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Lichtbrechung – Überblick

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Die Autor/-innen
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Sandra Haufe
Lichtbrechung – Überblick
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse

Beschreibung Lichtbrechung – Überblick

Einführung in die Lichtbrechung Warum sieht eigentlich ein Teelöffel im gefüllten Glas aus als hätte er einen Knick bekommen ? Hast du schon einmal versucht mit einem Stock etwas aus dem Wasser zu fischen und dich gewundert, weshalb du es nicht gleich richtig triffst ? Auf dem Weg des Lichts von einem Objekt zu unserem Auge wird es gebrochen, wenn es durch die Trennfläche zwischen zwei Medien tritt. Dieser Effekt, den wir Brechung nennen, wird dir hier ausführlich erklärt, und es werden dir dir verschiedene Beispiele vorgestellt, zu welchen Phänomenen dies führen kann.

Transkript Lichtbrechung – Überblick

Hallo. In diesem Video geht es um ein tolles Naturphänomen, nämlich um die Brechung von Lichtstrahlen. Folgendes habt ihr bestimmt schon alle einmal gesehen: wenn man in ein Glas, das mit Wasser gefüllt ist, reinschaut und dann einen Löffel hineintut, dann sieht der plötzlich wie abgeknickt aus. Oder manchmal sieht man den Teil, der im Wasser steckt, auch gar nicht mehr. Das ist schon komisch. Warum ist das so? Gut, das habt ihr euch wahrscheinlich alle schon gedacht. Es liegt an der Brechung des Lichtes. Aber was da genau passiert, wollen wir uns jetzt einmal anschauen. Also, jedes Mal wenn ein Lichtstrahl auf das Wasser trifft, wird er an der Oberfläche abgeknickt oder gebrochen. Das liegt daran, dass der Lichtstrahl von einem sogenannten optisch dünneren Medium in ein optisch dichteres kommt, also in unserem Fall von Luft in Wasser und dann wird er zu dieser Senkrechten hier hingebrochen.Und diese Senkrechte nennt sich, genauso wie bei der Reflexion an Spiegeln, das Lot. Es ist nun tatsächlich so, dass das Licht in einem optisch dichteren Medium, also hier Wasser, langsamer wird. Aber warum es deswegen abknickt, möchte ich euch mal an einem Beispiel zeigen. Dieser Schlitten hier fährt auf Schnee schräg den Berg hinab. Etwas tiefer befindet sich ein etwas sandiger Boden, auf dem der Schlitten auf jeden Fall gebremst wird. Nun trifft aber, durch den Einfallswinkel des Schlittens auf die Sandfläche, zunächst die rechte Seite des Schlittens auf den Sand und wird gebremst. Die linke Seite fährt noch weiter wie zuvor und dadurch dreht sich dann der Schlitten ein wenig, bis auch die linke Seite den Sand erreicht hat und er wieder gerade weiterfährt. Und ihr seht, so kommt ein Knick in der Fahrt des Schlittens zustande. Also wir haben gesehen: Wenn ein Lichtstrahl von einem optisch dünneren Medium, wie Luft, in ein optisch dichteres kommt, wie hier Wasser, dann wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen. Und wie ist das andersherum? Wenn der Lichtstrahl aus dem Wasser in Luft trifft? Hier befindet sich dann das Lot. Und dann ist hier der sogenannte Einfallswinkel Alpha und auf der anderen Seite, zum Lot hin gemessen, der Ausfallswinkel Beta. Und hier sehen wir: von einem optisch dichteren Medium in ein optisch dünneres Medium wird das Licht vom Lot weg gebrochen, also genau umgekehrt. Kommen wir noch einmal kurz zu den Winkeln. Man spricht vom Einfallswinkel Alpha und vom Ausfallswinkel Beta oder auch manchmal Alpha Strich, die beide zum sogenannten Einfallslot hin gemessen werden. Und im oberen Fall gilt dann: Alpha ist größer als Beta. Und im unteren gilt: Beta ist größer als Alpha. Kommen wir nun noch zu zwei Spezialfällen. Wenn der Lichtstrahl direkt senkrecht auf die Oberfläche trifft, wird er gar nicht gebrochen. Der Winkel ist also jeweils 0°. Und je schräger er auf die jeweilige Oberfläche trifft, desto mehr wird er gebrochen und immer mehr und immer mehr bis wir zum zweiten Spezialfall kommen, der allerdings nur eintritt, wenn der Lichtstrahl vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium geht. Ab einem bestimmten Einfallswinkel wird das Licht nämlich an der Wasseroberfläche reflektiert, so wie an einem Spiegel. Und dann sind nämlich Alpha und Beta, am Lot gemessen, gleich groß. Alpha = Beta. Dieses Phänomen nennt sich Totalreflektion. Alle verschiedenen Stoffübergänge haben einen unterschiedlichen Grenzwinkel, ab dem die Totalreflektion eintritt, also kein Licht mehr das Medium verlässt. Bei Wasser zu Luft ist der Grenzwinkel Alpha = 49°. 49°, das ist gar nicht mal so ein großer Winkel. Den erreicht man im Alltag sehr häufig. Und sowieso: Brechung und Totalreflektion sind Phänomene, die sehr oft in der Natur auftreten. Das möchte ich einmal an einem Beispiel zeigen: Wir schauen auf einen See und bemerken einen rosa Fisch, den wir an dieser Stelle hier sehen. Den möchten wir nun fangen. Die Lichtstrahlen, die auf unsere Netzhaut treffen, kommen aus dieser Richtung hier. Wenn man sie verlängert, treffen sie genau auf den rosa Fisch. Was unser Gehirn allerdings nicht weiß, ist, dass die Lichtstrahlen an der Wasseroberfläche gebrochen wurden und zwar zum Lot hin. So ungefähr. Ha, und dann sehen wir, dass sich der Fisch tatsächlich an einer anderen Stelle befindet, als wir ihn sehen. Hier nämlich ist der echte Fisch. Versuchen wir den Fisch also zu fangen, werden wir auf jeden Fall erst mal daneben greifen. Ja, und schauen wir noch schräger auf den See, dann kann es passieren, dass wir den Fisch gar nicht mehr sehen. Denn wenn der Winkel zu groß ist, setzt ja die Totalreflektion ein. Das heißt, uns erreichen keine Strahlen mehr. Ach ja, und das Phänomen mit dem Löffel im Wasserglas könnt ihr jetzt bestimmt auch selber erklären. Das Licht des Löffels im Wasser wird also an der Wasseroberfläche gebrochen und wir sehen den Löffel also nicht dort, wo er sich eigentlich befindet. Es gibt noch ganz viele andere Beispiele für Brechung in der Natur. Zum Beispiel wenn wir an einem sehr heißen Tag im Auto sitzen und die Straße betrachten. Das habt ihr bestimmt schon einmal gesehen: da denkt man, es wäre Wasser auf der Straße. Ist es aber gar nicht. Die heiße Straße heizt die Luft darüber so auf, dass sie ein optisch dünneres Medium ist, als die Kaltluft. Und dann kann es passieren, dass das Licht, was vom Himmel kommt, so gebrochen wird, dass wir denken, es käme von der Straße. Das nehmen wir dann als Spiegelung wahr. Ein anderes schönes Beispiel für Brechung ist der Regenbogen. Hier wird das Licht in den Wassertropfen in all seine Farben aufgespalten. Das liegt daran, dass jede Farbe unterschiedlich stark gebrochen wird. Ein blauer Lichtstrahl beispielsweise wird stärker gebrochen als ein roter. Brechung ist übrigens auch die Ursache dafür, dass der Abendhimmel rot ist. Und dass der Himmel blau ist. Und dass es Fata Morganas gibt, in der Wüste. Und, und, und ... Also, ich hoffe, ich konnte euch mit meinem Video helfen. Tschüss!  

