Practicum: Breking van licht en brekingsindex – Natuurkunde 3 VWO

In dit practicum voor 3 VWO onderzoek je de wet van Snellius (wet van breking) en bepaal je experimenteel de brekingsindex van een glasplaat. Je ontdekt het verschijnsel van totale interne reflectie en berekent de bijbehorende grenshoek. Dit practicum biedt een stevige basis voor de optica-onderwerpen in de bovenbouw, zoals lenzen, glasvezels en optische instrumenten.

Leerdoel

Na dit practicum kun je de wet van Snellius toepassen (n₁ × sin(α₁) = n₂ × sin(α₂)), de brekingsindex van een materiaal experimenteel bepalen en de grenshoek voor totale interne reflectie berekenen en waarnemen.

Cursusniveau en vakgebied

Niveau: VWO klas 3 | Vak: Natuurkunde | Onderwerp: Licht – breking, brekingsindex, wet van Snellius, totale interne reflectie

Benodigdheden

Lichtbak met smalle spleet (of diode-laser, klasse 2)
Halfronde glasplaat of halfrond optisch blok (glas met n ≈ 1,5)
Wit tekenblad (A3) en potlood
Gradenboog (360°, nauwkeurig op 1°)
Geodriehoek en liniaal
Zwarte onderlegger (voor contrast)

Achtergrondinformatie

Wanneer licht de grens passeert tussen twee media met verschillende brekingsindexen, verandert de richting van de lichtstraal. Dit verschijnsel heet breking en wordt beschreven door de wet van Snellius:

n₁ × sin(α₁) = n₂ × sin(α₂)

De brekingsindex n geeft aan hoe sterk licht in een medium vertraagt ten opzichte van de lichtsnelheid in vacuum: n = c / v. Voor lucht geldt n ≈ 1,00, voor gewoon glas n ≈ 1,5.

Als licht vanuit een optisch dichter medium (hoge n) naar een optisch ijler medium (lage n) gaat en de invalshoek groter is dan de grenshoek α_g, treedt totale interne reflectie op: er gaat geen licht door de grenslaag. De grenshoek is te berekenen met:

sin(α_g) = n₂ / n₁

Totale interne reflectie is de basis van glasvezelcommunicatie: lichtsignalen worden zonder verlies over grote afstanden geleid.

Werkwijze

Deel A – Brekingsindex bepalen (lucht naar glas)

Leg het halfronde glasblok met het platte vlak op de normaal. Stuur een lichtstraal via het gebogen oppervlak loodrecht op het platte vlak in (dan treedt geen breking op aan het ronde vlak).
Stel de invalshoek α₁ (t.o.v. de normaal op het platte vlak) in op: 10°; 20°; 30°; 40° en 50°. Teken bij elke hoek de inkomende en gebroken straal op papier. Meet α₂ met de gradenboog.
Bereken voor elke meting: n = sin(α₁) / sin(α₂). Neem het gemiddelde als brekingsindex van het glas.

Deel B – Grenshoek en totale interne reflectie (glas naar lucht)

Keer het blok om: stuur licht nu via het platte vlak het glas in, zodat het bij het gebogen vlak van glas naar lucht gaat.
Verhoog de invalshoek geleidelijk tot je ziet dat de gebroken straal verdwijnt. Noteer de grenshoek α_g.
Bereken de theoretische grenshoek: sin(α_g) = 1 / n_glas. Vergelijk met de gemeten waarde.

Meetresultaten noteren

Invalshoek α₁ (°)	Brekingshoek α₂ (°)	sin(α₁)	sin(α₂)	n = sinα₁/sinα₂
10		0,174
20		0,342
30		0,500
40		0,643
50		0,766

Verwerkingsvragen

Bereken de brekingshoek als α₁ = 45° en n_glas = 1,50 (licht gaat van lucht naar glas).
Bereken de grenshoek voor glas (n = 1,50) naar lucht (n = 1,00).
Leg uit waarom glasvezels werken op basis van totale interne reflectie en niet op gewone reflectie.
Een diamant heeft n = 2,42. Bereken de grenshoek. Waarom fonkelt een diamant zo sterk?

Uitwerking

Deel A – Verwachte meetwaarden (n_glas = 1,50)

α₁ (°)	α₂ (°)	n gemeten
10	6,6	1,50
20	13,2	1,50
30	19,5	1,50
40	25,4	1,50
50	30,7	1,50

Deel B – Grenshoek

sin(α_g) = 1 / 1,50 = 0,667 → α_g = 41,8° ≈ 42°. Boven deze invalshoek treedt totale interne reflectie op.

Antwoorden verwerkingsvragen

n₁ × sin(α₁) = n₂ × sin(α₂) → 1,00 × sin(45°) = 1,50 × sin(α₂) → sin(α₂) = 0,707 / 1,50 = 0,471 → α₂ = 28,1°.
sin(α_g) = 1,00 / 1,50 = 0,667 → α_g = 41,8°.
Bij totale interne reflectie wordt 100% van het licht teruggekaatst aan de binnenwand van de glasvezel. Gewone reflectie (spiegelreflectie) geeft slechts ≈ 4% reflectie per oppervlak, waardoor het signaal snel verzwakt. Totale interne reflectie maakt verliesvrij transport over kilometers mogelijk.
sin(α_g) = 1 / 2,42 = 0,413 → α_g = 24,4°. De grenshoek is erg klein: licht dat de diamant binnenkomt ondervindt bij bijna elke interne oppervlak totale reflectie. Het licht wordt vele malen gereflecteerd en verlaat de diamant geconcentreerd via de voorkant – dat geeft de karakteristieke fonkeling.

Veiligheidsaanwijzingen

Kijk nooit direct in een laserstraal of de lichtbundel van de lichtbak.
Gebruik een klasse 2 laser (max. 1 mW) of een lichtbak met smalle spleet.
Behandel de glazen optische blokken voorzichtig: glasscherven kunnen snijwonden veroorzaken.

Benodigde laboratoriumapparatuur van Labvakhandel

Labvakhandel levert professionele optica-sets voor het voortgezet onderwijs, waaronder halfronde glasblokken, lichtbakken met verwisselbare spleten, gradenboogsets en optisch tekenmateriaal. Onze optica-apparatuur is ontworpen voor nauwkeurige hoekmeting en duurzaam gebruik in het leslokaal.

Bekijk het assortiment optica-apparatuur of neem contact op voor advies.

Meer practicumopdrachten

Ontdek alle practica in de Labvakhandel kennisbank — voor biologie, scheikunde en natuurkunde.