Aufgaben: Lichtleiter, Endoskop und Glasfaser

Erkläre in zwei Sätzen, wie Licht in einer Glasfaser weitergeleitet wird.

Nenne zwei Anwendungen von Lichtleitern.

Warum kann Licht in einer gebogenen Glasfaser „um die Kurve“ gelangen? Nenne den zugrunde liegenden Effekt.

Bei einer Magenspiegelung im Krankenhaus wird ein Endoskop eingeführt.

1. a) Erkläre, wozu das Endoskop zwei Bündel von Glasfasern benötigt.

1. b) Warum sind Endoskope für Patienten schonender als eine Operation?

Ein Glasfaserkabel verbindet zwei Orte in Köln und Düsseldorf. Die Entfernung beträgt 40 km. Licht legt im Glas etwa $200.000\ \frac{\text{km}}{\text{s}}$ zurück.

1. a) Berechne die Laufzeit eines Lichtsignals.

1. b) Gib das Ergebnis in Millisekunden an.

Eine Glasfaser besteht aus einem Kern und einem Mantel aus Glas.

1. a) Erkläre, warum der Mantel für die Totalreflexion wichtig ist.

1. b) Was passiert, wenn die Faser so stark geknickt wird, dass der Einfallswinkel an der Grenzfläche kleiner als der Grenzwinkel wird?

Vergleiche die Datenübertragung per Kupferkabel (elektrische Signale) mit der per Glasfaser (Lichtsignale). Nenne mindestens drei Kriterien und bewerte, warum Glasfasern für das Internet in Deutschland ausgebaut werden.

Ein Lichtstrahl trifft am Ende einer Glasfaser auf die Stirnfläche. Der Grenzwinkel Kern–Mantel beträgt $80^\circ$ (zum Lot der Grenzfläche).

1. a) Erkläre, welchen Winkel der Strahl in der Faser zur Faserachse höchstens haben darf, damit Totalreflexion eintritt.

1. b) Erkläre, warum bei zu großem Einfallswinkel an der Stirnfläche Licht verloren geht.

Ein Schüler möchte mit einer Wasserstrahl-Demonstration (Laserpointer durch einen Wasserstrahl aus einer Plastikflasche) Lichtleitung zeigen.

1. a) Beschreibe, wie der Laserstrahl dem gebogenen Wasserstrahl folgt.

1. b) Nenne zwei Sicherheitsregeln für den Umgang mit dem Laserpointer.

1. c) Erkläre, warum der Versuch im abgedunkelten Raum besser sichtbar ist.