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Reflexionsgesetz

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Physik-Team
Reflexionsgesetz
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse

Grundlagen zum Thema Reflexionsgesetz

Inhalt

Das Reflexionsgesetz – Definition und Beispiele

Hast du Reflektoren an deiner Kleidung oder an deinem Fahrrad? Weißt du, warum sie leuchten? Das Prinzip dahinter ist die Reflexion: Wenn ein Lichtstrahl auf eine Grenzfläche trifft, das kann zum Beispiel die Oberfläche eines Spiegels sein oder die Wasseroberfläche eines großen Sees, dann wird er zum Teil zurückgeworfen – also reflektiert. Heute wollen wir uns mit dem Reflexionsgesetz beschäftigen. Das sagt nämlich aus, nach welcher Regel das Licht reflektiert wird.

Für die folgenden Betrachtungen solltest du schon wissen, dass wir das Licht im sogenannten Strahlenmodell betrachten können. Wir nehmen also zur Vereinfachung an, dass sich Licht immer in geraden Strahlen ausbreitet. Wenn du mehr darüber lernen möchtest, kannst du dir das Video zur Lichtbrechung ansehen. Außerdem betrachten wir hier die Reflexion an glatten Oberflächen.

Reflexionsgesetz – Herleitung

Für eine experimentelle Herleitung des Reflexionsgesetzes führen wir einen einfachen Versuch durch: Wir legen einen Spiegel auf eine Kreisscheibe, auf der eine Winkelskala eingezeichnet ist. Die reflektierende, also spiegelnde, Seite zeigt in Richtung der Lichtquelle, mit der wir Licht auf den Spiegel strahlen. Das kann zum Beispiel ein Laser sein. Als Hilfslinie dient das Lot, das senkrecht zur Spiegeloberfläche ist. Der einfallende Strahl ist so auf den Spiegel gerichtet, dass er mit dem Lot den Einfallswinkel $\alpha_1$ einschließt. Nun messen wir für verschiedene Einfallswinkel die Ausfallswinkel $\alpha_2$ – also die Winkel zwischen Lot und reflektiertem Strahl.

Reflexionsgesetz Experiment mit Spiegel zur Herleitung

Wenn wir diesen Versuch für genügend viele Einfallswinkel durchführen, also immer wieder aus anderen Richtungen auf den Spiegel leuchten, stellen wir folgende Dinge fest:

  • Der einfallende Strahl, das Lot und der reflektierte Strahl bilden immer eine Ebene. Du könntest die Strahlen und das Lot also immer zusammen auf einem flachen Blatt Papier einzeichnen.
  • Die Strahlen sind umkehrbar. Das heißt, dass du quasi den einfallenden und den reflektierten Strahl austauschen könntest. Im Experiment würde das bedeuten, dass du mit der Lichtquelle nicht von links, sondern von rechts auf den Spiegel strahlst. Natürlich verlaufen die Strahlen nun von rechts nach links, aber ihre Ausrichtung bleibt gleich.
  • Der Ausfallswinkel $\alpha_2$ ist immer so groß wie der Einfallswinkel $\alpha_1$. Das lässt sich natürlich auch mathematisch formulieren.

Reflexionsgesetz – Formel

Die Formel zum Reflexionsgesetz ist sehr einfach. Sie besagt, dass der Einfallswinkel so groß ist wie der Ausfallswinkel, also:

$\alpha_1 = \alpha_2$

In welchen Anwendungen man dieses Prinzip ausnutzt, schauen wir uns nun an.

Retroreflektoren

Sogenannte Retroreflektoren, die wir im Alltag häufig nur als Reflektoren bezeichnen, werden für viele Zwecke eingesetzt. Sie werfen einfallendes Licht nämlich in die Richtung zurück, aus der es kommt. Um das zu verstehen, schauen wir uns als Erstes den Strahlverlauf im sogenannten Doppelspiegel an.

