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Lichtbrechung

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Physik-Team
Lichtbrechung
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Beschreibung Lichtbrechung

Inhalt

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.

Strahlenmodell der Lichausbreitung

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.

Lichtreflektion an einer Grenzfläche

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.

Lichtbrechung in der Physik

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 in der Physik

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.

Lichtbrechung in der Natur

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.

Transkript Lichtbrechung

Lichtbrechung

Hallo. Hast du dir einmal einen Sonnenuntergang am Meer angesehen? Oder von einem Hügel über ein weites Feld? Die Sonne wird wunderschön orangerot und verschwindet langsam am Horizont. Ist dir dabei auch aufgefallen, dass die Sonne irgendwie platter wirkt? Sie scheint jetzt nicht mehr rund, sondern eher oval zu sein. Wie ein Ei? Kannst du dir das erklären?

Die Antwort erfährst du in diesem Video, denn unser Thema ist die Lichtbrechung. Dazu wiederholen wir kurz, wie Licht sich ausbreitet und was Lichtwege sind. Dann schauen wir uns die Lichtwege an, wenn sie durch unterschiedliche Stoffe durchgehen, was uns direkt zur Lichtbrechung führt. Und abschließend zeige ich dir, wo uns die Lichtbrechung im Alltag begegnet und wir kommen zu unserer platten Sonne.

Lass uns also mit dem Licht anfangen. Licht wird von Lichtquellen, wie der Sonne oder einer Lampe ausgesendet. Nach dem Strahlenmodell breitet es sich dabei in alle Richtungen geradlinig aus. Fällt so ein Lichtstrahl in unser Auge, dann können wir direkt in die Lichtquelle sehen. Fällt das Licht auf einen Körper, wie zum Beispiel diesen Fisch, dann wird das Licht in alle Richtungen gestreut. Gelangt ein Teil dieses gestreuten Lichts in unser Auge, dann sehen wir den Fisch.

All diese Lichtwege sind dabei umkehrbar. Das heißt, die Lichtwege könnten genauso in umgekehrter Richtung verlaufen, wenn man die Position von Auge und Lichtquelle vertauschen würde.

Ok. Kommen wir zur Lichtbrechung. Lichtbrechung tritt auf, wenn ein Lichtstrahl durch Stoffe mit einer unterschiedlichen optischen Dichte hindurch verläuft. Hier haben wir die Grenzfläche zwischen Luft und Wasser, also zum Beispiel ein ruhiger See oder ein Wasserbecken. Luft ist das optisch dünnere Medium und Wasser ist optischer dichter.

Fällt nun ein Lichtstrahl schräg auf diese Grenzfläche, dann gibt es zwei Phänomene. Ein Teil des Lichtes wird reflektiert, wie bei einem Spiegel. Ein anderer Teil geht durch das Wasser. Doch dabei ist die Ausbreitungsrichtung verändert, der Lichtstrahl wird wortwörtlich gebrochen. Das kannst du gut beobachten, wenn du einen Löffel in ein Wasserglas stellst. Der Löffel sieht regelrecht abgeschnitten und versetzt aus.

In der Zeichnung können wir das gut verdeutlichen, wenn wir ein Lot zur Grenzfläche zeichnen. Der Einfallswinkel Alpha zwischen dem einfallenden Strahl und dem Lot ist größer als der Brechungswinkel Beta zwischen dem gebrochenen Strahl und dem Lot. Für diese Situation können wir festhalten, dass das Licht beim Übergang vom optisch dünneren zum optisch dichteren Medium zum Lot hin gebrochen wird.

Spannend dabei ist auch, dass je größer der Einfallswinkel wird, desto stärker wird der Lichtstrahl auch gebrochen. Umgekehrt gilt, je kleiner der Einfallswinkel, desto geringer die Brechung. Fällt der Lichtstrahl genau senkrecht auf die Grenzfläche, dann wird er gar nicht gebrochen.

Wie auch bei der regelmäßigen Reflexion liegen immer alle Strahlen und das Lot in einer Ebene. Auch bei der Lichtbrechung gilt, dass der Lichtweg umkehrbar ist. Kommt also das Licht aus dem Wasser und will an die Luft, dann wird es ebenfalls gebrochen. Nur diesmal vom Lot weg. Der Lichtweg des gebrochenen Strahls verläuft in umgekehrte Richtung. Es gilt also: Vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium wird das Licht vom Lot weg gebrochen.

Zu guter letzt ist die Stärke der Brechung von den beteiligten Medien abhängig. Die Brechung von Luft zu Wasser ist nicht so stark, wie beispielsweise die Brechung von Luft zu Glas. Glas ist optisch noch dichter als Wasser und der Lichtstrahl wird noch stärker zum Lot hingebrochen.