54 Kommentare

54 Kommentare
  1. mega grad nochmal richtig die winkel grössen noch gelernt vor Klassenarbeit

    Von JOHANNES U., vor mehr als 2 Jahren
  2. Super Video hab viel gelernt

    Von Sastiglmeir, vor mehr als 2 Jahren
  3. Klasse, selbst Mutti hat noch was gelernt 😁

    Von Linea N., vor mehr als 2 Jahren
  4. Danke das Video hat mir sehr geholfen :)

    Von Penelope Selena K., vor mehr als 2 Jahren
  5. Tolles Video :)

    Von Mgordana40, vor fast 3 Jahren
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Lichtbrechung – Überblick Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Lichtbrechung – Überblick kannst du es wiederholen und üben.
  • Veranschauliche die Brechung mithilfe eines Schlittens.

    Tipps

    Für die richtige Reihenfolge kannst du schauen, mit welchem Teil der Schlitten zuerst auf den Sand trifft.

    Lösung

    Eine gute Analogie ist der Schlitten, der vom Schnee auf eine Fläche Sand fährt.

    Er fährt schräg auf den Sand zu, dadurch kommt eine Ecke früher am Sand an als die andere, er wird also an dieser Ecke gebremst, an der anderen aber noch nicht.
    Das erklärt auch, warum bei senkrechtem Auftreffen (also parallel zum Lot) nicht gebrochen wird, denn dann treffen beide Seiten des Schlittens gleichzeitig auf den Sand und es entsteht keine Drehung. Dadurch entsteht eine Drehung, bis die andere Ecke auch am Sand ankommt. Dann bewegen sich beide Seiten des Schlittens wieder gleich schnell und die Drehung wird gestoppt.

  • Beschrifte die Darstellung zur Lichtbrechung.

    Tipps

    Der Brechwinkel ist der Winkel, der nach der Brechung entsteht.

