Lichtbrechung am Beispiel eines Wasserglases
Schaut man durch ein Wasserglas ein Objekt an, so ist durch das Glas ein verzogenes, gespiegeltes Bild zu sehen. Dieser Effekt resultiert aus der Lichtbrechung. Der Ursprung der Lichtbrechung besteht in der Welleneigenschaft des Lichts und dem sogenannten Fermat’schen Prinzip.
Licht ist eine elektromagnetische Welle. Dringt die Welle in ein Medium ein, regt sie die polarisierten Atome zum Schwingen an. Diese schwingen zwar mit der gleichen Frequenz, aber mit einer frequenzabhängigen Phasenverschiebung. Die elektromagnetische Welle wird durch den Übertritt in ein anderes Medium verlangsamt.
Wasserwellen
„Ins Wasser fällt ein Stein, ganz heimlich, still und leise, und ist er noch so klein, er zieht doch weite Kreise.“ (Evangelischer Liederschatz)
Warum entstehen Wellen?
Fällt ein Körper ins Wasser, gibt er einen Teil seiner kinetischen Energie ab. Die abgegebene Energie wird teilweise übertragen und teilweise in potentielle Energie umgewandelt und in Form einer Welle emittiert. Es entsteht eine konzentrische Welle um den Einschlag herum.
Warum werden die Wellenberge mit zunehmendem Abstand niedriger?
Im Falle der Vernachlässigung der Oberflächenspannung und der Reibung kann man sich vorstellen, dass eine Welle (= ein „Kreis“) immer dieselbe Energie hat, egal wie groß ihr Radius ist. Je größer der Radius ist, auf desto mehr Umfang muss sich die potentielle Energie verteilen. Die Amplitude nimmt also mit wachsendem Radius ab, genauer gesagt mit der Quadratwurzel von 1/r.
Die isolierende Wirkung des Milchschaums
Latte Macchiato, Cappuccino, Melange … all diese Kaffeespezialitäten haben eines gemeinsam: die Milchhaube. Die weiße Haube schützt das Getränk bereits seit vielen Jahren vor zu schnellem Abkühlen.
Wer denkt, das sei lediglich eine neumodische Erscheinung ohne Nutzen, der irrt:
Beispielsweise sollte der Kaffee, den sich Wiener Kutscher in der Pause geholt haben, nicht so schnell kalt werden. Deshalb hatte er eine besonders dicke Haube. Hieraus ist die Wiener Kaffeevariante „Einspänner“ entstanden.
Die weiße Haube isoliert nämlich den Kaffee (oder die heiße Schokolade). Je breiter eine Tasse Kaffee ist, desto schneller kühlt der Kaffee aus. Denn so ist die Oberfläche größer, sodass sich der Wärmeaustausch mit der Umgebung schneller vollzieht. Dabei wird dem Getränk Energie (= Wärme) entzogen – und seine Temperatur sinkt. Ein Milchschaumhäubchen schützt den Kaffee davor, auszukühlen wie eine Wärmedämmung z.B. aus Styropor ein Gebäude vor Wärmeverlust schützt. Die Luftbläschen transportieren die Wärme sehr schlecht. Das heiße Getränk bleibt mit dieser Isolierschicht deshalb in den ersten zwanzig Minuten 5 bis 8 Grad Celsius wärmer als ohne Häubchen.
Reibungselektrizität im Alltag
„Hast du etwas Zeit für mich, dann singe ich ein Lied für dich von 99 Luftballons“ –und der Reibungselektrizität im Alltag (Nena, „99 Luftballons“) Sei es auf dem Trampolin oder beim Ausziehen einer Fleecejacke, der elektrische Schlag ist nahezu garantiert. Eine vergleichbare Ladungstrennung findet auch bei den Haaren und dem Ballon statt. Um einer schmerzhaften Entladung zu entgehen, empfiehlt es sich auf dem Trampolin barfuß zu springen und auf synthetische Materialien zu verzichten.
Reibt man einen Luftballon an Haaren, so werden beide Körper unterschiedlich elektrisch geladen. Dieses Phänomen nennt man „Reibungselektrizität“.
Bei diesem Vorgang wandern Elektronen (negativ geladen) von den Haaren auf den Ballon über, so dass positiv geladene Haare bzw. ein negativ geladener Ballon entstehen. Aufgrund der Abstoßung gleichnamig geladener Körper stehen die Haare zu Berge bzw. aufgrund der Anziehung ungleichnamig geladener Körper zur Anziehung zwischen Haaren und Ballon. Dabei sind die wandernden Ladungen immer die Elektronen, da die Protonen durch die starke Kernkraft im Atomkern fest gebunden sind.
