Reflexion und Brechung des Lichts einfach erklärt: Gesetze

Wenn wir uns mit der Reflexion und Brechung des Lichts beschäftigen, begegnen uns im Alltag viele spannende Phänomene. Stell dir vor, du stehst an einem klaren See. Du siehst die Berge im Wasser gespiegelt, aber gleichzeitig kannst du die Fische auf dem Grund schwimmen sehen. Und wenn du einen Stock ins Wasser hältst, sieht er plötzlich aus, als wäre er geknickt!

Wie ist das möglich? Licht verhält sich an der Grenze zwischen zwei Materialien wie Luft und Wasser sehr speziell. In diesem Artikel lernen wir, wie Licht wie ein Gummiball von Oberflächen abprallt, warum es beim Eintauchen ins Wasser seine Richtung ändert und wie wir dieses Wissen nutzen, um das Internet rasend schnell durch Glasfaserkabel zu schicken.

Vorwissen

• Lichtstrahlen: Wir stellen uns vor, dass sich Licht in geraden Linien ausbreitet. Beispiel: Ein Laserpointer erzeugt einen sichtbaren, geraden Lichtstrahl im Nebel.
• Winkel: Winkel werden in Grad ($^{\circ}$) gemessen. Ein rechter Winkel hat $90^{\circ}$. Beispiel: Die Ecke eines normalen Blattes Papier bildet einen $90^{\circ}$-Winkel.

Aufgabentyp 1: Das Reflexionsgesetz

Wenn Licht auf eine glatte Oberfläche wie einen Spiegel trifft, wird es zurückgeworfen. Das nennen wir Reflexion. Um genau zu beschreiben, in welche Richtung das Licht abprallt, zeichnen wir eine Hilfslinie: das Einfallslot. Das ist eine Linie, die genau senkrecht (im $90^{\circ}$-Winkel) auf dem Spiegel steht, genau dort, wo das Licht auftrifft.

Das Reflexionsgesetz besagt: Der Einfallswinkel (der Winkel zwischen dem ankommenden Strahl und dem Lot) ist immer exakt genauso groß wie der Reflexionswinkel (der Winkel zwischen dem abprallenden Strahl und dem Lot).

In der Physik schreiben wir kurz: $\textcolor{#08BFFF}{\alpha} = \textcolor{#9570FF}{\alpha'}$

Zudem gilt eine wichtige räumliche Regel: Der einfallende Strahl, der reflektierte Strahl und das Einfallslot liegen alle flach in derselben Ebene (stell dir vor, du könntest alle drei flach auf ein einziges Blatt Papier zeichnen).

Wenn du in einen Spiegel schaust, siehst du dein Spiegelbild. Dein Gehirn denkt, dass die Lichtstrahlen geradeaus aus dem Spiegel kommen. Deshalb erscheint das Bild so, als würde es sich hinter dem Spiegel befinden. Wir nennen das ein virtuelles Bild, weil das Licht dort in Wirklichkeit gar nicht ist.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Das Einfallslot identifizieren: Stelle sicher, dass du die Linie kennst, die im $90^{\circ}$-Winkel zur Oberfläche steht.
2. Den Einfallswinkel bestimmen: Finde den Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und dem Lot. Achtung: Nimm niemals den Winkel zur Spiegeloberfläche!
3. Das Reflexionsgesetz anwenden: Nutze die Regel $\textcolor{#08BFFF}{\alpha} = \textcolor{#9570FF}{\alpha'}$. Der Reflexionswinkel auf der anderen Seite des Lots ist exakt genauso groß.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Ein Laserstrahl trifft auf einen flachen Spiegel. Der Winkel zwischen der Spiegeloberfläche und dem Laserstrahl beträgt $30^{\circ}$. Berechne den Einfallswinkel und den Reflexionswinkel.

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

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   Schritt 1
   Das Einfallslot identifizieren

   Das Lot steht im $90^{\circ}$-Winkel auf dem Spiegel.

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   Schritt 2
   Den Einfallswinkel bestimmen

   Der Strahl bildet mit dem Spiegel einen Winkel von $30^{\circ}$. Der Einfallswinkel $\textcolor{#08BFFF}{\alpha}$ ist jedoch der Winkel zum Lot. Da Lot und Spiegel einen $90^{\circ}$-Winkel bilden, rechnen wir: $\textcolor{#08BFFF}{\alpha} = 90^{\circ} - 30^{\circ}$ $\textcolor{#08BFFF}{\alpha} = \textcolor{#08BFFF}{60^{\circ}}$

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   Schritt 3 · Ergebnis
   Das Reflexionsgesetz anwenden

   Nach dem Reflexionsgesetz gilt $\textcolor{#08BFFF}{\alpha} = \textcolor{#9570FF}{\alpha'}$. Daher ist der Reflexionswinkel $\textcolor{#9570FF}{\alpha'} = \textcolor{#9570FF}{60^{\circ}}$.

