meisten Medien ändert sich nämlich der Brechungsindex in Abhängigkeit der Frequenz – doch was bedeutet das genau? Um das besser zu verstehen, schauen wir uns an, was geschieht, wenn weißes Licht ein Glasprisma passiert.
Das Licht wird zunächst an der linken Grenzfläche zwischen Luft und Glas gebrochen, anschließend noch einmal an der rechten Grenzfläche zwischen Glas und Luft. Dabei wird das Licht in das sogenannte Dispersionsspektrum zerlegt: Es wird in seine Farben aufgefächert. Das liegt gerade daran, dass die Brechungsindizes in den Medien von der Frequenz des Lichts abhängen. Diese Abhängigkeit führt dazu, dass Licht unterschiedlicher Frequenz – also unterschiedlicher Farbe – auch verschieden stark gebrochen, also abgelenkt wird. Daher wird die Dispersion auch als Farbbrechung beschrieben.
Normale und anomale Dispersion
In den meisten Medien steigt der Brechungsindex $n$ mit der Frequenz $f$ des Lichts an. Das bezeichnet man auch als normale Dispersion. In diesem Fall ist der Brechungsindex für violettes Licht also größer als für rotes Licht und somit wird ersteres an einer Grenzschicht stärker gebrochen.
Mit Sicherheit kannst du dir schon denken, wie die Beschreibung für die anomale Dispersion lautet: In diesem Fall fällt der Brechungsindex mit steigender Frequenz ab.
Die anomale Dispersion findet man nur in sehr seltenen Fällen vor, zum Beispiel in speziellen alkoholischen Lösungen.
Zusammenfassung der Dispersion
- Unter Dispersion verstehen wir die unterschiedlich stark ausgeprägte Brechung von Licht verschiedener Frequenzen (und Wellenlängen) an einer optischen Grenzfläche.
- Allgemein definiert ist Dispersion die Abhängigkeit eine physikalischen Größe von der Frequenz einer Welle. Bei einer Lichtwelle ist die relevante physikalische Größe die Ausbreitungsgeschwindigkeit (bzw. der Brechungsindex).
- Weißes Licht setzt sich aus einem Spektrum unterschiedlicher Frequenzen zusammen. In einem Prisma trennt sich dieses Spektrum auf, denn violettes Licht wird beispielsweise stärker gebrochen als rotes.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Dispersion
Transkript Licht und Dispersion
Hallo und ganz herzlich willkommen. Dieses Video heißt Licht und Dispersion. Du kennst bereits Lichtausbreitung, Lichtbrechung und Lichtdurchlässigkeit. Nachher kennst Du den Unterschied zwischen weißem und farbigem Licht. Du kennst Spektralfarben, weißt was Dispersion ist und Du kannst die Wirkungsweise eines Prismas beschreiben. Kommen wir nun auch gleich zur „Lichtbrechung“. Wir haben hier ein Gefäß. In dem Gefäß befindet sich oben, wie überall, Luft. In dem Gefäß selbst ist Wasser. In das Gefäß strahlen wir Licht ein. Der Lichtstrahl ändert beim Auftreten auf das Wasser seine Richtung. Lichtbrechung ist die Veränderung der Richtung eines Lichtstrahls beim Übergang von einem Stoff zu einem anderen Stoff. Ist das klar? Schön. Dann weiter. Ein wichtiges optisches Hilfsmittel ist das „Prisma“. In der Optik verwendet man oft ein dreiseitiges Prisma. Hier wird es durch seine Grundfläche dargestellt. Ein Prisma besteht aus Glas oder Kunststoff. Wird Licht auf dieses Prisma gerichtet, so wird es zweifach gebrochen. Bei Übergang von Luft zum Prisma und beim Übergang vom Prisma zur Luft. Wir merken uns: Licht wird am Prisma zweifach gebrochen. Wir kommen zum nächsten Abschnitt: Farbiges Licht. Wir nehmen wieder ein Prisma. Das Licht ist farbig, zum Beispiel blau, und wird zweifach gebrochen. Was ist daran verwunderlich? Wir kommen später dazu. Wir stellen nur fest: Farbiges Licht verhält sich, ich sage mal, brav. Wie es in das Prisma hineingeht, so verlässt es auch das Prisma unverändert. Man beobachtet eine zweifache Lichtbrechung, sonst nichts. Und schon sind wir beim nächsten Abschnitt: „Dispersion“. Wir haben wieder unser Prisma. Und diesmal verwenden wir weißes Licht. Aber hier geschieht etwas Seltsames. Aus dem weißen Licht spaltet sich auf einmal ein Teil rotes Licht ab und grünes Licht und sogar blaues Licht. Es gibt noch weitere Farben, wie gelb oder orange. Ich habe mich hier nur auf die wesentlichen beschränkt. Wir stellen fest: Weißes Licht ist ein Gemisch aus dem Licht verschiedener Farben. Wir können weißes Licht aufspalten in rotes, grünes und blaues Licht. Woher kommt das? Die Erklärung ist glaube ich klar. Rotes, grünes und blaues Licht werden verschieden stark gebrochen. Diese unterschiedliche Brechung nach Farben bezeichnet man als „Dispersion“. Das bedeutet in etwa „Streuung“. Kommen wir nun zu den „Spektralfarben“. Die Spektralfarben sind nicht weiter zerlegbar. Man kann sie jedoch wieder zu weißem Licht zusammensetzen. Rot plus grün plus blau gleich weiß. Es fehlen noch einige Spektralfarben, das ist eine Vereinfachung. Dispersion kann man in der Natur beobachten. Farben am Himmel: Na klar, ich meine den Regenbogen. Ich bezeichne das einmal als „natürliche Dispersion“. Tja, so schön kann Natur sein, wenn man aus dem Fenster schaut. Über den Regenbogen werden wir uns in einem anderen Video unterhalten. Das war es auch schon wieder. Das war ein weiterer Film von André Otto. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss.