Oberflächenspannung
Jeder hat sich bestimmt schon einmal gefragt, warum Wasserläufer ohne Probleme über das Wasser laufen können. Oder warum Wassertropfen auf verschiedenen Oberflächen immer ihre signifikante Kugelform annehmen.
Der Grund dafür ist die Oberflächenspannung, welche eine spezielle Eigenschaft von Flüssigkeiten ist. Diese unterscheidet sich je nach molekularer Struktur. Je geringer die Oberflächenspannung, desto weniger tragfähig ist die Oberfläche einer Flüssigkeit.
Es wirken zwischen den Wassermolekülen starke Wasserstoffbrückenbindungen. Da jedes Wassermolekül von Nachbarmolekülen umgeben ist, führt das dazu, dass im Inneren der Flüssigkeit jedes Teilchen von allen Seiten gleich stark angezogen wird.
Folglich heben sich die zwischenmolekularen Kräfte auf. An der Flüssigkeitsoberfläche hingegen sind die resultierenden Kräfte nach innen gerichtet, dementsprechend werden die Moleküle ins Innere der Flüssigkeit gezogen und eine Oberflächenspannung entsteht. Eine solche gespannte „Membran“ bildet sich auch an allen Grenzflächen zu flüssigen oder festen Stoffen, deshalb nennt man sie allgemein Grenzflächenspannung.
Da es eine gewisse Kraft benötigt, um diese Membran zu durchbrechen, können sich die Wasserläufer aufgrund der Gewichtsverteilung und Oberflächenstruktur ihrer Beine auf dem Wasser fortbewegen.
Regenbogen
Wahrscheinlich erfreut man sich besonders an dem Anblick eines Regenbogens, gerade weil dieser so selten auftritt. Denn es muss gleichzeitig regnen und die Sonne scheinen, damit wir einen Regenbogen zu Gesicht bekommen. Kleine Hilfe beim Finden: Man muss die Sonne im Rücken haben.
Tatsächlich kann man anhand eines Regenbogens das Spektrum der Sonne beobachten. Uns erscheint ihr Licht zwar weiß, jedoch setzt sich dieses aus vielen verschiedenen Farben, genauer gesagt Licht verschiedener Wellenlängen, zusammen. Das Sonnenlicht spaltet sich aufgrund der Lichtbrechung auf, sobald es in den Regentropfen eintritt.
Das Licht wird anschließend in einem Winkel von 42° zurückgeworfen, was dem Regenbogen seine typische Form verleiht. Dass wir verschiedene Farben sehen, kommt daher, dass jede Farbe einen etwas abweichenden Reflexionswinkel besitzt. Blaues Licht zum Beispiel wird mit nur 40° zurückgeworfen. Eigentlich wäre der Regenbogen nicht nur ein Halbkreis, sondern ein vollständiger Kreis, würde der Boden nicht meistens die andere Hälfte des Bogens abschneiden. Vom Sichtwinkel eines Flugzeugs allerdings könnte man einen nahezu vollständigen Kreis sehen.
Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/03/Rainbow1.png
(Ersteller: Superaud-commonswiki)
Müsli-Effekt
Der Ärger beginnt schon am Morgen. Für einen guten Start in den Tag wünschen wir eine gute homogene Mischung des Müslis. Abhilfe schafft hier: Umdrehen – schütteln – aber in der richtigen Frequenz und Stärke.
Warum wandern die großen Teile des Müslis immer nach oben?
Die Entstehung der verschiedenen Schichten hat viele Ursachen. Voraussetzung ist hierbei ein kräftiges Schütteln während des Transports.
Entscheidende Parameter sind dabei Größe und Dichte der einzelnen Teile sowie Stärke, Frequenz und Richtung des Schüttelns.
Eine Gesetzmäßigkeit zu finden, fällt hier schwer: Beispielsweise bleiben in unserem Experiment Haferflocken und Schokoladenplättchen vermischt. Kleinste Bestandteile wandern aufgrund entstehender Hohlräume weitestgehend nach unten.
Blitz
Seit Urzeiten faszinieren Blitz und Donner die Menschheit. Im Laufe der Zeit hat die Menschheit den Umgang mit dem Feuer weiterentwickelt, sodass es gelungen ist, Feuer und sogar Blitze portabel in Feuerzeugen zu verstecken. Der Donner bleibt dabei natürlich aus.
Wie entstehen eigentlich Blitze? Und warum sieht man Blitze schon, bevor man den Donner hört?