Ergebnis:

Der Einfallswinkel und der Reflexionswinkel betragen beide $60^{\circ}$. Realitätscheck: Ein Winkel von $60^{\circ}$ ist spitzer als ein rechter Winkel, was logisch zu einem schräg eintreffenden Lichtstrahl passt.

Aufgabentyp 2: Lichtbrechung

Licht ist nicht überall gleich schnell. Im leeren Weltraum ist es am schnellsten, in der Luft fast genauso schnell, aber in Wasser oder Glas wird es abgebremst. Materialien, in denen sich Licht langsamer ausbreitet, nennen wir optisch dichter. Materialien, in denen es schneller ist, heißen optisch dünner.

Wenn ein Lichtstrahl schräg auf die Grenze zwischen zwei solchen Materialien trifft (zum Beispiel von Luft in Wasser), ändert er seine Richtung. Er bekommt einen Knick. Das nennen wir Lichtbrechung.

• Von dünn nach dicht (z. B. Luft in Wasser): Der Strahl wird zum Lot hin gebrochen. Der Winkel wird kleiner.
• Von dicht nach dünn (z. B. Wasser in Luft): Der Strahl wird vom Lot weg gebrochen. Der Winkel wird größer.

Dabei geht nie das gesamte Licht durch die Grenze hindurch. Ein kleiner Teil des Lichts prallt immer ab und wird reflektiert. Das nennt man Teilreflexion. Das ist der Grund, warum du dich in einer Fensterscheibe schwach spiegeln kannst. Auch hier gilt: Der einfallende Strahl, der reflektierte Strahl, der gebrochene Strahl und das Lot liegen alle in derselben Ebene.

Der geknickte Stift

Zweck: Wir machen die Lichtbrechung an der Grenze zwischen Wasser und Luft sichtbar.

Materialien: Ein durchsichtiges Trinkglas, Wasser, ein gerader Stift (z. B. ein Bleistift).

Durchführung:

1. Stelle das leere Glas auf den Tisch und stelle den Stift schräg hinein.
2. Betrachte den Stift von der Seite. Er sieht ganz normal und gerade aus.
3. Gieße nun langsam Wasser in das Glas, bis es etwa halb voll ist, während du den Stift weiter von der Seite beobachtest.

Beobachtung: Sobald das Wasser im Glas ist, sieht der Stift an der Wasseroberfläche so aus, als wäre er in zwei Teile zerbrochen oder stark abgeknickt.

Erklärung: Das Licht, das vom unteren Teil des Stiftes zu deinen Augen wandert, muss vom Wasser (optisch dichter) in die Luft (optisch dünner) wechseln. Dabei wird das Licht an der Wasseroberfläche gebrochen (abgelenkt). Dein Gehirn geht aber davon aus, dass Licht immer geradeaus fliegt, und verortet den unteren Teil des Stiftes an einer falschen Stelle.

Aufgabentyp 3: Totalreflexion

Wir wissen bereits: Wenn Licht von einem optisch dichteren Medium (wie Wasser) in ein optisch dünneres Medium (wie Luft) übergeht, wird es vom Lot weg gebrochen. Der Winkel im dünneren Medium ist also immer größer als der Einfallswinkel.

Was passiert, wenn wir den Einfallswinkel unter Wasser immer weiter vergrößern? Irgendwann wird der gebrochene Strahl so stark abgelenkt, dass er genau flach an der Wasseroberfläche entlangläuft. Den Einfallswinkel, bei dem das passiert, nennen wir den Grenzwinkel.

Wenn wir den Einfallswinkel jetzt noch größer machen (also den Grenzwinkel überschreiten), kann das Licht die Wasseroberfläche gar nicht mehr durchdringen. Es wird komplett in das Wasser zurückgeworfen. Das nennt man Totalreflexion. Die Wasseroberfläche verhält sich dann von unten wie ein perfekter Spiegel.

Alltagsbezug: Dieses Prinzip wird in Glasfaserkabeln (Faserlichtwellenleitern) genutzt. Ein Lichtstrahl wird in ein dünnes Glasfaserkabel geschickt. Da das Licht im Inneren immer in einem sehr flachen Winkel auf die Außenwand der Faser trifft, wird es ständig totalreflektiert. So kann das Licht nicht entkommen und transportiert Internetdaten über hunderte Kilometer quer durch den Ozean, ohne schwächer zu werden.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Reflexionsgesetz: Beim Spiegeln ist der Einfallswinkel immer gleich dem Reflexionswinkel ($\textcolor{#08BFFF}{\alpha} = \textcolor{#9570FF}{\alpha'}$). Das Spiegelbild ist ein virtuelles Bild.
• Lichtbrechung: Licht ändert seine Richtung, wenn es schräg in ein Material mit einer anderen optischen Dichte (und damit einer anderen Lichtgeschwindigkeit) eintritt.
• Totalreflexion: Tritt nur auf, wenn Licht von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Material übergeht und der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel ist. Dies wird in Glasfaserkabeln genutzt.