Lichtbrechung und Totalreflexion
Im Freibad sieht das Becken flacher aus, als es ist. Und ein Bleistift im Wasserglas scheint einen Knick zu haben. Was passiert da mit dem Licht? Und wie schafft es Licht, in einem Glasfaserkabel um Kurven zu laufen? Am Ende der Seite kannst du beides erklären.
Lichtbrechung an der Grenzfläche
In Luft, Wasser und Glas breitet sich Licht geradlinig aus. Trifft ein Lichtstrahl aber schräg auf die Grenzfläche zwischen zwei durchsichtigen Stoffen, knickt er an der Grenzfläche ab. Diese Erscheinung heißt Lichtbrechung.
Zum Beschreiben brauchst du drei Dinge:
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das Einfallslot: die Senkrechte auf der Grenzfläche am Auftreffpunkt,
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den Einfallswinkel $\alpha$: Winkel zwischen einfallendem Strahl und Einfallslot,
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den Brechungswinkel $\beta$: Winkel zwischen gebrochenem Strahl und Einfallslot.
Alle Winkel misst du zum Lot, nie zur Oberfläche.
Merke: Es gibt zwei Fälle.
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Von einem optisch dünneren in einen optisch dichteren Stoff (z. B. Luft → Wasser oder Luft → Glas): Der Strahl wird zum Lot hin gebrochen, also $\beta < \alpha$.
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Von einem optisch dichteren in einen optisch dünneren Stoff (z. B. Glas → Luft): Der Strahl wird vom Lot weg gebrochen, also $\beta > \alpha$.
Trifft der Strahl senkrecht auf (Einfallswinkel $0^\circ$), geht er ungebrochen geradeaus weiter.
Ein Lichtstrahl trifft schräg aus der Luft auf eine Wasseroberfläche im Schwimmbad. a) Zeichne in dein Heft das Einfallslot und beschreibe, wie der Strahl im Wasser…
Ein Lichtstrahl trifft schräg aus der Luft auf eine Wasseroberfläche im Schwimmbad.
- a) Zeichne in dein Heft das Einfallslot und beschreibe, wie der Strahl im Wasser weiterläuft: zum Lot hin oder vom Lot weg?
- b) Wie nennt man diese Erscheinung?
Ergänze den Satz: „Geht Licht von Luft in Glas über, wird es zum Einfallslot hin $\dots$. Geht es von Glas in Luft über, wird es vom Einfallslot $\dots$."
Ergänze den Satz: „Geht Licht von Luft in Glas über, wird es zum Einfallslot hin $\dots$. Geht es von Glas in Luft über, wird es vom Einfallslot $\dots$."
Ein Lichtstrahl trifft unter einem Einfallswinkel von $40^\circ$ aus der Luft auf eine Glasplatte. Der Brechungswinkel beträgt $25^\circ$. a) Nenne den Winkel zwischen…
Ein Lichtstrahl trifft unter einem Einfallswinkel von $40^\circ$ aus der Luft auf eine Glasplatte. Der Brechungswinkel beträgt $25^\circ$.
- a) Nenne den Winkel zwischen Strahl und Einfallslot im Glas und begründe, warum er kleiner als $40^\circ$ ist.
- b) Der Strahl verlässt die Platte auf der parallelen Rückseite wieder in die Luft. Wie groß ist dort der Austrittswinkel? Begründe.
Brechung im Alltag
Dein Auge nimmt an, dass Licht immer geradlinig zu ihm kommt. Wird ein Strahl auf dem Weg gebrochen, „verlängert" das Gehirn den Strahl gerade rückwärts. Der Gegenstand erscheint dann an einer anderen Stelle.
So erklärst du die Beobachtungen:
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Fisch im Aquarium: Der Fisch scheint höher zu schwimmen, als er ist. Das Licht wird beim Austritt aus dem Wasser vom Lot weg gebrochen.
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Geknickter Bleistift: Der Teil im Wasser wirkt angehoben und seitlich verschoben, weil sein Licht an der Wasseroberfläche gebrochen wird. Der Stift selbst ist nicht geknickt.
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Schwimmbecken: Es wirkt flacher, als es tatsächlich ist.
Lena legt einen Bleistift schräg in ein Glas mit Wasser. Von der Seite betrachtet sieht der Stift an der Wasseroberfläche geknickt aus. a) Erkläre diese Beobachtung mit…
Lena legt einen Bleistift schräg in ein Glas mit Wasser. Von der Seite betrachtet sieht der Stift an der Wasseroberfläche geknickt aus.
- a) Erkläre diese Beobachtung mit der Lichtbrechung.
- b) Warum erscheint ein Fisch im Aquarium dem Betrachter an einer anderen Stelle, als er tatsächlich ist?
Totalreflexion
Jetzt läuft Licht von Glas in Luft, also in den optisch dünneren Stoff. Dabei wird es vom Lot weg gebrochen. Vergrößerst du den Einfallswinkel, wird der Brechungswinkel noch schneller größer. Bei einem bestimmten Winkel würde der gebrochene Strahl genau an der Grenzfläche entlanglaufen (Brechungswinkel $90^\circ$). Dieser Einfallswinkel heißt Grenzwinkel der Totalreflexion. Für Glas liegt er bei etwa $42^\circ$.
