Leite Licht mit Wasser "um die Ecke"

14.10.17

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Sieh sich krümmendes Licht!
Durchführung

Achtung: Experiment von einem Erwachsenen überwachen lassen!(siehe Abschnitt Gefahrenhinweis).

Für dieses Experiment brauchst du eine durchsichtige Plastikflasche. Ungefähr 5 bis 10 cm über ihrem Boden bohrst du ein Loch in die Seite. Es sollte einen Durchmesser von ungefähr einem halben Zentimeter haben. Du kannst das Loch vorsichtig mit einer Bohrmaschine bohren oder du erhitzt eine alte Stricknadel über einer Kerzenflamme und schmilzt mit ihr ein Loch in das Plastik. Lass dir dabei von einem Erwachsenen helfen!

Stelle die Plastikflasche auf eine stabile Kiste oder an den Rand eines Tisches. Aus dem Loch wird später ein Wasserstrahl fließen. Stelle also einen Eimer so auf, dass er das Wasser auffangen kann.

Zuerst musst du aber noch den Laserpointer in Position bringen, und zwar auf der dem Loch gegenüber liegenden Seite. Dafür legst du den Laserpointer waagerecht auf Bücher, Holzklötzchen oder eine andere Unterlage, so dass er genau auf der Höhe des Lochs in der Flasche ist. Du kannst ihn dabei mit Knete stabilisieren. Jetzt kannst du den Laserpointer einschalten. Damit er eingeschaltet bleibt, kannst du deine Hand durch eine Wäscheklammer ersetzen, die den Einschaltknopf gedrückt hält. Fülle Wasser in die Flasche und justiere den Laserpointer so, dass er genau in das Loch trifft, aus dem jetzt ein Wasserstrahl fließt. Das Laserlicht wird auf diese Weise in den Wasserstrahl geleitet und tritt erst wieder aus, wenn der Strahl in Tropfen zerfällt oder wenn der Strahl auf den Boden des Eimers trifft. Du kannst auch deine Hand in den Wasserstrahl halten und mit ihr das Licht als hellen Punkt „auffangen“.

Prinzip

Normalerweise breitet sich Licht geradlinig aus. Mit diesem Experiment gelingt es aber, Licht „um die Ecke“ leuchten zu lassen. Wie ist das möglich? Das Prinzip dahinter ist sehr einfach: Jeder kennt das, wenn er auf eine Wasseroberfläche schaut. Je nach Blickwinkel wirkt sie wie ein Spiegel, sie reflektiert das Licht. Wissenschaftlich nennt man das Totalreflekion. Die kann man auch anders herum erleben, also beim Übergang von Wasser zu Luft, und zwar beim Tauchen mit Taucherbrille:  Wenn man im Schwimmbad oder im Meer taucht und versucht, schräg aus dem Wasser herauszuschauen, wirkt die Grenze zwischen Wasser und Luft wie ein Spiegel. Genau das passiert im Wasserstrahl des Experiments: Das Licht wird immer wieder an der Grenze von Wasser und Luft in den Wasserstrahl zurückgespiegelt. Der Wasserstrahl verhält sich also für das Licht wie ein innen verspiegeltes, gebogenes Rohr. Durch die Spiegelungen kann der Lichtstrahl der Biegung des Wasserstrahls folgen, er kann so also „um die Ecke“ leuchten.

Das Experiment wurde übrigens zum ersten Mal 1841 in Genf vorgeführt. Damals wurde statt des noch nicht erfundenen Lasers Sonnenlicht oder das helle Licht einer Kohlenbogenlampe verwendet. Die Lichtleitung blieb lange Zeit eine Spielerei, es wurden spektakuläre „Lichtbrunnen“ gebaut, deren Wasserstrahlen durch Licht erleuchtet wurden. Da das Phänomen aber nicht nur mit Wasser sondern mit vielen durchsichtigen Materialien funktioniert, kann Licht auch durch Glasfasern geleitet werden. Und das hat zu wichtigen Anwendungen geführt: Ärzte können spezielle biegsame Glasfasern zum Beispiel durch den Mund in den Magen oder bis in die Lunge führen. Durch eine Glasfaser wird Licht zur Beleuchtung geleitet, und mit einer zweiten Glasfaser wird das Bild aus dem Inneren des Körper nach außen geleitet. So kann der Arzt unzugängliche Stellen im Körper genau untersuchen und sogar mit ferngesteuerten Instrumenten Operationen durchführen.

Ohne eine andere sehr wichtige Anwendung von Lichtleitung in Glasfasern wäre unsere heutige Kommunikationsgesellschaft nicht mehr denkbar. Denn statt mit Kupferkabeln werden heutzutage Telefongespräche, Videobilder und Internetinhalte mit Glasfasern rund um den Globus übertragen. Diese Informationen sind in Computersprache übersetzt, also digital: Sie bestehen aus einer langen Folge von Nullen und Einsen. Um die zu übertragen, wird Licht in sehr rascher Folge an- und ausgeknipst. Vom Prinzip her ist das wie beim Morsen. Diese Folge von Lichtpulsen wird dann durch eine Glasfaser geleitet. Und die sind mittlerweile sehr leistungsfähig. Einzelne Glasfasern, die dünner als ein Haar sind, können zum Beispiel mehrere Millionen Telefongespräche gleichzeitig übertragen!

Gefahrenhinweise

Das Bohren des Lochs ist der heikelste Schritt: Pass auf, dass du dich dabei nicht verletzt und lass dir von einem Erwachsenen helfen.

WICHTIG! Blicke nie direkt in den Lichtstrahl eines Lasers! Das kann die Augen schädigen und sogar blind machen! Handelsübliche Laserpointer sind zwar theoretisch ungefährlich. Ihre Leistung kann aber durch Herstellungsfehler stärker als erlaubt sein. Achte daher - vor allem auch beim Justieren des Strahls - darauf, dass du nicht in ihn hineinblickst!

Tipps

Das Loch in der Plastikflasche sollte möglichst rund sein und einen glatten Rand haben, damit ein regelmäßiger Wasserstrahl entsteht.

Viele Plastikflaschen haben Rillen und anderen Unebenheiten. Bohre das Loch deshalb auf einer Höhe, bei der auf der gegenüberliegenden Seite der Laserstrahl durch eine glatte Plastikfläche gut in die Flasche einstrahlen kann.

Sobald der Wasserstrahl in Tropfen zerfällt, tritt das Licht heraus. Je länger er „am Stück“ bleibt, umso weiter kannst du also das Licht leiten. Je dicker der Strahl ist, umso später zerfällt er in einzelne Tropfen. Dafür läuft aber die Flasche schneller leer und du hast weniger Zeit zum Experimentieren. Probiere aus, mit welcher Lochgröße du am besten zurechtkommst.

Autor: Ingo Knopf/scienceRELATIONS
Video: Ingo Knopf

 

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Infobox

Material

durchsichtige Plastikflasche

Bohrer, Handbohrmaschine oder alte Stricknadel und Kerze

Stabile Kiste oder Tisch

Eimer

Knete/  Knetmasse

Laserpointer

Wäscheklammer

Wasser

Zeit


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