Die Physik der Lichtreflexion einfach erklärt: Reflexionsgesetz

Hast du schon einmal in eine vollkommen ruhige Pfütze geschaut und ein perfektes Spiegelbild des Himmels gesehen? Aber sobald du hineintrittst, verschwindet das Bild sofort!

In diesem Artikel erklären wir dir die Physik der Lichtreflexion einfach und verständlich. Wir finden heraus, warum manche Dinge wie ein Spiegel funktionieren und andere nicht. Außerdem lernst du das strengste Gesetz der Lichtstrahlen kennen und kannst danach genau vorhersagen, wohin ein Lichtstrahl fliegt, wenn er auf einen Spiegel trifft!

Vorwissen

• Lichtstrahlen: Licht breitet sich immer geradlinig aus. Beispiel: Der Strahl eines Laserpointers in einem dunklen Raum ist eine schnurgerade Linie.
• Sehen: Wir sehen Dinge nur, weil Licht von ihnen abprallt und in unsere Augen fällt. Beispiel: Du kannst ein Buch im Dunkeln nicht lesen, bis du eine Lampe einschaltest, deren Licht vom Papier in dein Auge reflektiert wird.

Aufgabentyp 1: Glatte und raue Oberflächen

Damit ein klares Spiegelbild entstehen kann, muss eine Oberfläche perfekt glatt sein, wie ein Spiegel oder ein ruhiger See. Wenn Lichtstrahlen auf eine glatte Oberfläche treffen, prallen sie alle gemeinsam in genau dieselbe Richtung ab. Das nennt man eine gerichtete Reflexion. Dadurch entsteht ein scharfes Bild in deinem Auge.

Wenn eine Oberfläche aber auch nur ein bisschen wellig oder rau ist (wie eine Hauswand oder ein See mit Wellen), passiert etwas anderes. Die Oberfläche wirkt wie tausende winzige Spiegel, die alle in unterschiedliche Richtungen zeigen. Wenn Lichtstrahlen auf diese raue Oberfläche treffen, werden sie in alle möglichen Richtungen zerstreut. Das nennt man Streuung.

Es kommt zwar immer noch Licht in deinem Auge an (deshalb kannst du die Wand oder das Wasser überhaupt sehen), aber die Lichtstrahlen sind so durcheinander, dass kein klares Bild mehr entstehen kann.

Der Alufolien-Spiegel

Zweck: Wir machen eine glatte Oberfläche rau, um zu sehen, wie das Spiegelbild verschwindet.

Materialien: Ein glattes Stück Aluminiumfolie.

Durchführung:

1. Schau in das glatte Stück Alufolie. Du kannst dein Gesicht oder zumindest helle und dunkle Umrisse erkennen.
2. Knülle die Alufolie fest zu einem kleinen Ball zusammen.
3. Falte die Folie wieder auseinander und streiche sie so glatt wie möglich. Schau nun wieder hinein.

Beobachtung: Vor dem Knüllen konntest du ein Spiegelbild sehen. Nach dem Knüllen ist das Bild komplett verschwunden. Die Folie glänzt zwar noch hell, aber du siehst nur noch ein unscharfes Grau.

Erklärung: Durch das Knüllen hast du tausende kleine Falten und Beulen in die Folie gemacht. Die Oberfläche ist jetzt rau. Die Lichtstrahlen werden nun in alle Richtungen gestreut, anstatt gemeinsam in eine Richtung zu fliegen.

Aufgabentyp 2: Das Reflexionsgesetz

Licht verhält sich an einem Spiegel sehr ähnlich wie eine Billardkugel, die gegen die Bande (den Rand) des Tisches rollt. Wenn du die Kugel schräg gegen die Bande spielst, prallt sie genau so schräg wieder ab.