Strahlverlauf in Doppelspiegel und Tripelspiegel

Ein Doppelspiegel besteht aus zwei Spiegeln, die im rechten Winkel zueinander stehen. Ein Lichtstrahl trifft in einem Einfallswinkel von zum Beispiel 60° auf den ersten Spiegel (Spiegel 1). Nach dem Reflexionsgesetz wird er im Ausfallswinkel von 60° reflektiert. Dann trifft er auf den zweiten Spiegel (Spiegel 2). Da die beiden Spiegel senkrecht zueinander stehen, beträgt hier der Einfallswinkel 30°. Der Ausfallswinkel des reflektierten Strahls beträgt auch 30°, denn es gilt ja das Reflexionsgesetz.

Prinzip des Retroreflektors erklärt am Doppelspiegel

Du siehst, dass der Strahl, der den Doppelspiegel verlässt, parallel zu dem einfallenden Strahl verläuft. Er wird also in die Richtung reflektiert, aus der er gekommen ist. Das gilt zumindest dann, wenn der einfallende Strahl in der gleichen Ebene liegt wie das Lot von Spiegel 1 (Lot 1) und das Lot von Spiegel 2 (Lot 2). Würde er zum Beispiel von weiter oben auf den Spiegel 1 treffen, würde er zusätzlich nach unten reflektiert werden und nicht nur in Richtung von Spiegel 2. Da man in realen Anwendungen natürlich nicht immer darauf achten kann, dass der Strahl nicht schräg auf den Doppelspiegel trifft, nimmt man einen weiteren Spiegel dazu: Diesen ordnet man so an, dass er im rechten Winkel zu Spiegel 1 und Spiegel 2 steht. Die drei Spiegel stehen also so aufeinander wie drei Seiten eines Würfels. Trifft nun Licht auf diesen sogenannten Tripelspiegel, wird es immer in Richtung der Quelle zurückgeworfen. Dieses Prinzip nutzt man in Retroreflektoren aus.

Die Anwendung von Retroreflektoren

Retroreflektoren werden aus Tripelspiegeln zusammengesetzt und befinden sich zum Beispiel in Kleidungsstücken oder in den Katzenaugen deines Fahrrads. Wenn sich in der Dunkelheit ein Auto auf dich zubewegt, dann trifft das Scheinwerferlicht auf diese Reflektoren. Das Licht wird reflektiert und gelangt zurück zum Auto – der Autofahrer kann dich dadurch besser sehen. Die Reflektoren dienen also deiner Sicherheit.

Sie werden allerdings auch eingesetzt, um Abstände zu messen. Zum Beispiel hat die Apollo-11-Mission im Jahr 1969 auf dem Mond Retroreflektoren hinterlassen. Wenn man nun von der Erde aus mit einem Laser auf genau diese Stelle des Mondes leuchtet, wird das Licht vom Mond zurückgeworfen. Das Licht benötigt eine gewisse Zeit, bis es zum Mond und wieder zurück gelangt ist. Über diese Zeitdauer und die Geschwindigkeit des Lichts (Lichtgeschwindigkeit) kann man den Abstand zwischen Mond und Erde berechnen.

Kurze Zusammenfassung vom Video Reflexionsgesetz

In diesem Video wird dir das Reflexionsgesetz aus der Physik einfach erklärt. Du lernst, wie die Formel zum Reflexionsgesetz aussieht und wo das Reflexionsgesetz Anwendung findet. Auch zu diesem Thema findest du ein Arbeitsblatt und interaktive Übungen.

Transkript Reflexionsgesetz

Reflexionsgesetz

Hallo. Hast du dich schonmal gefragt, warum eigentlich nachts die Leitpfosten am Straßenrand viel heller leuchten, als die Umgebung, obwohl man sie mit der selben Lampe anstrahlt? Oder warum man beim Fahrrad die Katzenaugen so deutlich sieht?

In diesem Video möchte ich dir diese Phänomene erklären und zeigen, was das mit der Apollo 11 Mission zum Mond zu tun hatte. Wir sprechen in diesem Video über das Reflexionsgesetz, also die Reflexion von Licht an festen Körpern.

Dazu wollen wir uns als erstes anschauen, was es mit dem Strahlenmodell des Lichtes auf sich hat. Danach sprechen wir über die Reflexion an glatten und rauen Oberflächen. Anschließend zeige ich dir, wie man Lichtwege konstruiert. Und zum Schluss klären wir die Funktion von Tripelspiegeln und natürlich die Sache mit der Apollo Mission. Fangen wir also mit dem Modell des Lichtstrahls an.

