Reflexion und Brechung
In dieser Lektion lernst du, was mit Licht passiert, wenn es auf eine Grenzfläche trifft. Du wendest das Reflexionsgesetz an und verstehst, warum ein Strohhalm im Wasserglas geknickt aussieht.
- Fach: Physik
- Klasse 8
- Thema: Optik
- Dauer: 15 Min
- Niveau: Mittel
Licht an der Grenze
Licht breitet sich geradlinig aus, solange es im selben Stoff bleibt. Trifft es auf eine Grenzfläche, etwa zwischen Luft und Glas oder Luft und Wasser, passieren zwei Dinge: Ein Teil des Lichts wird zurückgeworfen, das ist die Reflexion. Ein anderer Teil dringt in den neuen Stoff ein und ändert dabei seine Richtung, das ist die Brechung.
Um die Richtungen zu beschreiben, zeichnet man das Lot ein – eine gedachte Linie senkrecht zur Grenzfläche am Auftreffpunkt. Alle Winkel werden zu diesem Lot gemessen. Beim Spiegel gilt das Reflexionsgesetz: Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß. Deshalb siehst du dein Spiegelbild genau gegenüber und nicht verschoben.
Brechung entsteht, weil sich Licht in verschiedenen Stoffen unterschiedlich schnell ausbreitet. In Wasser und Glas ist es langsamer als in Luft. Geht Licht von Luft in Wasser, wird es zum Lot hin gebrochen, im umgekehrten Fall vom Lot weg.
Reflexion oder Brechung?
An den meisten Grenzflächen treten beide Effekte gleichzeitig auf. An einer Fensterscheibe siehst du dich schwach gespiegelt, obwohl der größte Teil des Lichts hindurchgeht.
Reflexion
Das Licht bleibt im selben Stoff und wird an der Grenzfläche zurückgeworfen.
Beispiele
- Spiegelbild im Badezimmerspiegel
- Glitzern der Sonne auf einem See
- Rückstrahler am Fahrrad
Signalwörter
- Spiegel
- zurückgeworfen
- Einfallswinkel = Reflexionswinkel
- glatte Oberfläche
Brechung
Das Licht tritt schräg in einen anderen Stoff über und ändert seine Richtung.
Beispiele
- Ein Strohhalm im Glas wirkt geknickt.
- Ein Schwimmbecken sieht flacher aus, als es ist.
- Linsen in Brille und Lupe lenken Licht um.
Signalwörter
- Übergang in anderen Stoff
- zum Lot hin
- vom Lot weg
- Linse
- scheinbar geknickt
| Stoff | Lichtgeschwindigkeit |
|---|---|
| Luft | etwa 299.700 km/s |
| Wasser | etwa 225.000 km/s |
| Fensterglas | etwa 197.000 km/s |
| Diamant | etwa 124.000 km/s |
Typische Fehler bei Reflexion und Brechung
Der häufigste Fehler ist, Winkel zur Grenzfläche statt zum Lot zu messen. Gibt eine Aufgabe den Winkel zur Spiegel- oder Wasseroberfläche an, musst du ihn erst in den Winkel zum Lot umrechnen, meist durch 90° minus diesen Winkel. Wer das übersieht, verwechselt am Ende zwei ganz unterschiedliche Zahlen.
Ein zweiter Fehler ist die Richtung der Brechung. Beim Übergang in einen Stoff, in dem Licht langsamer wird, etwa von Luft in Wasser oder Glas, wird der Strahl zum Lot hin gebrochen, der Winkel wird also kleiner. Beim umgekehrten Übergang wird er größer. Manche merken sich die Regel falsch herum und drehen die Richtung im Kopf um.
Ein dritter Fehler ist die Annahme, an einer Grenzfläche passiere nur Reflexion oder nur Brechung. Tatsächlich treten fast immer beide Effekte gleichzeitig auf, nur mit unterschiedlichen Anteilen. An einer Fensterscheibe wird das meiste Licht durchgelassen und gebrochen, ein kleiner Teil aber auch reflektiert – deshalb siehst du dich abends im hell erleuchteten Zimmer schwach im Fenster gespiegelt.
Alltagsbezug: Fata Morgana, Regenbogen und Glasfaser
Eine Fata Morgana entsteht, weil Licht in unterschiedlich warmen Luftschichten unterschiedlich stark gebrochen wird und dabei so gekrümmt wird, dass am Horizont scheinbar Wasser oder gespiegelte Objekte erscheinen. Auch ein Regenbogen beruht auf Brechung und teilweise auch Reflexion: Licht wird beim Eintritt in einen Regentropfen gebrochen, an der Rückseite reflektiert und beim Austritt noch einmal gebrochen, wobei sich die Farben des weißen Lichts auffächern.
Eine Glasfaser nutzt dagegen fast nur die Reflexion aus: Trifft Licht innerhalb der Faser unter einem sehr flachen Winkel auf die Wand, wird es vollständig reflektiert und läuft praktisch verlustfrei kilometerweit durch das Kabel weiter. Dieses Prinzip der Totalreflexion ermöglicht die schnelle Datenübertragung im Internet.
Beispielaufgabe
Ein Lichtstrahl trifft unter einem Winkel von 25° zur Spiegeloberfläche auf einen ebenen Spiegel. Wie groß ist der Reflexionswinkel?
Gegeben:
- Winkel zur Spiegelfläche25°
Gesucht:
Reflexionswinkel βLösung:
- Einfallswinkel zum Lot: α90° - 25°65°
- Reflexionsgesetz: βα
- β65°
Der Reflexionswinkel beträgt 65°, gemessen zum Lot. Wer direkt 25° angibt, hat zur Oberfläche statt zum Lot gemessen.