Licht und Dispersion Übung
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Gib an, was Lichtbrechung ist.
TippsEin Bruch liegt vor, wenn etwas plötzlich ab einem bestimmten Punkt (der Bruchstelle) nicht mehr in die erwartete Richtung zeigt.
Neben Körpern wie Knochen, Vasen und Handydisplays kann auch Licht gebrochen werden.
LösungWas verstehen wir denn unter Lichtbrechung?
„Lichtbrechung ist die Veränderung der Richtung eines Lichtstrahls beim Übergang von einem Stoff zu einem anderen Stoff.“
Das bedeutet, dass die Reflexion nicht zur Brechung gehört, denn da bleibt das Licht im selben Stoff.
Bei der Linse ist das Licht danach zwar wieder in der Luft, es geht aber zwischenzeitlich in die Linse über und wieder aus ihr hinaus.Wenn also das Licht in Luft ist und dann auf Wasser trifft (also von einem Stoff auf einen anderen, egal welchen, die Hauptsache ist, sie sind verschieden), dann wird die Richtung des Lichtstrahls verändert, sobald er auf den anderen Stoff trifft.
Das nennt man dann Lichtbrechung. -
Gib an, was die Dispersion von weißem Licht ist.
TippsDenke dabei an den Regenbogen, er entsteht durch Dispersion. (Das Licht der Sonne ist nahezu weißes Licht.)
LösungBeim Prisma kann man schöne Regenbogenfarben erkennen, aber woher kommen sie und was sind sie?
Wenn weißes Licht auf ein Prisma trifft, wird es in seine Spektralfarben zerlegt, also in farbiges Licht.
Das weiße Licht bestand also immer aus all diesen Farben, da die Farben aber alle am Prisma unterschiedlich stark gebrochen werden, fächern sie sich auf und knicken alle unterschiedlich stark ab. Das nennt man Dispersion und bedeutet so viel wie Streuung.
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Gib an, in welche Farben das weiße Licht gespalten wird.
TippsHohe Frequenzen werden stärker gebrochen.
LösungBeim Prisma werden hohe Frequenzen (also kurze Wellenlängen) stärker gebrochen.
Rot hat eine geringe Frequenz und Blau/Lila eine sehr hohe, also wird Rot am wenigsten stark gebrochen und ist oben, dann kommt Gelb, Grün und zum Schluss dann Blau und Lila.
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Erkläre das Experiment mit dem Farbkreisel.
TippsÜberlege dir, aus welchen Farben weißes Licht besteht und aus welchen z.B. blaues Licht besteht.
LösungBei der Dispersion von weißem Licht wird das Licht in seine Spektralfarben aufgeteilt. Werden diese Farben wieder zusammengeführt, fügen sich die Spektralfarben wieder zu weißem Licht zusammen.
Farben sehen wir, da farbige Flächen alle anderen Spektralfarben des Lichtes absorbieren außer jene, die wir sehen. Diese Farben werden von der farbigen Fläche reflektiert, bei unserem ruhenden Farbkreisel also: Gelb, Grünblau und Magenta.
Rotiert nun der Farbkreisel, wechseln sich die farbigen Flächen schneller ab, als unser Auge sie erfassen kann. Dadurch gelangen alle drei Farben (Gelb, Grünblau und Magenta) wieder zeitgleich in unser Auge. Im Resultat nehmen wir also wieder weißes Licht war.
Wie bei jeder optischen Täuschung nutzen wir auch hier die Grenzen unseres Sehsinns aus.
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Gib an, woraus weißes Licht besteht.
TippsÜberlege dir, was beim Prisma mit dem weißen Licht passiert.
LösungWoraus besteht „weißes“ Licht eigentlich?
Es besteht nicht aus „Weiß“, sondern es ist weiß, weil alle Farben zusammen es weiß aussehen lassen. Weißes Licht kann auch etwas mehr Rot haben (z.B. Glühbirne) oder etwas mehr Blau (z.B. Energiesparlampe), aber man findet dann immer noch alle oder fast alle anderen Farben.
Durch ein Prisma kann man diese Farben sichtbar machen, denn sie werden alle unterschiedlich stark gebrochen und fächern deshalb auf.
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Gib die richtigen Mischfarben an.
TippsAnders als im Kunstunterricht mischt man bei Licht additiv.
Du kannst es selbst testen, indem du eine Taschenlampe und farbige Folie nimmst, falls du diese z.B. von einem Hefter hast. Sie muss nur durchsichtig genug sein, damit du am Ende noch die Lichtfarbe sehen kannst.
LösungWir schauen uns einmal das Mischen von Farben an, das ist bei Licht etwas anders als im Kunstunterricht.
Hier wird nämlich additiv gemischt, die entstehenden Farben kannst du im Bild sehen.
Ausprobieren kannst du das mit farbiger Folie oder Plastik, das du vor eine Lampe hältst. Es muss natürlich durchsichtig sein, damit du am Ende die Mischfarbe sehen kannst.
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naja gehdso
Bei Aufgabe 4 in der 8ten und 12ten Lücke habe ich weiß eingetragen was richtig gewesen wäre würde mir dennoch als falsch angezeigt bin sehr enttäuscht
Man sagt es gäbe ein Goldkessel am anderen Ende des Regenbogens.
Danke für die Rückmeldung.
Das Problem sollte nun behoben sein.
hey das ist mies ….. bei Aufgabe 4 hab ich in der 8.und 12. Lücke Weis eingetragen und obwohl es richtig gewesen wäre hat es dass als falsch angezeigt bitte behebt dieses Problem :(