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Lichtbrechung

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Team Digital
Lichtbrechung
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Grundlagen zum Thema Lichtbrechung

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.

Strahlenmodell der Lichtausbreitung

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.

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 der Reflexionswinkel 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 vom dünneren ins dichtere Medium

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 $0^\circ$. 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 vom dichteren ins dünnere Medium

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 danebengreift. 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 deshalb den gedachten 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, so senkrecht wie möglich unter das Insekt zu schwimmen. So minimiert er die Lichtbrechung und trifft sicher seine Beute. Manchmal spuckt er auch gezielt unten am Insekt vorbei, denn er weiß, dass seine Augen ihn täuschen und es sich in Wirklichkeit genau dort befindet.

Schützenfisch

Zusammenfassung zum Thema Lichtbrechung

Wir haben uns das Phänomen der Lichtbrechung angesehen und erklärt, wie Licht an einer optischen Grenzfläche gebrochen wird. Aus der Umkehrbarkeit des Lichts folgt, dass Licht zum Lot hin gebrochen wird, wenn es in ein optisch dichteres Medium eintritt, und vom Lot weg, wenn es in ein optisch dünneres Medium eintritt.

Lichtbrechung

Wir haben außerdem einen Blick darauf geworfen, wie unsere Wahrnehmung durch die Brechung des Lichts verzerrt werden kann.

Transkript Lichtbrechung

Der Schützenfisch ist ein Meister der Physik. Nicht nur, dass er bis zu zwei Meter weit spucken kann und so seine Beute abschießt, er ist dabei auch sehr treffsicher. Und das, obwohl das Zielen durch einen physikalischen Effekt besonders erschwert wird: die „Lichtbrechung“. Das ist dir bestimmt schonmal aufgefallen: Wenn du etwas ins Wasser tauchst oder selbst im Wasser sitzt, sieht der Teil unter Wasser etwas verschoben aus, je nachdem, aus welcher Richtung man von außen draufblickt. Das liegt daran, dass sich der Weg des Lichts verändert, wenn es durch das Wasser hindurch muss. An der Wasseroberfläche wird das Licht optisch gebrochen, was man gut an einem geraden Strohhalm in einem Wasserglas beobachten kann. Das funktioniert so: Wenn Licht auf eine Wasseroberfläche trifft, wird ein Teil davon reflektiert, und ein Teil geht hindurch. Die Wasseroberfläche bildet eine Grenzfläche zwischen einem „optisch dünneren Medium“, der „Luft“, und einem „optisch dichteren Medium“, dem „Wasser“. Beim Übergang verändert sich die Ausbreitungsrichtung des Lichts, denn es ist für das Licht schwerer, das „optisch dichtere Medium“, also das Wasser, zu durchdringen. Der Lichtstrahl knickt deshalb ab – er wird gebrochen. Wenn wir ein Lot auf die Grenzfläche zeichnen, wo das „einfallende“ Licht auftrifft, können wir zwischen dem „Einfallswinkel Alpha“ und dem „Brechungswinkel Beta“ unterscheiden. Das Licht wird „zum Lot hin gebrochen“, wenn der Übergang vom „optisch dünneren“ zum „optisch dichteren Medium“ stattfindet. In dem Fall ist „Beta“ kleiner als „Alpha“. Allerdings wächst auch „Beta“, wenn „Alpha“ größer wird. Der Brechungseffekt ist umso größer, je schräger das Licht einfällt. Und es gibt keine Brechung, wenn das Licht senkrecht auf die Grenzfläche trifft. Das Licht könnte aber auch den umgekehrten Weg gehen, zum Beispiel wenn sich im Boden eines Schwimmbads eine Lampe befindet. Das Licht wird dann genauso an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft gebrochen, allerdings findet aus dieser Perspektive der Übergang vom „optisch dichteren Medium“ ins „optisch dünneren Medium“ statt. Der Einfallswinkel „Alpha“ ist dann kleiner als der Brechungswinkel „Beta“, und das Licht wird „vom Lot weg“ gebrochen. Der Weg des Lichts ist in diesem Sinne umkehrbar: Wenn man Objekt und Betrachter vertauscht, ändern sich nur die Bezeichnungen, nicht aber der Verlauf der Lichtstrahlen. Aber wie beeinflusst die Lichtbrechung nun unsere Wahrnehmung? Wenn wir einen Fisch im Wasser fangen wollen, ist das gar nicht so leicht, denn das Licht, das vom Fisch reflektiert wird, wird auf dem Weg zu unserem Auge an der Wasseroberfläche gebrochen. Das Gehirn geht allerdings davon aus, dass das Licht immer einen geraden Weg nimmt, also auch an der Grenzfläche in gerader Linie weiter verläuft. Deshalb nehmen wir die Situation so wahr, als ob der Fisch sich weiter oben befinden würde. Wenn wir nach diesem Fisch greifen, werden wir ganz sicher danebenlangen. Dazu muss der echte Fisch nicht mal wegschwimmen. Der Schützenfisch hat aus seiner Sicht dasselbe Problem, nur in umgekehrter Richtung. Was würdest du tun, wenn du der Schützenfisch wärst? Wie er das löst, erfährst du am Ende des Videos. Brechungseffekte gibt es nicht nur zwischen Luft und Wasser, sondern an jeder Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen „optischen Medien“, und das umso stärker, wenn die Grenzfläche gekrümmt verläuft, wie zum Beispiel bei Glas, bei welligem Wasser oder sogar zwischen verschiedenen Luftschichten. Fassen wir zusammen: Wenn Licht von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium einfällt, wird es „zum Lot hin“ gebrochen. Auf umgekehrtem Weg wird das Licht „vom Lot weg“ gebrochen, Brechungs- und Einfallswinkel sind dann vertauscht. In beiden Fällen gilt, dass der Brechungswinkel umso größer wird, je größer der Einfallswinkel ist. Da unser Gehirn die Brechung des Lichts schlecht einschätzen kann, sehen wir Dinge verschoben, die sich in einem anderen optischen Medium - zum Beispiel in Wasser - befinden. Der schlaue Schützenfisch muss also die Brechung des Lichts exakt berechnen, wenn er seine Beute treffen möchte. Naja, oder er übt einfach ein bisschen und zielt immer ein Stück tiefer, als ihm seine Augen vorgaukeln.