Zwei Spiegel im rechten Winkel
Zwei ebene Spiegel stehen im rechten Winkel (90°) zueinander. Ein Lichtstrahl trifft mit einem Einfallswinkel von 30° zum Lot auf den ersten Spiegel und wird von dort zum zweiten Spiegel reflektiert. Unter welchem Winkel zum Lot trifft er auf den zweiten Spiegel?
Gegeben:
- Einfallswinkel am ersten Spiegel30°
- Winkel zwischen den Spiegeln = 90°
Gesucht:
Winkel zum Lot am zweiten SpiegelLösung:
- Reflexionsgesetz am ersten Spiegel: Reflexionswinkel = 30°
- Die Lote beider Spiegel stehen ebenfalls im 90°-Winkel zueinander
- Der reflektierte Strahl trifft den zweiten Spiegel deshalb unter 90° - 30° = 60° zur Spiegelfläche
- Umrechnung zum Lot: 90° - 60°30°
Der Strahl trifft auch auf den zweiten Spiegel unter 30° zum Lot. Bei zwei Spiegeln im rechten Winkel läuft der Strahl am Ende immer parallel zum ursprünglichen Strahl zurück – das nutzen Rückstrahler an Fahrrädern aus.
Jetzt bist du dran
Licht trifft mit einem Einfallswinkel von 40° (zum Lot) auf einen Spiegel. Wie groß ist der Reflexionswinkel?
Das Wichtigste in Kürze
- An einer Grenzfläche wird Licht teils reflektiert und teils gebrochen.
- Reflexionsgesetz: Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß.
- Beim Übergang in einen Stoff, in dem Licht langsamer ist, wird es zum Lot hin gebrochen.
- Brechung erklärt geknickte Strohhalme, flach wirkende Becken und Linsen.
- Typischer Fehler: Winkel zur Oberfläche statt zum Lot messen.
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Häufige Fragen zu Reflexion und Brechung
- Was besagt das Reflexionsgesetz?
- Das Reflexionsgesetz besagt, dass der Einfallswinkel und der Reflexionswinkel an einem Spiegel immer gleich groß sind, beide gemessen zum Lot. Zusätzlich liegen einfallender Strahl, Lot und reflektierter Strahl in derselben Ebene. Deshalb siehst du dein Spiegelbild genau spiegelverkehrt gegenüber und nicht seitlich verschoben.
- Was ist der Unterschied zwischen Reflexion und Brechung?
- Bei der Reflexion wird Licht an einer Grenzfläche zurückgeworfen und bleibt im selben Stoff. Bei der Brechung tritt das Licht in einen anderen Stoff ein und ändert dabei seine Richtung, weil es sich dort unterschiedlich schnell ausbreitet. An den meisten Grenzflächen treten beide Effekte gleichzeitig auf, nur mit unterschiedlichen Anteilen.
- Warum wird Licht beim Übergang von Luft in Wasser zum Lot hin gebrochen?
- Licht breitet sich in Wasser langsamer aus als in Luft. Beim Übergang in einen Stoff, in dem es langsamer wird, wird der Lichtstrahl immer zum Lot hin gebrochen, der Winkel zum Lot wird also kleiner. Beim umgekehrten Übergang, von Wasser zurück in Luft, wird der Strahl entsprechend vom Lot weg gebrochen.
- Was ist das Lot in der Optik?
- Das Lot ist eine gedachte Linie, die senkrecht auf der Grenzfläche steht, genau am Punkt, an dem der Lichtstrahl auftrifft. Alle Winkel bei Reflexion und Brechung – Einfallswinkel, Reflexionswinkel und Brechungswinkel – werden zu diesem Lot gemessen, niemals zur Grenzfläche selbst.
- Warum sieht ein Strohhalm im Wasserglas geknickt aus?
- Das Licht, das vom unter Wasser liegenden Teil des Strohhalms ausgeht, wird beim Übergang von Wasser in Luft von der Wasseroberfläche gebrochen. Dein Auge verlängert die ankommenden Strahlen aber gedanklich geradlinig zurück und nimmt den Halm deshalb an einer leicht versetzten Stelle wahr – er wirkt geknickt, ist es aber nicht.
- Wie funktioniert ein Regenbogen?
- Sonnenlicht wird beim Eintritt in einen Regentropfen gebrochen, an der Rückseite des Tropfens reflektiert und beim Austritt noch einmal gebrochen. Weil verschiedene Farben des Lichts unterschiedlich stark gebrochen werden, fächern sie sich dabei auf und erscheinen am Himmel als Farbband. Ein Regenbogen ist also eine Kombination aus Brechung und Reflexion.
- Was ist Totalreflexion?
- Totalreflexion tritt auf, wenn Licht aus einem optisch dichteren in einen optisch dünneren Stoff übergehen will und der Winkel zum Lot größer ist als ein bestimmter Grenzwinkel. Dann verlässt kein Licht mehr den Stoff, sondern es wird komplett reflektiert. Glasfaserkabel nutzen diesen Effekt, um Licht praktisch verlustfrei über lange Strecken zu leiten.
- In welcher Klasse lernt man Reflexion und Brechung?
- Reflexion und Brechung des Lichts sind meist Thema der Optik in der achten Klasse. Vorausgesetzt werden Grundkenntnisse zu Licht und Schatten sowie zum Messen von Winkeln. Darauf bauen später Linsen und optische Geräte sowie die Totalreflexion auf.
Wiederhol diese Fragen später mit deinem Lernkarten-Trainer.
Das solltest du vorher können
- Licht und Schatten
- Winkel messenin Arbeit
Das kommt als Nächstes
- Linsen und optische Geräte
- Totalreflexionin Arbeit