Licht kann auf viele verschiedene Arten beschrieben werden. Im Lichtstrahlmodell senden Lichtquellen, wie z.B. die Sonne oder eine Lampe ihr Licht in Form von Strahlen in alle Richtungen aus. Dabei breitet sich jeder einzelne Lichtstrahl immer geradlinig aus.

Das kann man deutlich sehen, wenn wir zum Beispiel die Lampe - hier als Schaltsymbol dargestellt - fast komplett mit einem Schirm abdecken und nur einen ganz kleinen Spalt frei lassen. Jetzt sehen wir ein schmales Lichtbündel, dass aus vielen schmalen Lichtstrahlen besteht. Ein einzelner Lichtstrahl kennzeichnet dabei den Weg, auf dem sich das Licht ausbreitet.

Fällt so ein Lichtstrahl in unser Auge, dann können wir genau in die Lampe schauen. Der Lichtstrahl zeigt uns also, wo das Licht herkommt und wo es hingeht.

Kommen wir nun zur Reflexion. Wenn wir in den Strahlengang eines Lichtstrahles einen Spiegel halten, dann ändern wir die Ausbreitungsrichtung des Lichtrahls. Der Strahl wird reflektiert. Wir unterscheiden nun zwischen einfallendem und reflektiertem Strahl. Dabei gilt das Reflexionsgesetz, welches besagt, dass der Einfallswinkel Alpha und der Reflexionswinkel Alpha Strich gleich groß sind. Das bedeutet, der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und dem Lot zum Spiegel ist genauso groß, wie der Winkel zwischen dem Lot und dem reflektierten Strahl.

Wird der Einfallswinkel größer, ändert sich auch der Reflexionswinkel auf den selben Wert. Dabei liegen der einfallende Strahl, das Lot und der reflektierte Strahl immer in einer Ebene. Eine Ebene wäre zum Beispiel ein Blatt Papier auf dem du zeichnest. Bei zwei Dimensionen, also die Höhe und Breite des Blattes ist das völlig klar. Wichtig wird dieser Zusatz, wenn wir dreidimensionale Situationen betrachten.

Dieses Reflexionsgesetz gilt jedoch nur für sehr glatte Flächen, wie zum Beispiel für einen Spiegel oder eine sehr ruhige Wasseroberfläche. Ist die Oberfläche rau, wie zum Beispiel bei einer Zimmerwand, dann wird das Licht in alle möglichen Richtungen reflektiert.

Aber zurück zum Spiegel. Wollen wir nun vorhersagen, wie und in welche Richtung ein Lichtstrahl reflektiert wird, müssen wir mithilfe des Reflexionsgesetzes den Lichtweg konstruieren. In dieser Situation haben wir zwei Spiegel, die rechtwinklig, also in einem Winkel von 90 Grad, zueinander stehen. Das nennt man einen Doppelspiegel. Fällt nun ein Lichtstrahl auf einen der Spiegel, messen wir zunächst den Einfallswinkel. Dieser beträgt hier 40 Grad. Nach dem Reflexionsgesetz ist der Reflexionswinkel also auch 40 Grad.

Der reflektierte Strahl fällt nun auf den nächsten Spiegel. Dort ist er ja wieder ein einfallender Strahl und wir messen wieder den Einfallswinkel. Dieser beträgt 50 Grad. Der Reflexionswinkel ist somit ebenfalls 50 Grad und wir können den reflektierten Strahl zeichnen.

Fällt dir etwas auf? Der erste einfallende Strahl und der letzte reflektierte Strahl verlaufen genau parallel. Und das beste daran: Das ist immer so. Egal unter welchem Winkel ein Lichtstrahl in den Doppelspiegel fällt, der letztendlich reflektierte Strahl wird wieder zur Quelle reflektiert.

Tja, nun findet das aber alles nur in einer Ebene statt. Was machen wir denn, wenn ein Lichtstrahl schräg einfällt? Na klar! Wir nehmen einfach noch einen Spiegel! Und schon haben wir einen Dreifachspiegel, einen sogenannten Tripelspiegel. Jetzt kann das Licht wirklich aus allen möglichen Richtungen einfallen und es wird immer wieder zur Lichtquelle reflektiert. Deshalb nennt man solche Spiegel auch Retroreflektoren.

