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Totalreflexion 05:57 min

Textversion des Videos

Transkript Totalreflexion

Vielleicht hast du schon einmal beobachtet, dass die Scheibenwischer eines Autos die Wischgeschwindigkeit dem Regen anpassen können. In modernen Autos passiert das ganz automatisch. Regnet es stark, wischen die Scheibenwischer einfach schneller. Beruhigt sich der Regen, werden auch die Scheibenwischer langsamer.

Videoübersicht

Wie genau die Scheibenwischer das machen und woher sie wissen, wie stark es regnet, erfährst du in diesem Video zur Totalreflexion. Dafür wiederholen wir zunächst das Reflexionsgesetz. Im Anschluss lernst du den Begriff der Totalreflexion kennen und unter welchen Bedingungen es zu diesem Phänomen kommt. Und danach erklären wir dir, wie die Totalreflexion im Regensensor zum Einsatz kommt.

Das Reflexionsgesetz

Zunächst wiederholen wir kurz das Reflexionsgesetz. Denn Reflexion spielt in diesem Video ja eine Hauptrolle. Trifft Licht auf einen ebenen Spiegel, wird es nach den Regeln des Reflexionsgesetztes reflektiert. Es gilt dabei: Einfallswinkel alpha gleich Ausfallswinkel alpha Strich. Auch eine so genannte Grenzfläche kann als durchsichtiger Spiegel wirken.

Unterschied zur normalen Reflexion

Eine solche Grenzfläche entsteht zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen optischen Dichten. Zum Beispiel zwischen Wasser und Luft. Was macht nun aber die Totalreflexion so besonders? Bei der normalen Reflexion wird immer nur ein Teil des Lichtes reflektiert. Ein gewisser Teil geht durch die Grenzfläche durch. Man sagt es wird absorbiert.

Als Totalreflexion bezeichnet man nun die Situation, bei der das gesamte Licht, das auf eine solche Grenzfläche trifft, reflektiert wird. Damit es zu einer solchen Totalreflexion kommt, müssen jedoch zwei Bedingungen erfüllt sein. Licht wird total reflektiert, wenn…

Erstens das Licht aus einem optisch dichteren Medium auf die Grenzfläche zum optisch dünneren Medium trifft. Wasser ist beispielsweise optisch dichter als Luft. Der Lichtstrahl müsste also beim Medienpaar Wasser Luft aus dem Wasser kommen. Die zweite Bedingung betrifft den Einfallswinkel. Es gibt nämlich einen bestimmten Einfallswinkel, ab dem es zur Totalreflexion kommt. Den so genannten Grenzwinkel.

Der Grenzwinkel

Ist der Einfallswinkel alpha kleiner als der Grenzwinkel alpha grenz, wird ein Teil des Lichtes reflektiert. Der andere Teil durchdringt die Grenzfläche und wird gebrochen. Ist der Einfallswinkel gleich dem Grenzwinkel, verläuft ein Teil in der Grenzschicht, der andere Teil wird reflektiert. Und erst wenn der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel ist, wird das gesamte Licht reflektiert.

Wir halten also fest: für die Totalreflektion muss der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel sein. Wie groß dieser Grenzwinkel ist, hängt von den beiden aneinander grenzenden Medien ab. Und genau das nutzt der Regensensor eines Autos aus, um den Scheibenwischern zu sagen wie schnell sie wischen müssen.

Funktionalität eines Regensensors

Ein Regensensor besitzt besondere Bauteile. Zum einen die Lichtquelle. Sie schickt Licht aus dem Glas der Autoscheibe auf die Grenzfläche zur Luft außerhalb des Autos. Diese Lichtquelle ist so eingestellt, dass der Einfallswinkel größer ist als der Grenzwinkel des Medienpaares Glas und Luft. Deshalb wird das Licht total reflektiert und trifft komplett auf einen Detektor. Dieser vermittelt den Scheibenwischern dann elektronisch, dass es gerade nicht regnet und sie nicht wischen müssen.

