Lichtbrechung

Ausbreitung von Licht im Strahlenmodell

Das Strahlenmodell ist ein Hilfsmittel, mit dem wir die Ausbreitung von Licht beschreiben können. In diesem Modell stellen wir uns vor, dass sich Licht immer in Form von geraden Strahlen im Raum ausbreitet. Stell dir zum Beispiel eine Glühbirne vor: Wenn sie eingeschaltet ist, sendet sie Strahlen aus. Und wenn diese Strahlen unsere Augen treffen, sehen wir die Lichtquelle. Wenn die Lichtstrahlen vorher ein Objekt treffen, zum Beispiel einen Apfel, werden sie von diesem Objekt in alle Richtungen gestreut. Auch das gestreute Licht können wir als gerade Strahlen beschreiben. Treffen einige davon unsere Augen, dann sehen wir das Objekt, in diesem Fall den Apfel.

Die Lichtstrahlen sind dabei umkehrbar. Das heißt Folgendes: Wenn wir Glühbirne und Auge vertauschen, müssen wir einfach nur die Pfeile an den Strahlen umdrehen. Alles andere bleibt genau gleich.

Lichtbrechung

Was versteht man unter Lichtbrechung?

In unserem Beispiel zur Ausbreitung von Licht im Strahlenmodell waren die Strahlen die ganze Zeit über in Luft, also immer im gleichen Medium. Wir wollen uns jetzt anschauen, was passiert, wenn wir zwei unterschiedliche Medien betrachten. Als Beispiel nehmen wir Wasser und Luft. Dazu stellen wir uns einfach ein Gefäß mit Wasser oder einen stillen See vor. Von oben scheint die Sonne und die Strahlen treffen auf die Wasseroberfläche.

An der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser passieren jetzt zwei Dinge: Zum einen wird ein Teil des Strahls reflektiert, und zwar nach dem Reflexionsgesetz. Das kennst du vielleicht schon: Es besagt, dass Einfallswinkel $\alpha$ und Ausfallswinkel gleich groß sind und zum Lot hin gemessen werden. Das Lot ist die Linie, die senkrecht zur Grenzfläche ist.
Zusätzlich zu der Reflexion wird ein Teil des Strahls abgelenkt. Er dringt in das Wasser ein, ändert aber dabei seine Richtung. Das nennt man Brechung des Lichts. Beim Übergang von Luft zu Wasser ist der Winkel $\beta$ zwischen gebrochenem Strahl und Lot kleiner als der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und Lot. Der Strahl wird zum Lot hin gebrochen. Das liegt daran, dass Wasser optisch dichter ist als Luft.

Ein Maß für die optische Dichte ist der Brechungsindex. Wir können also auch einfach die Brechungsindizes $n_1$ und $n_2$ der Materialien miteinander vergleichen. Wenn Licht von einem Medium 1 in ein Medium 2 läuft und außerdem gilt, dass $n_1 < n_2$, wird das Licht zum Lot hin gebrochen. Außerdem gilt, dass die Brechung umso stärker ist, je stärker sich die Brechungsindizes voneinander unterscheiden.

Wie stark die Lichtstrahlen gebrochen werden, hängt nicht nur von dem Verhältnis der Brechungsindizes ab, sondern auch vom Einfallswinkel. Je kleiner der Einfallswinkel ist, desto schwächer wird der Strahl gebrochen. Am kleinsten ist er bei senkrechtem Einfall, dann ist er nämlich gleich $0$°. Dann wird der Strahl gar nicht gebrochen.

Wie sieht es nun aus, wenn die Strahlen von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium laufen, zum Beispiel von Wasser in Luft? Erinnerst du dich daran, dass wir gesagt hatten, dass man die Richtung der Strahlen umkehren kann? Wir müssen uns also gar kein neues Beispiel ausdenken, sondern einfach nur die Richtung umdrehen. So sehen wir sofort, dass in diesem Fall die Strahlen vom Lot weg gebrochen werden. Also: Wenn Lichtstrahlen von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium laufen, werden sie vom Lot weg gebrochen. Oder, mithilfe des Brechungsindex ausgedrückt: Wenn Licht von einem Medium 2 in ein Medium 1 läuft und außerdem gilt, dass $n_2 > n_1$, wird das Licht vom Lot weg gebrochen.

Lichtbrechung – Beispiele

Wir wollen uns zum Schluss noch ein paar Beispiele anschauen, die du vielleicht aus deinem Alltag kennst. Hast du zum Beispiel schon einmal versucht, ein Objekt unter Wasser zu greifen? Dabei passiert es häufig, dass man beim ersten Mal daneben greift. Und das hat mit der Lichtbrechung zu tun. Das Sonnenlicht, das vom Objekt gestreut wird, wird an der Grenze zwischen Wasser und Luft gebrochen. Das gilt natürlich auch für die Strahlen, die unser Auge treffen. Unser Gehirn ist es aber gewohnt, dass Licht immer in geraden Strahlen verläuft und ohne Brechung unsere Augen erreicht und verlängert den Strahl einfach in gerader Linie. Deswegen sehen wir das Objekt nicht da, wo es eigentlich ist, sondern ein Stückchen daneben.

Manche Tiere versuchen instinktiv, dieses Problem zu umgehen. Schützenfische essen am liebsten Insekten. Um ihre Leibspeise zu fangen, spritzen sie mit ihrem Maul einen Wasserstrahl in die Luft, um sie abzuschießen. Natürlich sorgt die Lichtbrechung hier für das gleiche Problem, das wir eben beschrieben haben. Der Schützenfisch weiß zwar nicht so viel über Lichtbrechung wie du, aber umgeht instinktiv das Problem. Er versucht immer, senkrecht unter das Insekt zu schwimmen. So minimiert er die Lichtbrechung und trifft sicher seine Beute.

Dieses Video

In diesem Video stellen wir uns gemeinsam die Frage, was Lichtbrechung eigentlich ist. In einer einfachen Erklärung wiederholen wir dazu kurz das Strahlenmodell der Lichtausbreitung und besprechen die verschiedenen Fälle und Abhängigkeiten der Lichtbrechung. Du findest wie immer auch zur Lichtbrechung ein Arbeitsblatt und interaktive Übungen. Und du kannst auch sehr leicht selbst ein Experiment zur Lichtbrechung zu Hause machen: Lege eine Münze in eine Schüssel, stelle sie auf einen Tisch und geh einen Schritt zurück, sodass du die Münze über den Schüsselrand hinaus gerade nicht mehr sehen kannst. Bitte nun einen Freund oder eine Freundin, die Schüssel langsam mit Wasser zu füllen. Was beobachtest du?