Und genau solche Reflektoren sind in den Leitpfosten oder in den Katzenaugen vom Fahrrad eingebaut. Da sie das Licht einer Lampe immer genau zurück zum Sender reflektieren, sind diese Objekte besonders hell, wenn sie angestrahlt werden.

Und was hat das nun mit Apollo 11 zu tun? Nun, das Raumschiff der Apollo 11 Mission hat 1961 auf dem Mond solche Tripelspiegel hinterlassen. Und wenn man jetzt von der Erde mit einer starken Lichtquelle, also zum Beispiel einem Laserstrahl, genau diese Stelle des Mondes anstrahlt, dann kommt das Licht genau zurück zum Sender.

Das dauert ca. 1,28 Sekunden. Und mit dieser Zeit und der Lichtgeschwindigkeit c kann man dann die Entfernung zwischen Erde und Mond berechnen. Diese Entfernung beträgt rund 384.000 Kilometer. Mit der Hilfe von Tripelspiegeln können wir also ziemlich genau messen, wie weit der Mond von der Erde entfernt ist.

Was haben wir jetzt alles gelernt? Lichtstrahlen breiten sich geradlinig aus und werden an glatten Flächen nach dem Reflexionsgesetz reflektiert. Dabei liegen das Lot sowie der einfallende und reflektierte Strahl immer in einer Ebene.

Sind 3 Spiegel jeweils im 90 Grad Winkel miteinander verbunden, entsteht ein Tripelspiegel. In diesen Tripelspiegel kann Licht aus unterschiedlichen Richtungen einfallen und es wird immer zur Lichtquelle zurück reflektiert. Diese Tripelspiegel finden wir z.B. in Reflektoren bei Leitpfosten und Fahrradreflektoren und es befindet sich einer auf dem Mond, der zur Entfernungsmessung genutzt werden kann.

Du kannst dir solche Tripelspiegel auch selber mal genau anschauen. Vielleicht hast du ja noch ein kaputtes Katzenauge oder einen Rückstrahler irgendwo zu liegen. Dann kannst du gut die gezackte, pyramidenförmige Struktur der Oberfläche erkennen oder die Zacken sogar erfühlen.

Viel Spaß beim Erforschen!

47 Kommentare

47 Kommentare
  1. hab viel mehr gelernt als mit dem buch , danke !

    Von Elisa2010, vor 9 Tagen
  2. Danke das hat für die Klassenarbeit so geholfen!

    Von Christoph Ole Gau, vor 3 Monaten
  3. Super Viedeo

    Von Geisslerkobalzantje, vor 8 Monaten
  4. Danke das war gut😉🙂

    Von Luca S. , vor 10 Monaten
  5. Cooles video

    Von Kmacgowan, vor etwa einem Jahr
Mehr Kommentare

Reflexionsgesetz Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Reflexionsgesetz kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe das Modell der Lichtstrahlen.

    Tipps

    Wie entsteht Licht?

    Lösung

    Licht entsteht immer in einer Lichtquelle. Dies können zum Beispiel Glühlampen, die Sonne oder andere Feuerstellen sein.

    Von solch einer Lichtquelle breitet sich Licht in alle Richtungen aus. Wenn wir alle Lichtstrahlen in alle Richtungen einzeichnen würden, könnte man nichts mehr erkennen. Daher wählen wir immer bestimmte interessante Lichtstrahlen aus.

  • Gib die Zusammenhänge in der Konstruktionsskizze einer Reflexion an.

    Tipps

    Folge dem Weg des Lichts.

    Unter welcher Bedingung findet eine Reflexion statt?

    Lösung

    Reflexion findet nur an glatten Oberflächen, wie Glasflächen, Wasseroberflächen oder natürlich auch an Spiegeln, statt.

    Das Reflexionsgesetz besagt dabei, dass der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und dem Lot $\alpha$ immer genauso groß ist, wie der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem Lot $\alpha '$.

    Ein Lot beschreibt immer eine rechtwinklige Linie. Im Handwerk wurden kleine Gewichte an einer Schnur benutzt, um herauszufinden, wie man zum Beispiel Wände bauen muss, sodass sie rechtwinkelig zum Erdboden sind.

