Brechung und Totalreflexion
Du stehst im Schwimmbad am Beckenrand und siehst auf den Boden. Er wirkt viel näher, als er ist. Ein Stab im Wasser sieht an der Oberfläche geknickt aus. Und Taucher sehen von unten manchmal die Wasseroberfläche wie einen Spiegel. Was passiert mit dem Licht an der Grenze zwischen Luft und Wasser?
Brechung an der Grenzfläche
In einem einzigen durchsichtigen Stoff (zum Beispiel Luft) breitet sich Licht geradlinig aus. Trifft es schräg auf die Grenzfläche zu einem anderen durchsichtigen Stoff (zum Beispiel Wasser oder Glas), ändert es dort seine Richtung. Diesen Knick im Strahlenverlauf nennt man Brechung. Ein Teil des Lichts wird an der Grenzfläche außerdem reflektiert.
Zum Beschreiben brauchst du drei Begriffe:
Die Regel für den Übergang von Luft in Wasser oder Glas:
Der Grund: Licht ist in Wasser und Glas langsamer als in Luft. Die Richtung ändert sich, weil der Strahl dabei schräg auf einen Stoff mit anderer Lichtgeschwindigkeit trifft.
Der Lichtweg ist umkehrbar. Verläuft der Strahl von Luft nach Wasser mit $\alpha = 50^\circ$ und $\beta = 35^\circ$, dann gilt von Wasser nach Luft: Einfall $35^\circ$, Brechung $50^\circ$.
Ordne die Begriffe den Beschreibungen zu: Einfallslot, Einfallswinkel, Brechungswinkel. a) Gerade senkrecht zur Grenzfläche im Auftreffpunkt. b) Winkel zwischen…
Ordne die Begriffe den Beschreibungen zu: Einfallslot, Einfallswinkel, Brechungswinkel.
- a) Gerade senkrecht zur Grenzfläche im Auftreffpunkt.
- b) Winkel zwischen einfallendem Strahl und Lot.
- c) Winkel zwischen gebrochenem Strahl und Lot.
Ein Lichtstrahl geht von Luft in Wasser über. a) Wird der Strahl zum Lot hin oder vom Lot weg gebrochen? b) Was gilt im umgekehrten Fall (Wasser nach Luft)?
Ein Lichtstrahl geht von Luft in Wasser über.
- a) Wird der Strahl zum Lot hin oder vom Lot weg gebrochen?
- b) Was gilt im umgekehrten Fall (Wasser nach Luft)?
Alltagsbeobachtungen und die Glasscheibe
Brechung erklärt viele Beobachtungen. Das Licht vom Stab unter Wasser wird beim Austritt in die Luft vom Lot weg gebrochen. Dein Auge verlängert die ankommenden Strahlen geradlinig nach hinten. Du siehst den untergetauchten Teil des Stabs dort, wo sich diese Verlängerungen schneiden, also flacher (näher an der Oberfläche) als in Wirklichkeit. Deshalb scheint der Stab an der Oberfläche geknickt zu sein und das Becken flacher.
Trifft Licht auf eine planparallele Glasscheibe, wird es zweimal gebrochen:
Ein Bleistift steht schräg in einem Wasserglas und sieht an der Wasseroberfläche geknickt aus. a) Nenne den Namen des physikalischen Effekts. b) Erkläre in zwei Sätzen,…
Ein Bleistift steht schräg in einem Wasserglas und sieht an der Wasseroberfläche geknickt aus.
- a) Nenne den Namen des physikalischen Effekts.
- b) Erkläre in zwei Sätzen, wie der Knick entsteht.
Ein Lichtstrahl trifft unter $50^\circ$ zum Lot von Luft auf eine Glasscheibe. Der Brechungswinkel im Glas beträgt etwa $31^\circ$. a) Skizziere (beschreibe) den…
Ein Lichtstrahl trifft unter $50^\circ$ zum Lot von Luft auf eine Glasscheibe. Der Brechungswinkel im Glas beträgt etwa $31^\circ$.
- a) Skizziere (beschreibe) den Strahlenverlauf beim Eintritt in das Glas.
- b) Der Strahl tritt auf der parallelen Rückseite wieder in Luft aus. Welchen Winkel hat er dort zum Lot? Begründe.
- c) Beschreibe, wie der Strahl nach dem Durchgang zum ursprünglichen Strahl liegt.