24 Kommentare
24 Kommentare
  1. Gut

    Von Lilly, vor 11 Tagen
  2. Mehr Aufgaben! Gutes Video!

    Von Malay Singh, vor 14 Tagen
  3. ich wuste das selber noch nicht

    Von Isabella, vor etwa einem Monat
  4. Hat mir mega geholfen 👍

    Von Abbiegail, vor etwa einem Monat
  5. Sehr gut 👍

    Von Fynn, vor 5 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.
  • Beschreibe, wie die Lichtbrechung funktioniert.

    Tipps
    Lösung

    Wenn Licht auf eine Wasseroberfläche trifft, wird ein Teil davon reflektiert und ein Teil geht hindurch. Die Wasseroberfläche bildet eine Grenzfläche zwischen einem optisch dünneren Medium, der Luft, und einem optisch dichteren Medium, dem Wasser. Beim Übergang verändert sich die Ausbreitungsrichtung des Lichts. Denn es ist für das Licht schwerer, das optisch dichtere Medium, also das Wasser, zu durchdringen.

    Der Lichtstrahl knickt deshalb ab – er wird gebrochen. Wenn Licht von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium einfällt, wird es zum Lot hin gebrochen. Auf umgekehrtem Weg wird das Licht vom Lot weg gebrochen, Brechungs- und Einfallswinkel sind dann vertauscht. In beiden Fällen gilt, dass der Brechungswinkel umso größer wird, je größer der Einfallswinkel ist.