Regnet es nun auf die Autoscheibe, entsteht an den betropften Stellen der Scheibe der Medienübergang Glas zu Wasser. Für diesen neuen Grenzwinkel ist aber der Einfallswinkel der Lichtquelle nicht eingestellt. Deshalb findet an diesen Stellen keine Totalreflektion mehr statt. Und so gelangt auch nicht mehr das gesamte Licht in den Detektor. Das nimmt der Detektor als Anlass, die Scheibenwischer zu alarmieren.

Zusammenfassung zur Totalreflexion

Je stärker es regnet, desto weniger Licht gelangt in den Detektor. Und je weniger Licht der Detektor registriert, desto schneller befiehlt er den Scheibenwischern zu wischen. Lass uns noch einmal zusammenfassen, was du über Totalreflexion erfahren hast: Licht kann nicht nur an Spiegeln, sondern auch an Grenzflächen zwischen zwei optisch unterschiedlich dichten Medien reflektiert werden.

Zu einer Totalreflexion kommt es unter zwei Bedingungen: Erstens muss das Licht aus dem optisch dichteren Medium auf die Grenzfläche zum optisch dünneren Medium treffen. Zweitens muss der Einfallswinkel größer sein als der Grenzwinkel, der vom Medienpaar abhängt. Abschließend ein kleiner Forschungsauftrag für dich.

Übungsaufgabe

Die Lichtquelle des Regensensors leuchtet jederzeit. Doch man sieht kein Licht, das die Scheibe durchleuchtet. Wie kann das sein? Versuche herauszufinden, wo sich diese Lichtquelle an der Scheibe befindet. Und vor allem, welche Art von Licht man nicht sehen kann! Viel Spaß beim Nachforschen!

18 Kommentare
  1. Danke für die Erklärung

    Von Bünyamin K., vor etwa 2 Monaten
  2. Vielen Dank :)

    Von A Gargiulo, vor 3 Monaten
  3. Die Stelle wurde nun korrigiert.

    Von Karsten Schedemann, vor 6 Monaten
  4. Total gut erklärt :)

    Von Fiona Lynn, vor mehr als einem Jahr
  5. Es gibt keine wirkliche Formel. Die Reflexion des Lichtes, erfolgt nach dem Reflexionsgesetz und die Brechung des Lichtes nach dem Brechungsgesetz.

    Erreicht der Eintrittswinkel bei der Lichtbrechung den materialabhängigen Grenzwinkel, tritt nur noch Reflexion auf.

    Von Karsten Schedemann, vor mehr als einem Jahr
  1. wie ist die Formel für die Totalreflexion ?

    Von Manfredschneider 1, vor mehr als einem Jahr
  2. Der Grenzwinkel ist materialabhängig.
    Hier ein paar Beispielwerte für Grenzwinkel:
    Übergang Wasser zu Luft: 49° zum Lot,
    Übergang Glas zu Luft 42° ,
    Übergang Diamant zu Luft 24°.

    Von Karsten Schedemann, vor etwa 2 Jahren
  3. an Familie Wenzel
    Der Grenzwinkel ist grundsätzlich 45 grad aber es kann auch mal mehr und mal weniger sein. Ich hoffe ich konnte dir damit helfen:)

    Von Rubavany, vor etwa 2 Jahren
  4. wunderdufte

    Von Itslearning Nutzer 1974 1713, vor mehr als 2 Jahren
  5. Ich versteh jetzt aber nicht wie gross jetzt der grenzwinkkel sein soll?

    Von Familie Wenzel, vor mehr als 2 Jahren
  6. Sehr gutes Video, DANKE...

    Von Erik S., vor mehr als 2 Jahren
  7. gut

    Von Tanja Becker27, vor mehr als 2 Jahren
  8. @Markus W.

    Sie haben recht der obere Pfeil wird leider zum Lot hingebrochen und sollte vom Lot weggebrochen werden. Wir werden dies zeitnah ändern.

    LG

    Von Karsten Schedemann, vor etwa 3 Jahren
  9. Super Video, wie immer !!!

    Eine Sache ist mir aufgefallen. Bei 2:51 wird der gebrochene Lichstrahl eingezeichnet. Dieser müsste, wenn er vom opt. dichteren Medium kommt, vom Lot weg gebrochen werden. Im Video sieht es so aus, als würde er zum Lot in gebrochen werden.