Ist der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel, tritt kein Licht mehr aus. Der Strahl wird vollständig an der Grenzfläche zurückgeworfen, wie an einem Spiegel. Das ist die Totalreflexion.
Beim Übergang Luft → Glas wird das Licht zum Lot hin gebrochen. Der Brechungswinkel ist dann immer kleiner als der Einfallswinkel und erreicht nie $90^\circ$. Totalreflexion ist dort unmöglich.
Anwendungen
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Glasfaserkabel (Lichtleiter): Das Licht trifft immer sehr flach auf die Grenze zwischen Faser und Mantel. Gemessen zum Einfallslot ist der Einfallswinkel dann groß, also größer als der Grenzwinkel. Es wird immer wieder total reflektiert und bleibt auch in Kurven im Kabel. So kommt das Internet über viele Kilometer zu dir.
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Fahrradrückstrahler („Katzenaugen") und Prismenfernglas: Prismen lenken Licht durch Totalreflexion um.
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Medizin: Endoskope zeigen den Arzt das Körperinnere.
Licht läuft in einem Glasfaserkabel (Lichtleiter) für das Internet über viele Kilometer, ohne nach außen zu treten. a) Unter welchen Bedingungen tritt Totalreflexion…
Licht läuft in einem Glasfaserkabel (Lichtleiter) für das Internet über viele Kilometer, ohne nach außen zu treten.
- a) Unter welchen Bedingungen tritt Totalreflexion auf? Nenne zwei.
- b) Erkläre, warum das Licht im Kabel bleibt, auch wenn das Kabel gebogen wird.
- c) Nenne ein weiteres Beispiel für die Anwendung der Totalreflexion.
Ein Lichtstrahl geht von Glas in Luft über. Der Einfallswinkel wird schrittweise von $0^\circ$ auf $60^\circ$ vergrößert. Der Grenzwinkel der Totalreflexion für dieses…
Ein Lichtstrahl geht von Glas in Luft über. Der Einfallswinkel wird schrittweise von $0^\circ$ auf $60^\circ$ vergrößert. Der Grenzwinkel der Totalreflexion für dieses Glas beträgt etwa $42^\circ$.
- a) Beschreibe, was mit dem Strahl bei $20^\circ$, bei $42^\circ$ und bei $60^\circ$ geschieht.
- b) Warum kann Totalreflexion beim Übergang von Luft in Glas nie auftreten?
Zerlegung von weißem Licht
Die Brechung hängt von der Farbe des Lichts ab: Violettes Licht wird am stärksten gebrochen, rotes am schwächsten. Fällt weißes Licht auf ein Glasprisma, wird es an beiden Grenzflächen gebrochen. Weil jede Farbe unterschiedlich stark abgelenkt wird, fächert sich das Licht auf. Es entsteht ein farbiges Band, das Spektrum: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Violett.
Der Regenbogen entsteht genauso: Sonnenlicht wird in Regentropfen gebrochen, zerlegt und zurückgeworfen. Außen am Bogen siehst du Rot, innen Violett.
Wichtig: Das Prisma erzeugt keine Farben, es trennt die im weißen Licht schon enthaltenen. Lässt du nur den roten Anteil durch ein zweites Prisma laufen, wird er nur gebrochen, aber nicht weiter zerlegt. Mit einer Sammellinse kannst du alle Farben wieder zu Weiß vereinen.
Weißes Licht fällt auf ein Glasprisma und wird in Farben zerlegt. a) Nenne drei Farben, die du im entstehenden Spektrum erkennst. b) Welche Farbe wird am stärksten,…
Weißes Licht fällt auf ein Glasprisma und wird in Farben zerlegt.
- a) Nenne drei Farben, die du im entstehenden Spektrum erkennst.
- b) Welche Farbe wird am stärksten, welche am schwächsten gebrochen?
Bei einem Regenbogen beobachtet Tim Sonnenlicht, das in Wassertropfen zerlegt wird. a) Welche Farbe sieht er am äußeren, welche am inneren Rand des Bogens? b) Erkläre…
Bei einem Regenbogen beobachtet Tim Sonnenlicht, das in Wassertropfen zerlegt wird.
- a) Welche Farbe sieht er am äußeren, welche am inneren Rand des Bogens?
- b) Erkläre mit eigenen Worten, wie die Farben entstehen.
Ein Prisma zerlegt weißes Licht in ein Spektrum. Anschließend lässt man nur den roten Anteil durch ein zweites Prisma laufen. a) Wird der rote Strahl dort weiter in…
Ein Prisma zerlegt weißes Licht in ein Spektrum. Anschließend lässt man nur den roten Anteil durch ein zweites Prisma laufen.
- a) Wird der rote Strahl dort weiter in Farben zerlegt? Begründe.
- b) Was würde man sehen, wenn man alle Spektralfarben mit einer Sammellinse wieder zusammenführt?
- c) Erkläre den Unterschied zwischen der Zerlegung von weißem Licht und dem Mischen von Wasserfarben.
Zurück zum Anfang: Das Becken wirkt flacher, weil das Licht vom Boden beim Austritt aus dem Wasser vom Lot weg gebrochen wird. Im Glasfaserkabel bleibt das Licht durch Totalreflexion gefangen.