Wenn Lichtstrahlen von Luft in Wasser übergehen, biegen sie sich, weil sich der Brechungsindex von Luft vom Brechungsindex von Wasser unterscheidet. Mit anderen Worten, Lichtstrahlen bewegen sich in Luft mit einer anderen Geschwindigkeit als in Wasser. Das Snell-Gesetz beschreibt dieses Phänomen und liefert eine mathematische Beziehung zwischen dem Winkel des Lichtstrahls von Einfall relativ zu einer senkrecht durch das Wasser verlaufenden Linie, die Brechungsindizes beider Materialien durch welche die Licht reist, und der Brechungswinkel, unter dem das Licht durch Wasser wandert.
Je größer der Brechungsindex, desto stärker wird das Licht gebeugt. Zuckerwasser ist dichter als reines Wasser, daher hat Zuckerwasser einen höheren Brechungsindex als reines Wasser. Hier verwenden wir die Physik der Brechung, um den Zuckergehalt von Wasser zu messen.
Legen Sie das Prisma auf einen fünften rechteckigen Objektträger und kleben Sie das Prisma mit Epoxid auf den Objektträger.
Zum Experimentieren aufstellen. Decken Sie eine Wand mit Papier ab, um Markierungen darauf zu machen. Stellen Sie den Laserpointer so auf, dass sein Strahl senkrecht zur Wand steht. Fixieren Sie den Laserpointer und überprüfen Sie ihn regelmäßig, um sicherzustellen, dass sein Strahl beim Durchgang durch die Luft konstant auf denselben Punkt trifft.
Richten Sie den Laserstrahl im leeren Zustand senkrecht durch das Prisma. Wenn das Prisma leer ist, sollte der Strahl nicht umgelenkt werden. Markieren Sie die Stelle, an der der Laserstrahl auf die Wand trifft. Legen Sie ein Blatt Papier unter den Laser und markieren Sie den Punkt, an dem der Strahl in das Prisma eingetreten ist (die beiden Punkte sollten zusammen eine gerade Linie bilden).
Füllen Sie das Prisma mit Flüssigkeit. Richten Sie den Laserstrahl durch das flüssigkeitsgefüllte Prisma. Der Strahl trifft in einiger Entfernung von der ursprünglichen Markierung auf die Wand. Markiere den Balken. Messen Sie den Abstand zwischen diesen beiden Punkten, Abstand A. Messen Sie den Abstand vom Prisma zur Wand, Abstand B.
Mit den beiden Distanzen, die Sie in Schritt 3 gemessen haben, können Sie den Auftreffwinkel des Strahls auf die Wand berechnen, also seinen Brechungswinkel nach dem Durchgang durch das Prisma. Berechnen Sie diesen Winkel, indem Sie den inversen Tangens von (Abstand A geteilt durch Abstand B) ermitteln.
Verwenden Sie das Snell-Gesetz zusammen mit dem in Schritt 4 berechneten Winkel, um den Brechungsindex Ihrer Flüssigkeit zu bestimmen. Nach dem Snell-Gesetz ist der relative Brechungsindex zweier Materialien oder n2/n1 (n2 = Brechungsindex des zweiten Materials, n1 = Brechungsindex des ersten Materials) ist gleich dem Sinus des Einfallswinkels geteilt durch den Sinus des Winkels von Brechung. Sie richten Ihren Laserpointer senkrecht auf das Prisma, sodass Ihr Einfallswinkel 90 beträgt. Sie haben Ihren Brechungswinkel in Schritt 4 berechnet. Und schließlich beträgt der Brechungsindex von Luft (n1) 1,003.
Erstellen Sie 1-prozentige, 5-prozentige, 10-prozentige und 50-prozentige Zuckerlösungen. Wiederholen Sie die Schritte 3 bis 5, um ihre Brechungsindizes zu bestimmen. Zeichnen Sie die Zuckerkonzentration gegen den Brechungswinkel. Vergleichen Sie Ihre Brechungsindizes für bekannte Konzentrationen mit dem Brechungsindex, den Sie in Schritt 5 berechnet haben. Schätzen Sie die Zuckerkonzentration für Ihre unbekannte Lösung.