Voraussetzung für einen Blitz ist eine Wolke, genauer eine Gewitterwolke. Eine Wolke bildet sich aus aufsteigender warmer, feuchter Luft. Die kleinen Wassertröpfchen, die zusammen eine Wolke darstellen, werden durch starke Aufwinde in große Höhe getragen und werden durch die immer niedrigeren Temperaturen zu Eiskristallen bzw. Graupelteilchen. Die schweren Graupelteilchen fallen nach unten und kollidieren bzw. reiben dabei mit den leichteren Eiskristallen. Dabei erfolgt eine Ladungstrennungen, die schwereren nach unten fallenden Graupelteilchen laden sich negativ und die leichteren nach oben wandernden Eiskristalle positiv auf. Wenn Wolken stark genug aufgeladen sind, ist die Bedingung einer Entladung gegeben. Durch diese Entladung entsteht ein Blitz. Es können hierbei einige 10.000 Ampere fließen.
Außerdem ist der Blitzkanal äußerst heiß – bis zu 30.000°C – wodurch sich die umliegende Luft stark ausdehnt. Diese Schockwelle kann man als Donner hören. Da sich das Licht des Blitzes mit Lichtgeschwindigkeit (300.000.000 Meter pro Sekunde), der Donner aber nur mit Schallgeschwindigkeit (340 Meter pro Sekunde) ausbreitet, sieht man Blitze schon früher, als man den Donner hören kann. Bei einer Entfernung von einem Kilometer zum Blitz beträgt der Unterschied ca. 3 Sekunden.
Zentrifugal und Zentripetalkraft
Ein heißer Tee und etwas Zucker, so wärmen „gefrorene“ Gliedmaßen im Nu wieder auf. Damit der Zucker schön verteilt wird, heißt es: Umrühren! Dabei bildet sich eine charakteristische Parabolform der Flüssigkeit aus, die aufgrund der Reibung rasch wieder abflacht.
Haft- und Gleitreibung
Ein gemütliches Gläschen Traubensaft am Abend haben so manchen Instagramer zu einem neuen Hobby – der Glasharfe – inspiriert. Ein periodischer Wechsel zwischen Gleit- und Haftreibung erzeugt einen harmonischen Ton. Je nach Füllstand und Form des Glases erhält man unterschiedliche Frequenzen für Tonhöhen aller Art. Auf der Wasseroberfläche kann man diesen Ton anhand kleiner Wellen sogar beobachten.
Um das Glas zum „Singen“ zu bringen, reicht es nicht, mit nassem Finger über den Rand zu streichen. Erst ab einer gewissen Feuchtigkeit kommt es zu einem wiederkehrenden „Stocken“ des Fingers.
Somit findet ein periodischer Wechsel zwischen Haft- und Gleitreibung statt, wodurch das Glas in Schwingung versetzt wird. Entspricht eine Frequenz des Frequenzspektrums dieser Schwingung der Eigenfrequenz des Glases, so kommt es zur Resonanz, wodurch die Amplitude der Schwingung erhöht wird. Die dabei entstehende Schwingung wird auf die Luft übertragen und es entsteht ein Ton.
Bei genauerer Betrachtung erkennt man auf der Wasseroberfläche sogar winzige Wellen.
Brownsche Molekularbewegung
Fünf oder doch sieben Minuten? Die Frage, wie lange der Tee für den perfekten Geschmack ziehen muss, stellt man sich bei cold-brewed-tea nicht. Damit man diesen Tee genießen kann, muss man ihn mehrere Stunden ziehen lassen. Die Ursache liegt in der geringen Teilchengeschwindigkeit der einzelnen Moleküle. Die sog. Brownsche Molekularbewegung ist umso stärker, je heißer die Flüssigkeit ist. Farb- und Geschmacksstoffe verteilen sich dann schneller.
Die Brownsche Molekularbewegung ist bei vielen Gelegenheiten unter dem Mikroskop untersucht und beobachtet worden. Es hat sich gezeigt, dass die Teilchen einer Flüssigkeit sich in dauernder, unregelmäßiger Bewegung befinden. Dabei ist die mittlere Geschwindigkeit umso größer, je höher die Temperatur der Flüssigkeit ist.
Hat das Wasser nun eine höhere Temperatur, so bewegen sich dessen Moleküle schneller als jene von kaltem Wasser. Aufgrund der höheren Geschwindigkeit der warmen Wassermoleküle stoßen diese öfters mit den Teilchen des Tees zusammen. Dadurch diffundiert der Tee im heißen Wasser schneller als im Kalten.
Der einseitige Hebel
Du hast den Flaschenöffner verlegt? Kein Problem. Als einseitiger Hebel können auch andere Gegenstände verwendet werden: Feuerzeug, Schlüssel, Tischkante oder eine zweite Flasche.