  • Vervollständige die Abbildung zur Lichtbrechung.

    Tipps

    Der Lichtstrahl wird gebrochen. Wenn wir ein Lot auf die Grenzfläche zeichnen, wo das einfallende Licht auftrifft, dann können wir zwischen dem Einfallswinkel $\alpha$ und dem Brechungswinkel $\beta$ unterscheiden.

    Lösung

    Wenn Licht auf eine Wasseroberfläche trifft, dann finden eine Teilreflexion und ein Teilübergang durch die Wasseroberfläche statt. Die Wasseroberfläche dient dabei als Grenzfläche zwischen einem optisch dünneren Medium, nämlich der Luft, und einem optisch dichteren Medium, dem Wasser.

    Beim Übergang ändert das Licht seine Ausbreitungsrichtung, da es für das Licht schwieriger ist, das optisch dichtere Medium, also das Wasser, zu durchdringen. Daher wird der Lichtstrahl gebrochen und knickt ab. Der Einfallswinkel des Lichts $\alpha$ und der Brechungswinkel des Lichts $\beta$ können anhand eines Lots gemessen werden, das an der Grenzfläche angebracht wird, wo das Licht auftrifft.

    Wenn der Übergang vom optisch dünneren zum optisch dichteren Medium erfolgt, dann wird das Licht zum Lot hin gebrochen. Das bedeutet, dass der Brechungswinkel $\beta$ kleiner ist als der Einfallswinkel $\alpha$. Wird jedoch der Einfallswinkel $\alpha$ größer, nimmt auch der Brechungswinkel $\beta$ zu. Dieser Brechungseffekt ist stärker ausgeprägt, je schräger das Licht auf die Grenzfläche trifft. Es findet keine Brechung statt, wenn das Licht senkrecht auf die Grenzfläche trifft.

  • Entscheide, wohin man zielen müsste.

    Tipps

    Der Lichtweg führt über eine Grenze zwischen zwei durchsichtigen Stoffen. An dieser Grenze wird das Licht gebrochen.

    Dadurch erscheinen Objekte unter Wasser für uns an einer höheren Position, als sie tatsächlich sind.

    Lösung

    Um den schräg vor dir im Wasser schwimmenden Fisch zu treffen, müsstest du mit dem geradeaus fliegenden Pfeil unter den Fisch zielen: Der Pfeil sollte nicht direkt auf den Fisch gezielt werden, sondern leicht darunter, um den Fisch zu treffen.

    Dies liegt an der Brechung des Lichts an der Wasseroberfläche: Das Licht vom Fisch, welches unser Auge erreicht, führt von einem optisch dichteren Medium (Wasser) in ein optisch dünneres Medium (Luft). An der Grenze zwischen den zwei durchsichtigen Stoffen wird das Licht gebrochen. Die Richtung des Lichts ist deswegen beim Auge anders als beim Start am Fisch. Dadurch erscheinen Objekte unter Wasser für uns an einer höheren Position, als sie tatsächlich sind.

    Der Fisch im Wasser hat für die ihn betrachtende Person eine Position, die scheinbar höher ist als seine tatsächliche Position. Um diese scheinbare Verschiebung auszugleichen und den Fisch tatsächlich zu treffen, muss man den Pfeil leicht unter den Fisch zielen, sodass er die wahre Position des Fischs erreicht. Auf diese Weise korrigiert man die Brechung des Lichts und trifft den Fisch erfolgreich.

  • Erläutere, welches der beiden Medien die größere optische Dichte besitzt.

    Tipps

    Wenn der Brechungswinkel kleiner ist als der Einfallswinkel, dann wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen.

    Wenn der Brechungswinkel größer ist als der Einfallswinkel, dann wird der Lichtstrahl vom Lot weg gebrochen.