Um diesen Weg bei Lichtstrahlen genau zu zeichnen, benutzen Physiker eine unsichtbare Hilfslinie: das Einfallslot (oder kurz: Lot). Das Einfallslot ist eine gestrichelte Linie, die genau an dem Punkt, wo das Licht auf den Spiegel trifft, senkrecht (im $90^\circ$-Winkel) nach oben gezeichnet wird.

Wir messen die Winkel immer zwischen dem Lichtstrahl und dieser Hilfslinie:

• Der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und dem Einfallslot heißt Einfallswinkel ($\alpha$).
• Der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem Einfallslot heißt Reflexionswinkel ($\alpha'$).

Das Reflexionsgesetz ist eine ganz einfache Regel: Der Einfallswinkel ist immer exakt genauso groß wie der Reflexionswinkel.

Als Formel geschrieben: $\textcolor{#08BFFF}{\alpha} = \textcolor{#9570FF}{\alpha'}$

Außerdem gilt: Der einfallende Strahl, das Einfallslot und der reflektierte Strahl liegen alle flach auf demselben Blatt Papier (in einer Ebene).

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Zeichne den Spiegel als gerade Linie und den einfallenden Lichtstrahl als Pfeil, der auf den Spiegel trifft.
2. Zeichne genau am Berührungspunkt eine gestrichelte Linie im $90^\circ$-Winkel nach oben (das Einfallslot).
3. Lege dein Geodreieck an das Einfallslot an und miss den Einfallswinkel ($\alpha$).
4. Miss auf der anderen Seite denselben Winkel ab und zeichne den reflektierten Strahl als Pfeil.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 0

Aufgabe

Ein Laserpointer leuchtet auf einen flachen Spiegel. Der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und dem Einfallslot beträgt $40^\circ$. Wie groß ist der Reflexionswinkel? Zeichne eine Skizze, die den Weg des Lichts zeigt.

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

4 / 4

1. 1
   Schritt 1
   Spiegel und einfallenden Strahl zeichnen

   Wir zeichnen eine waagerechte Linie für den Spiegel und einen Pfeil, der schräg darauf trifft.

2. 2
   Schritt 2
   Das Einfallslot einzeichnen

   Wir zeichnen eine gestrichelte Linie senkrecht ($90^\circ$) nach oben, genau dort, wo der Laserstrahl den Spiegel trifft.

3. 3
   Schritt 3
   Den Einfallswinkel messen

   Der Einfallswinkel ist bereits in der Aufgabe gegeben: $\textcolor{#08BFFF}{\alpha} = 40^\circ$.

4. 4
   Schritt 4 · Ergebnis
   Den reflektierten Strahl zeichnen

   Nach dem Reflexionsgesetz gilt: $\textcolor{#08BFFF}{\alpha} = \textcolor{#9570FF}{\alpha'}$. Wenn $\textcolor{#08BFFF}{\alpha} = 40^\circ$ ist, dann muss auch $\textcolor{#9570FF}{\alpha'} = 40^\circ$ sein. Wir zeichnen den reflektierten Strahl auf der anderen Seite des Einfallslots im Winkel von $40^\circ$.

Ergebnis:

Der Reflexionswinkel $\textcolor{#9570FF}{\alpha'}$ beträgt genau $40^\circ$. Realitäts-Check: Der Strahl prallt genauso schräg ab, wie er aufgetroffen ist. Das ergibt physikalisch Sinn.

Wichtige Erkenntnisse

• Glatte Oberflächen (wie Spiegel) werfen das Licht in eine gemeinsame Richtung zurück. Es entsteht ein klares Spiegelbild.
• Raue Oberflächen (wie Papier oder Wellen) streuen das Licht in alle Richtungen. Es entsteht kein Spiegelbild.
• Das Einfallslot ist eine gedachte Hilfslinie, die senkrecht (im $90^\circ$-Winkel) auf dem Spiegel steht.
• Reflexionsgesetz: Der Einfallswinkel ($\alpha$) ist immer exakt so groß wie der Reflexionswinkel ($\alpha'$).