    Lösung

    Um solche Zeichnungen und die dazugehörigen Gleichungen zu verstehen, müssen wir wissen, was auf einer solchen Zeichnung zu sehen ist.

    Der schwarze Strich senkrecht auf der Wasseroberfläche ist das Lot. Vom Lot aus schauen wir uns alle Winkel an.

    Der Einfallswinkel ist der Winkel, mit dem das Licht auf das Medium trifft.

    Der Brechwinkel ist der Winkel, den das Licht nach der Brechung hat.

    Um die Richtung, in die gebrochen wird, besser zu erahnen, können wir noch schauen, welches Medium das optisch dichtere und optisch dünnere ist.
    Hier ist die Luft das optisch dünnere und das Wasser das dichtere Medium.

  • Gib an, welche Brechungen richtig sind.

    Tipps

    Wasser ist ein optisch dichteres Medium als Luft.

    Beim Übergang vom optisch dünneren Medium ins optisch dichtere Medium wird das Licht zum Lot hin gebrochen.

    Beim Übergang vom optisch dichteren Medium ins optisch dünnere Medium wird das Licht vom Lot weg gebrochen.

    Lösung

    In welche Richtung wird wann gebrochen? Das wollen hier üben, denn auch ohne den genauen Winkel zu kennen, ist es praktisch zu wissen, in welche Richtung überhaupt gebrochen wird.

    Bild 2 und 4 sind richtig.

  • Erkläre die Sonderfälle der Lichtbrechung.

    Tipps

    Damit es an der Grenzfläche zweier Medien zur Brechung des Lichtes kommt, darf dieses nicht senkrecht zur Grenzfläche auftreffen.

    Für jedes Medienpaar gibt es einen bestimmten Grenzwinkel, unter dem Totalreflexion auftritt.

    Lösung

    Es gibt bei der Brechung noch zwei Sonderfälle, die schauen wir uns mal an.

    Bei dem Ersten wird gar nicht gebrochen, du kannst dir vorstellen, dass bei der Brechung nur die bereits bestehende „Schräge“ verstärkt oder abgeschwächt wird. Wenn der Strahl nun aber auf dem Lot (also senkrecht) auf das andere Medium trifft, dann gibt es da keine „Schräge“ zu verstärken oder abzuschwächen, deshalb bleibt er auch gerade und wird nicht gebrochen.

    Wenn aber der Strahl sehr schräg (großer Einfallswinkel) auf ein optisch dünneres Medium trifft, dann kann ab einem bestimmten Grenzwinkel, der für jedes Medium verschieden ist, eine Totalreflexion entstehen. Bei dieser wird dann kein Licht mehr gebrochen.
    Man kann sich das so vorstellen, dass der Strahl so schräg ist, dass er, wenn er gebrochen wird, wieder zurück ins dichtere Medium geht.

  • Gib an, was bei der Brechung passiert.

    Tipps

    Benutze den Begriff brechen wie abknicken.

    Lösung

    Was meinen wir denn mit Brechung?

    Damit meinen wir, dass das Licht durch das Wechseln in ein anderes Medium seine Richtung ändert, weil es gebremst wird.

    Der Lichtstrahl knickt also ab.

    In Sonderfällen, wie wenn der Strahl senkrecht auf das Medium trifft, wird der Strahl nicht gebrochen. Ein anderer Sonderfall ist die Totalreflexion, da schafft es der Lichtstrahl gar nicht erst auf die andere Seite.

  • Berechne den Brechwinkel.

    Tipps

    Das Snelliussche Brechungsgesetz lautet:
    $n_1\cdot\sin(\alpha_1)=n_2\cdot\sin(\alpha_2)$.

    $\alpha_1$ ist der Eintrittswinkel und $\alpha_2$ der Brechwinkel.

    Die n gehören immer zum Winkel, der auf der Seite ist.

    Lösung

    Jetzt wollen wir mal einen Brechwinkel exakt ausrechnen.
    Dazu nehmen wir die Gleichung:

    $n_1\cdot\sin(\alpha_1)=n_2\cdot\sin(\alpha_2)$.

    Der linke Teil betrifft den Bereich in der Luft und der rechte Teil den Bereich im Wasser.

    Also wissen wir, dass $\alpha_2$ der Winkel ist, den wir suchen, denn wir suchen den Winkel im Wasser. $n_2$ ist also auch der Brechungsindex $n$ für Wasser und $n_1$ der für Luft.

    Eingesetzt haben wir dann:
    $1\cdot\sin(45^\circ)=1,33\cdot\sin(\alpha_2)$.

    Indem wir durch 1,33 teilen, erhalten wir schon einmal:

    $\dfrac{1\cdot\sin(45)}{1,33}=\sin(\alpha_2)$.

    Da müssen wir den Sinus loswerden, indem wir den Arcussinus oder auch Sinus$^{-1}$ benutzen:

    $\sin(\dfrac{1\cdot\sin(45)}{1,33})^{-1}=\alpha_2=32^\circ$.

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