    Lösung

    Das Medium 1 muss optisch dichter als das Medium 2 sein. Der Brechungswinkel $\boldsymbol {\beta}$ ist größer als der Einfallswinkel $\boldsymbol {\alpha}$. Der Lichtstrahl wird also vom Lot weg gebrochen.

  • Erläutere, warum Objekte, die sich unter Wasser befinden, aus der Sicht einer betrachtenden Person an der Wasseroberfläche verschoben erscheinen.

    Tipps

    Es sind zwei Antworten richtig.

    Licht wird gebrochen und reflektiert.

    Lösung
    • Das Licht breitet sich in Wasser schneller als in Luft aus.
    $\Rightarrow$ Diese Aussage ist falsch: Das Licht breitet sich tatsächlich in Wasser langsamer als in Luft aus und nicht schneller. Das führt zu anderen Effekten wie der Brechung des Lichts, aber nicht zur Verschiebung von Objekten an der Wasseroberfläche.


    • Das Gehirn verlängert den gebrochenen Strahl geradlinig.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig: Die scheinbare Verschiebung von Objekten unter Wasser wird durch die Lichtbrechung und ihre Interpretation durch unser Gehirn verursacht. Die vom Objekt unter Wasser ausgehenden, aber an der Wasseroberfläche vom Lot weg gebrochenen Lichtstrahlen werden durch das Gehirn geradlinig verlängert, ähnlich wie es auch bei Spiegelbildern oder virtuellen Bildern der Fall ist.


    • Der Lichtweg führt durch eine Grenze zwischen zwei durchsichtigen Stoffen, an der das Licht gebrochen wird.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig: Wir sehen den Fisch unter Wasser, also erreicht Licht von dem Fisch unser Auge. Die Lichtstrahlen werden auf dem Weg durch das Wasser gebrochen, wenn sie von einem optisch dünneren Medium (Luft) in ein optisch dichteres Medium (Wasser) eintreten. Die Richtung des Lichts ist deswegen beim Auge anders als beim Start am Fisch.


    • Die Lichtintensität unter Wasser verringert sich.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch: Die Lichtintensität unter Wasser kann sich zwar verringern, aber dies ist nicht der Grund für die Verschiebung von Objekten an der Wasseroberfläche.
  • Erkläre das Funkeln der Sterne.

    Tipps

    Licht legt einen langen Weg zu uns auf die Erde zurück.

    Im luftleeren Raum findet keine Ablenkung des Lichts statt.

    Bevor das Licht bei uns auf der Erde ankommt, durchdringt es die Erdatmosphäre.

    Astronautinnen und Astronauten befinden sich im Weltall außerhalb der Erdatmosphäre.

    Lösung

    Das Funkeln der Sterne kann erklärt werden durch den langen Weg, den das Licht von den Sternen bis in unsere Augen zurücklegt. Der größte Teil dieser Strecke befindet sich im luftleeren Raum zwischen dem Stern und der Erde, wo keine Ablenkung des Lichts auftritt.

    Auf dem letzten Teilstück muss das Licht jedoch die Erdatmosphäre durchdringen, bevor es in unsere Augen gelangt. In der Erdatmosphäre gibt es Luftströmungen und Luftverwirbelungen, die – je nach Jahreszeit und Wetterlage – variieren. Unterschiedlich temperierte Luftschichten haben leicht verschiedene Brechungsindizes, wodurch der Lichtstrahl abgelenkt wird und sich zeitlich ändernde Lichtpunkte auf unserer Netzhaut erzeugt werden. Dieses Phänomen interpretieren wir als Funkeln eines Sterns.

    Es ist interessant zu bemerken, dass Astronauten und Astronautinnen auf der Internationalen Raumstation ISS das Sternfunkeln nicht beobachten, da sich ihr Beobachtungsstandort außerhalb der Erdatmosphäre befindet, wo die Ablenkung des Lichts durch die Atmosphäre nicht auftritt.