Im Alltag kann die Lichtbrechung für einige Verwirrung sorgen. Hast du schon einmal versucht nach einem Fisch im Wasser zu greifen? Man greift immer daneben, richtig? Um den Fisch zu sehen, muss das gestreute Licht in unser Auge fallen. Dabei wird es vom vom Wasser zur Luft gebrochen, also vom Lot weg. Das dumme ist nur, dass wir diese Brechung nicht bemerken, wenn wir auf die Wasseroberfläche schauen. Wir denken, der Fisch wäre in gerader Linie unter der Oberfläche. Greifen wir nun dort hin, greifen wir ins Leere. In Wirklichkeit liegt der Fisch viel tiefer. Dieses Phänomen nennt man optische Hebung.

Und genau diese optische Hebung kommt auch bei unserer platten Sonne zum tragen. Wenn es bei uns Abend wird, fällt das Licht der Sonne schräg in die Erdatmosphäre. Dabei wird es zum Lot hin gebrochen, weil das Weltall durch sein Vakuum das optisch dünnere Medium und die Erdatmosphäre das optisch dichtere Medium ist. Allerdings fällt das Licht vom unteren Teil der Sonne flacher auf die Atmosphäre, als das Licht vom oberen Teil. Dadurch wird der untere Teil stärker gebrochen als der obere und somit auch stärker optisch angehoben. Und auf diese Weise scheint für uns auf der Erde die Abendsonne eine platte Form zu haben.

So, fassen wir mal das Wichtigste zusammen: Wenn Licht auf die Grenzfläche zwischen zwei optisch verschiedenen Medien trifft, dann wird ein Teil reflektiert und ein Teil gebrochen. Beim Übergang vom optisch dünneren zum dichteren Medium wird das Licht zum Lot hin gebrochen. Vom dichteren zum dünneren Medium wird es vom Lot weg gebrochen. Und die Stärke der Brechung ist vom Einfallswinkel und von der optischen Dichte der Medien abhängig.

Zum Abschluss habe ich noch einen kleinen Heimversuch für dich: Lege eine Münze in eine Müslischüssel stelle sie auf einen Tisch und geh’ einen Schritt zurück, so dass du die Münze über den Schüsselrand gerade nicht mehr sehen kannst. Bitte nun einen Freund, die Schüssel langsam mit Wasser zu füllen.

Was wird wohl passieren? Probier’s gleich aus!

59 Kommentare

59 Kommentare
  1. Meine Lehrer brauchen viel mehr als Einanhalb Stunden das zu erklären und am Ende hat niemand was verstanden. Ihr dagegen braucht weniger als 10 Minuten das zu erklären. Weiter So!

    Von Lennart W., vor 5 Monaten
  2. also eigentlich echt gut

    Von Grossarth Maticek, vor 8 Monaten
  3. ist ok

    Von Grossarth Maticek, vor 8 Monaten
  4. Das Video hat mit sehr viel weiter geholfen und ich habe es entlich verstanden

    Von Anja K., vor 9 Monaten
  5. Schlecht in der schule wird es besser erklärt wieder sehr enttäuscht 🙁

    Von Der Kritiker , vor 11 Monaten
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Lichtbrechung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Lichtbrechung kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschrifte die Skizze zur Lichtbrechung mit den richtigen Begriffen.

    Tipps

    Das Licht kommt von der Sonne.

    Die Grenzfläche ist die Trennfläche zwischen zwei Medien.

    In einem See kannst du gleichzeitig dein Spiegelbild und den Grund des Sees sehen.

    Lösung

    Der Lichtstrahl kommt von der Sonne, also kommt er aus der Luft und trifft auf die Wasseroberfläche. Diese reflektiert einen Teil des Lichtes, es gilt hierbei: Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel. Zusätzlich wird ein Teil des Lichtes an der Grenzfläche gebrochen und dringt ins Wasser ein. Da das Wasser optisch dichter ist als die Luft, wird hierbei das Licht zum Lot hin gebrochen.

  • Nenne das qualitative Brechungsgesetz.

    Tipps

    Mache dir eine Skizze zu den Aussagen.

    Als Grenzfläche bezeichnet man die Fläche zwischen zwei Medien.

    Eine Grenzfläche ist zum Beispiel eine Wasseroberfläche.

    Lösung

    Beim qualitativen Brechungsgesetz geht es um Lichtstrahlen, die auf eine Grenzfläche treffen. Eine Grenzfläche bildet sich zwischen zwei Medien, zum Beispiel die Wasseroberfläche zwischen Luft und Wasser.
    Das Brechungsgesetz sagt hierbei aus, dass das Licht an solch einer Grenzfläche gebrochen wird.