  • Beschreibe die Funktionsweise eines Doppelspiegels.

    Tipps

    Mache dir eine Skizze.

    Siehst du hier ein rechtwinkliges Dreieck?

    Lösung

    Bei physikalischen Aufgaben ist es meist hilfreich, sich eine Skizze anzufertigen und alle gegebenen Größen einzuzeichnen.

    Dass einfallender und reflektierter Lichtstrahl parallel sind, funktioniert nur, wenn sich beide in einer Ebene befinden. Diese Ebene kannst du dir gut vorstellen, wenn du ein Blatt Papier so zwischen die Spiegel hältst, dass es mit beiden Spiegeln einen rechten Winkel bildet.

    Der Lichtstrahl, der von dem einen Spiegel zum anderen verläuft, bildet mit den beiden Spiegeln ein rechtwinkeliges Dreieck. Da in einem Dreieck die Summe aller Winkel immer 180° beträgt und es bereits einen 90°-Winkel gibt, muss die Summe $\alpha +\beta =90°$ betragen.

  • Nenne Eigenschaften eines Tripelspiegels.

    Tipps

    Worin besteht der Unterschied zwischen einem Doppelspiegel und einem Tripelspiegel?

    Lösung

    Ein Tripelspiegel ist genauso aufgebaut wie ein Doppelspiegel, nur dass noch ein dritter Spiegel verwendet wird.

    Dadurch wird gewährleistet, dass jeder Lichtstrahl, der auf einen der drei Spiegel trifft, genau in die entgegengesetzte Richtung zurück reflektiert wird.

    Im Gegensatz zum Doppelspiegel finden bei einem Tripelspiegel somit drei Reflexionen statt.

  • Nenne Anwendungen für Tripelspiegel.

    Tipps

    Tripelspiegel werden auch Retroreflektoren genannt.

    Lösung

    Retroreflektoren bestehen aus drei Spiegeln und bewirken eine Reflexion von Lichtstrahlen, sodass einfallender und reflektierter Strahl genau parallel, aber entgegengesetzt zueinander sind.

    Das wird sehr häufig im Straßenverkehr genutzt - zum Beispiel bei Reflektoren und Leitpfosten, aber auch bei den Verkehrsschildern und -tafeln. Dabei werden viele winzig kleine Retroreflektoren nebeneinander angeordnet.

    Auch auf dem Mond befindet sich eine solche Spiegelanordnung. Wird ein Laserstrahl von der Erde ausgesandt, kann er dadurch auf dem Mond reflektiert werden und trifft wieder auf die Erde. Auf diesem Weg kann man beispielsweise die Entfernung zum Mond ermitteln.

  • Berechne, wie weit hinter dem großen Spiegel das Bild der Haarspange ungefähr erscheint.

    Tipps

    Versuche, den Weg des Lichtes zu verfolgen, indem du bei der Haarspange beginnst.

    Lösung

    Die Lichtquelle im Raum lässt Licht auf die Haarspange fallen. Von dort aus gibt es einen Lichtstrahl, der auf den kleinen Spiegel fällt, reflektiert wird und von dort aus auf den großen Spiegel fällt. Dort wird der Lichtstrahl wieder reflektiert und fällt in die Augen der Frau.

    Um zu berechnen, wie weit das Bild der Spange hinter dem Spiegel erscheint, ist der Weg vom Spiegel zu den Augen jedoch egal, da er nicht berücksichtigt werden muss.

    Es genügt, die Entfernung vom großen Spiegel zum kleinen Spiegel zur Entfernung zwischen kleinem Spiegel und Haarspange zu addieren.

    Die Entfernung zwischen den beiden Spiegeln beträgt dabei 1,5 m + 0,4 m = 1,9 m. Insgesamt also: 1,9 m + 0,4 m = 2,3 m.

    Streng genommen müsste der Wert geringfügig größer sein, da das Licht nicht nur parallel zum Erdboden verläuft. Die Frau könnte die Spange sonst nämlich gar nicht sehen. Diesen Effekt vernachlässigen wir aber in der Aufgabe.

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