Reflexion und Brechung des Lichts

Licht breitet sich geradlinig aus. Wenn es auf Oberflächen trifft, kann es reflektiert (Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Reflexionswinkel) oder gebrochen (Brechungsgesetz nach Snellius) werden. Diese Phänomene erklären Spiegel, Linsen, und Totalreflexion.

Licht breitet sich gradlinig aus

Licht bewegt sich in geraden Linien (Lichtstrahlen), bis es auf ein anderes Medium oder eine Oberfläche trifft.

Reflexion

Wenn Licht auf eine Oberfläche trifft, wird ein Teil oder das gesamte Licht zurückgeworfen.

$\theta_i = \theta_r$

Reflexion: Einfallswinkel = Reflexionswinkel

Art	Oberfläche	Ergebnis
Spiegelreflexion	Glatt, poliert	Klares Spiegelbild
Diffuse Reflexion	Rau, matt	Gestreutes Licht, kein klares Bild

Brechung

Wenn Licht von einem Medium in ein anderes gelangt, ändert es seine Geschwindigkeit und biegt sich.

$n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$

Brechungsindizes

Medium	n
Luft	1,00
Wasser	1,33
Glas	~1,50

Brechung an der Grenzfläche zweier Medien

Totalreflexion

Wenn Licht von dichterem zu weniger dichtem Medium gelangt und der Winkel den kritischen Winkel überschreitet, findet Totalreflexion statt.

1
Medien bestimmen
Welche Medien und Brechungsindizes sind beteiligt?
2
Winkel berechnen
Berechne Reflexions- oder Brechungswinkel mit den Gesetzen.
3
Auf Totalreflexion prüfen
Übersteigt der Einfallswinkel den kritischen Winkel beim dicht-zu-dünn-Übergang?

Ein Lichtstrahl tritt unter 30° von Luft in Wasser über. Wie groß ist der Brechungswinkel?

$\sin\theta_2 = \frac{1{,}00 \times \sin 30°}{1{,}33} = \frac{0{,}5}{1{,}33} = 0{,}376$

$\theta_2 \approx 22°$

Praxisbezug: Korrektionsbrillen und Kontaktlinsen

Brillengläser und Kontaktlinsen korrigieren Sehfehler durch gezielte Lichtbrechung. Bei Kurzsichtigkeit bricht die Linse das Licht zu stark – eine konkave Brillenlinse (mit negativer Brechkraft) korrigiert dies. Bei Weitsichtigkeit ist die Brechung zu schwach – eine konvexe Linse (positive Brechkraft) hilft. Optiker berechnen mit dem Snelliusschen Brechungsgesetz, welche Linsenform und welcher Brechungsindex das Bild korrekt auf die Netzhaut fokussiert.

Praxisbezug: Glasfaserkabel und Internet

Glasfaserkabel übertragen Daten als Lichtpulse mithilfe der Totalreflexion: Das Licht trifft immer im Winkel, der über dem kritischen Winkel liegt, auf die Glasfaser-Innenwand und wird vollständig zurückreflektiert – kein Licht tritt aus. So können Signale über Tausende Kilometer mit fast Lichtgeschwindigkeit übertragen werden. Das moderne Internet, Telefonate und Streaming-Dienste basieren auf diesem physikalischen Prinzip.

Praxisbezug: Tiefentäuschung beim Schwimmbad

Ein Schwimmbad erscheint viel flacher als es wirklich ist. Wenn Licht von einem dichten Medium (Wasser, n = 1,33) in ein dünneres (Luft, n = 1,00) tritt, biegt es sich vom Lot weg. Das menschliche Gehirn verfolgt den Lichtstrahl geradlinig zurück – und berechnet eine falsche Tiefe. Deshalb wirkt ein 2 m tiefes Schwimmbad optisch nur ca. 1,5 m tief. Rettungsschwimmer und Taucher müssen diese Täuschung kennen.

Tipp Reflexion: Einfallswinkel = Reflexionswinkel (beide gemessen von der Senkrechten zur Oberfläche). Brechung: Licht biegt sich zur Senkrechten hin, wenn es in ein dichteres Medium tritt, und weg davon, wenn es in ein dünneres tritt. Totalreflexion tritt nur bei dichter → dünner Übergang auf, wenn der Einfallswinkel den kritischen Winkel übersteigt.

Übungsaufgaben

Ein Lichtstrahl trifft unter 40° auf einen ebenen Spiegel. Wie groß ist der Reflexionswinkel?

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40° (Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Reflexionswinkel)

Warum erscheint ein Stab im Wasser gebrochen?

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Das Licht biegt sich beim Übergang von Wasser zu Luft. Das Gehirn interpretiert die gebogenen Strahlen als geraden Stab — es erscheint gebrochen.

Was bedeutet kritischer Winkel in der Optik?

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Der kritische Winkel ist der Einfallswinkel, bei dem der gebrochene Strahl genau entlang der Grenzfläche verläuft (Brechungswinkel = 90°). Darüber findet Totalreflexion statt.