  • Erkläre, warum es so schwer ist, einen Fisch mit der bloßen Hand zu fangen.

    Tipps

    Der Fisch braucht zum Leben Wasser und wir brauchen Luft.

    Das Lot hängt immer senkrecht.

    Lösung

    Zuerst stellen wir fest, dass wir uns im Medium Luft befinden und der Fisch im Medium Wasser. Die Wasseroberfläche stellt die Grenzfläche zwischen diesen Medien dar.

    Wenn wir uns das Brechungsgesetz in Erinnerung rufen, wissen wir, dass das Licht an einer solchen Grenzfläche gebrochen wird. Nun müssen wir noch zwei Dinge erkennen: den Lichtweg und die optische Dichte der Medien. Der Lichtweg wird deutlich, wenn wir uns in Erinnerung rufen, wie das Sehen funktioniert. Um ein Objekt wie den Fisch zu sehen, muss das von ihm reflektierte Licht in unser Auge gelangen. Daher geht der Lichtstrahl vom Fisch aus und bewegt sich durch das Medium Wasser an die Grenzfläche zum Medium Luft. An dieser Grenzfläche wird er gebrochen. Da das Medium Luft dünner ist als das Medium Wasser, wird das Licht vom Lot weg gebrochen und gelangt in unser Auge. Unser Gehirn weiß, dass Licht sich nur geradlinig ausbreitet. Daher signalisiert es, dass sich der Fisch in der geradlinigen Verlängerung des Lichtweges befindet, welcher in unser Auge fällt. Die Richtung, in der wir den Fisch also vermuten, ist durch den grünen Strahl dargestellt. Wir sehen somit, dass der Fisch optisch angehoben wird. Dieses Phänomen nennt man optische Hebung.

  • Erkläre das Jagdverhalten des Schützenfisches.

    Tipps

    Das Licht kann gebrochen werden, der Wasserstrahl nicht.

    Der Fisch ist im Medium Wasser, das Insekt im Medium Luft.

    Das Gehirn des Fisches kann Vieles ausgleichen.

    Lösung

    Der Fisch kann die Insekten nur sehen, wenn das von ihnen reflektierte Licht in seine Augen fällt. Das Licht geht hierbei durch die Grenzfläche Luft-Wasser und wird gebrochen. Das bedeutet, dass der Fisch das Insekt nicht an der Stelle sieht, an der es wirklich ist. Dennoch trifft er das Insekt sicher. Forscher haben dieses Phänomen untersucht und festgestellt, dass bei sehr hohem Luftdruck das Insekt wesentlich seltener trifft. Bei schwankendem Luftdruck ändert sich auch die optische Dichte der Luft. Das bedeutet, dass sich das Tier perfekt an seine Umgebung und an das Medienpaar (Wasser-Luft) angepasst hat.

  • Nenne die Definition des Strahlenmodells des Lichtes.

    Tipps

    Was ist in der Mathematik ein Strahl?

    Was ist das Besondere an einem Strahl?

    Das Licht kommt von einer Lichtquelle.

    Lösung

    Das Licht kommt immer von einer Lichtquelle. Da sich das Licht in alle Richtungen mit einer sehr großen Geschwindigkeit ausbreitet, lässt es sich nur sehr schwer beschreiben. Daher bedienen sich die Physiker eines Modells: dem Strahlenmodell. Dieses sagt aus, dass sich das Licht immer geradlinig ausbreitet und sich mithilfe von Strahlen darstellen lässt. Anstatt sich mit dem ganzen Licht zu beschäftigen, müssen wir nun nur die wichtigsten Lichtstrahlen betrachten.

    Auf dem Bild siehst du, dass es ausreicht, die Strahlen im Randbereich einzuzeichnen, um den Schattenbereich genau zu bestimmen.

  • Formuliere die Beobachtung und die Erklärung für dieses Experiment.

    Tipps

    Was entsteht, wenn man das Wasser in die Schüssel gießt?

    Was geschieht mit dem Lichtstrahl?

    Das Licht lässt sich brechen.

    Lösung

    Im Ausgangszustand liegt nur das Medium Luft vor, sodass sich das Licht geradlinig ausbreitet und die Münze nicht zu sehen ist. Wenn Wasser in die Schüssel hineingegeben wird, bildet sich eine Grenzfläche, an der das Licht gebrochen wird. Da das Wasser optisch dichter ist als Luft, wird das Licht am Übergang von Wasser zu Luft vom Lot weg gebrochen. Dadurch gelangt das von der Münze reflektierte Licht in unser Auge. Die Münze wird dadurch optisch angehoben und rückt in unser Blickfeld.

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