Durch Anwendung von Hebeln kann mit Hilfe von kleinen Kräften größere Kräfte hervorgerufen und damit schwere Arbeit mit weniger Aufwand bewerkstelligt werden. So kann man den fest sitzenden Flaschendeckel mit wenig Kraft öffnen.
Beim Öffnen der Flasche wird eine Kraft nach oben am Ende des Griffs aufgewendet, als Hebelarm bezeichnet man aber nicht den Griff und das Metallstück des Öffners, sondern die Strecke zwischen der Drehachse und der Stelle, an der die Kraft aufgewendet wird, also wo die Hand angelegt wird. Diese Strecke wird auch Kraftarm genannt.
Um die Drehachse, die sich an dem Ende des Flaschenöffners, also ungefähr über der Mitte des Flaschendeckels befindet, wird nun der Flaschenöffner nach oben bewegt.
Es wirkt noch eine zweite Kraft entgegen der Hebelbewegung: Die Lastkraft, die durch den starken Widerstand der Flaschenkapsel entsteht. Auch zu dieser Kraft gibt es einen Kraftarm: Den Lastarm, der wieder die Strecke zwischen Drehpunkt und der Kraft darstellt. Dieser zweite Kraftarm ist jedoch viel kürzer als der Hebelarm, da der Drehpunkt und der Punkt unter dem Flaschenrand, an dem der Öffner ansetzt, sehr nah aneinanderliegen.
Die Kraft, die nun aufgewendet wurde, überträgt sich auf den Flaschendeckel und er wird nach oben weg gehebelt. Der Flaschenöffner wird als einseitiger Hebel bezeichnet, da beide Kraftarme auf der gleichen Seite der Drehachse befinden.
Der Impuls
Billard ist kein Glücks- sondern ein Präzisionsspiel. Mit Hilfe vom Impulserhaltungssatz kann man beim Billardspielen den Ausgang von Stößen vorhersagen. Wenn man die Kugel aus dem richtigen Winkel mit der richtigen Kraft akkurat genug stößt, gelingt jeder Spielzug.
Impuls am Beispiel Billard
Das Billardspielen lässt sich mittels der physikalischen Erhaltungsgröße Impuls sehr gut beschreiben. Beim Impuls wird grundlegend zwischen zwei Arten unterschieden; dem elastischen Stoß und dem unelastischen Stoß. Beim unelastischen Stoß wandelt sich ein Teil der Energie durch Verformung in innere Energie um und dabei erwärmen sich die Körper. Beim elastischen Stoß bewegen sich beide Körper hinterher zusammen weiter.
Beliebtes Beispiel für den elastischen Impuls ist Billard. Beim Billard bewegen sich nämlich nach einem Stoß beide Kugeln weiter, ohne sich verformt zu haben.
Mit Hilfe von Impuls- und dem Energieerhaltungssatz kann man bei Spielzügen den Ausgang von Stößen vorhersagen.
Interferenz an dünnen Schichten
Das Prinzip ist zunächst ganz einfach, was herauskommt faszinierend. Faszinierend bunt. Man muss lediglich etwas Wasser und Spülmittel mischen, einen Ring in die Lösung tauchen und pusten. Schon entsteht ein leuchtendes Farbwunder: Die Seifenblase – ein Beispiel für die Interferenz an dünnen Schichten.
Das gleiche Phänomen kann übrigens auch an zahlreichen anderen dünnen Schichten in der Natur beobachtet werden. So schillern in der Sonne beispielsweise auch die Flügel einer Libelle und dünne Ölfilme auf Wasser in den unterschiedlichsten Farben.
In jedem dieser Fälle ist die Ursache für das beeindruckende Farbspektakel dieselbe: Es findet Reflexion von Licht und außerdem Lichtbrechung statt und schließlich kommt es zur Überlagerung der Lichtwellen, der sogenannten Interferenz. Das Farbenspiel auf der Seifenblase ist also reine Physik.
Werden Seifenblasen mit einer natürlichen Lichtquelle bestrahlt, so können sie je nach Betrachtungswinkel in allen Spektralfarben schillern. Hierbei ist ein ungleichmäßiger Farbverlauf auf der Seifenhaut zu beobachten, welcher sich auch unter gleichem Betrachtungswinkel mit der Zeit verändert. Bei genauer Betrachtung mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera erscheinen kurz vor dem Zerplatzen der Seifenblasen verdunkeln sich einige Stellen auf der Blase. Unmittelbar vor dem Zerplatzen verdunkelt sie sich sogar komplett.