Ein Fisch schwimmt 1,0 m unter der Wasseroberfläche eines Sees. Ein Angler steht am Ufer und blickt schräg auf den Fisch. a) Zeichne (beschreibe) den Strahlengang vom…
Ein Fisch schwimmt 1,0 m unter der Wasseroberfläche eines Sees. Ein Angler steht am Ufer und blickt schräg auf den Fisch.
- a) Zeichne (beschreibe) den Strahlengang vom Fisch zum Auge des Anglers.
- b) Erkläre, ob der Fisch dem Angler tiefer oder flacher erscheint, als er tatsächlich ist.
- c) Erkläre, warum ein Speerfischer deshalb nicht direkt auf die gesehene Stelle zielen darf.
Totalreflexion
Geht Licht von Wasser oder Glas in Luft über, wird es vom Lot weg gebrochen. Vergrößerst du den Einfallswinkel, wächst der Brechungswinkel schneller. Irgendwann erreicht er $90^\circ$: Der gebrochene Strahl verläuft dann genau an der Grenzfläche entlang.
Ist der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel, tritt kein Licht mehr aus. Die Grenzfläche wirkt dann wie ein perfekter Spiegel: Totalreflexion. Dabei gilt das Reflexionsgesetz: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel.
Ein Strahl geht von Wasser in Luft über. Bei einem Einfallswinkel von $30^\circ$ beträgt der Brechungswinkel etwa $42^\circ$. Der Grenzwinkel der Totalreflexion von…
Ein Strahl geht von Wasser in Luft über. Bei einem Einfallswinkel von $30^\circ$ beträgt der Brechungswinkel etwa $42^\circ$. Der Grenzwinkel der Totalreflexion von Wasser gegen Luft beträgt etwa $49^\circ$.
- a) Beschreibe, was bei einem Einfallswinkel von $40^\circ$ passiert und was bei $60^\circ$.
- b) Nenne die zwei Bedingungen, die für Totalreflexion erfüllt sein müssen.
Ein Taucher im Schwimmbad schaut von unten schräg gegen die Wasseroberfläche und sieht dort plötzlich wie in einem Spiegel den Boden des Beckens. a) Erkläre die…
Ein Taucher im Schwimmbad schaut von unten schräg gegen die Wasseroberfläche und sieht dort plötzlich wie in einem Spiegel den Boden des Beckens.
- a) Erkläre die Beobachtung.
- b) Warum sieht er bei senkrechtem Blick nach oben dagegen die Decke der Halle?
Totalreflexion im Prisma
Ein Prismenfernglas lenkt das Licht mit Glasprismen um. Der Querschnitt ist ein rechtwinklig-gleichschenkliges Dreieck ($45^\circ$, $45^\circ$, $90^\circ$).
Zurück zum Anfang: Das Wasser im Schwimmbad bricht das Licht zum Lot hin beziehungsweise vom Lot weg. Deshalb wirkt der Boden flacher, der Stab geknickt, und von unten wird die Oberfläche bei großem Winkel zum Spiegel.
Ein Prismenfernglas nutzt Glasprismen mit rechtwinklig-gleichschenkligem Querschnitt (Winkel $45^\circ$, $45^\circ$, $90^\circ$). Ein Lichtstrahl trifft senkrecht auf…
Ein Prismenfernglas nutzt Glasprismen mit rechtwinklig-gleichschenkligem Querschnitt (Winkel $45^\circ$, $45^\circ$, $90^\circ$). Ein Lichtstrahl trifft senkrecht auf eine Kathetenfläche. Der Grenzwinkel Glas–Luft beträgt etwa $42^\circ$.
- a) Bestimme den Einfallswinkel des Strahls an der Hypotenusenfläche.
- b) Begründe, dass dort Totalreflexion stattfindet.
- c) Nenne einen Vorteil gegenüber einem Metallspiegel.
Ein Schüler behauptet: „Totalreflexion gibt es auch beim Übergang von Luft in Glas, wenn man nur den Einfallswinkel groß genug macht.“ a) Beurteile die Aussage und…
Ein Schüler behauptet: „Totalreflexion gibt es auch beim Übergang von Luft in Glas, wenn man nur den Einfallswinkel groß genug macht.“
- a) Beurteile die Aussage und begründe sie mit dem Brechungsverhalten zum Lot.
- b) Erkläre, was bei einem Einfallswinkel von fast $90^\circ$ beim Übergang von Luft in Glas geschieht.