Die Dicke der Seifenblasenhaut nimmt solange ab, bis sie schließlich zerplatzt – dies geschieht im Wesentlichen aufgrund der Gravitation. Somit ist die Schichtdicke nicht konstant. Außerdem hängt die Interferenzerscheinung an der Seifenblase von dem Betrachtungswinkel ab, da die Oberfläche der Blase gewölbt ist.
Dass die Dicke der Seifenblase mit der Zeit abnimmt, erklärt, warum sich das Farbmuster auf der Seifenhaut selbst unter identischem Betrachtungswinkel bei längerer Beobachtung verändert: Ändert sich die Dicke der Seifenhaut, so ändern sich auch der optische Gangunterschied der Lichtstrahlen. Aus diesem Grund kann auch beobachtet werden, dass die Seifenblase unmittelbar vor dem Zerplatzen schwarz erscheint: Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Schichtdicke der Seifenblasenhaut nahezu null, sodass die Phasendifferenz zwischen dem an der Außenseite und dem an der Innenseite reflektierten Lichtstrahl lediglich durch den Phasensprung bestimmt wird. Es findet zu diesem Zeitpunkt lediglich destruktive Interferenz statt und sämtliches Licht wird ausgelöscht.
Lichtbrechung in der Atmosphäre
Die Beobachtung des Sonnenaufgangs ist ein spektakuläres Farberlebnis. Eigentlich erscheint das Licht der Sonne uns meist weiß oder gelb. Es beinhaltet jedoch alle Farben des Regenbogens – von Violett über Blau, Grün, Gelb, Orange bis hin zu Rot. Der rötliche Farbeindruck beim Sonnenaufgang entsteht durch die Lichtbrechung in der Atmosphäre.
Jede dieser Farben besitzt eine andere Wellenlänge. Diese Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung ist bei der Farbe Blau am kürzesten und bei der Farbe Rot am längsten. Aufgrund des hohen Sonnenstands hat das Licht einen relativ kurzen Weg durch die Atmosphäre, wobei das blaue Licht, mit der kürzesten Wellenlänge, am stärksten gestreut wird: Deshalb erscheint uns der Himmel tagsüber blau.
Am Morgen und am Abend steht die Sonne knapp oberhalb des Horizonts und die Strahlen treffen in einem flacheren Winkel auf die Erde. Deswegen müssen die Lichtstrahlen auch einen längeren Weg durch die Erdatmosphäre zurücklegen, bevor sie in unser Auge gelangen. Auf ihrem Weg durch die Atmosphäre, die größtenteils aus Stickstoff und Sauerstoff besteht, treffen sie auf Staub und Wasserpartikel. Dadurch verliert das Sonnenlicht an Helligkeit und die Konturen des Lichts erscheinen weicher.
Bevor das blaue und violette Lichtspektrum die Erdoberfläche erreicht, wird es von Luftmolekülen in den äußeren Schichten der Atmosphäre gestreut. Übrig bleibt das größtenteils rote und orangene Licht, das den Himmel in die üblichen warmen Farben des Sonnenaufgangs/-Untergangs taucht. Diesen Effekt der Lichtstreuung nennt man die „Rayleigh-Streuung“.
Lichtdispersion am Prisma
Mit Hilfe eines Prismas (hier ein Würfel) kann man das Licht der Sonne in seine Bestandteile zerlegen. Diese Brechung des Lichts kennt man schon von Regentropfen an Fensterscheiben, die nach dem Schauer von der Sonne angestrahlt werden. Das Ergebnis ist ein farbenprächtiges Phänomen.
Licht wird beim Übergang zwischen zwei verschiedenen Medien gebrochen. Trifft ein Lichtstrahl auf ein Prisma, so wird er doppelt gebrochen, zunächst beim Eintreffen (Übergang Luft-Glas) und ein weiteres Mal beim Austreten aus dem Prisma (Übergang Glas-Luft). Als Ergebnis entsteht ein Farbspektrum, welches durch die Lichtbrechung zustande kommt. Die einzelnen Farben dieses Spektrums nennt man Spektralfarben – diese sind reine Farben, d.h. sie können im Gegensatz zu Sonnenlicht nicht weiter zerlegt werden. Nicht jeder Bestandteil des Lichts wird gleich stark gebrochen. Der Brechungsindex hängt von der Wellenlänge des Lichts ab: So hat beispielsweise blaues Licht eine Wellenlänge von ca. 400 nm und wird, mit dem Brechungsindex von Glas, stärker gebrochen als rotes Licht mit einer Wellenlänge von ca. 750 nm.