    VG

    Von Markus W., vor etwa 3 Jahren
  10. @D Tamir

    Das Licht, im Regensensor kann eigentlich jedes Licht sein. Es ist nur wichtig, dass es im passenden Winkel auf die Scheibe trifft.

    Von Karsten Schedemann, vor mehr als 3 Jahren
  11. Spitze!!!
    Ist das Scheibenwischerlicht Infrarot?

    Von D Tamir, vor mehr als 3 Jahren
  12. Ich finde Aufgaben könnten länger sein!!!

    Von Gina ., vor mehr als 3 Jahren
  13. ERSTER

    Von Veit Robin, vor etwa 4 Jahren
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Totalreflexion Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Totalreflexion kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib an, in welchen der gezeigten Fälle Totalreflexion vorliegt.

    Tipps

    Bei der Totalreflexion wird das gesamte Licht reflektiert.

    Ist es wichtig, von welcher Seite das Licht einfällt?

    Lösung

    An Grenzflächen zwischen zwei Medien mit unterschiedlicher optischer Dichte kann Totalreflexion auftreten. Das bedeutet, dass das gesamte Licht zurückgeworfen wird. Es wird kein Licht in das Medium hinter der Grenzfläche oder in die Grenzfläche hinein gebrochen.

  • Gib an, an welchen der folgenden Grenzschichten die erste Bedingung für die Totalreflexion erfüllt ist.

    Tipps

    Das Licht muss von einem optisch dichteren Medium auf die Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium fallen.

    Drei der sechs Varianten ermöglichen eine Totalreflexion, sofern die zweite Bedingung ebenfalls erfüllt ist.

    Die Medien in aufsteigender optischer Dichte sind:
    Medium 1 < Medium 3 < Medium 2

    Lösung

    Medium 1 ist das optisch dünnste Medium in diesem Beispiel. Kommt das Licht aus einem der beiden anderen Medien, so kann an der Grenzfläche Totalreflexion auftreten.

    Medium 2 ist das optisch dichteste Medium in diesem Beispiel. Kommt das Licht von einem der beiden anderen Medien an die Grenzfläche, kann daher keine Totalreflexion auftreten.

    Medium 3 ist weniger dicht als Medium 2, daher ist Totalreflexion für den Fall Medium 2$\to$Medium 3 möglich, für die Umkehrung jedoch nicht.

  • Gib die beiden Bedingungen für die Totalreflexion von Licht an.

    Tipps

    Die Dichte der Linien in den Abbildungen verdeutlichen die relevante optische Eigenschaft des jeweiligen Stoffes.

    Der Grenzwinkel besitzt für jede Stoffkombination an der Grenzfläche einen festen Wert.

    Lösung

    Totalreflexion tritt auf, wenn das Licht von einem optisch dichteren Stoff auf die Grenzfläche zu einem optisch dünneren Stoff trifft und dabei der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel ist.
    In der gezeigten Abbildung kann Totalreflexion auftreten, wenn der Lichtstrahl aus dem optisch dichteren Medium kommt, also von unten. An der Grenzschicht zwischen den beiden Medien ist dann entscheidend, ob auch die zweite Bedingung erfüllt ist. Also ob der Einfallswinkel des Lichtes größer als der jeweilige Grenzwinkel ist.

  • Erschließe dir, welche optischen Eigenschaften die Medien besitzen.

    Tipps

    Löse die Aufgabe schrittweise.

    Welche Information über die optische Dichte der Medien verbirgt sich in der Angabe zur Totalreflexion?

    Lösung

    Das Medium mit der größten optischen Dichte ist direkt genannt: Medium 4.

    An dritter Position steht Medium 1, da es eine größere optische Dichte als Medium 3 besitzt und auch als Medium 2, da dort beim Übergang zu Medium 1 keine Totalreflexion auftreten kann.

    Die geringste optische Dichte besitzt Medium 3, da beim Übergang von Medium 2 zu Medium 3 Totalreflexion auftreten kann.

  • Erkläre die Funktionsweise eines Regensensors beim Auto.

    Tipps

    Damit es zur Totalreflexion kommt, gelten Regeln.

    Lösung

    Die Grundidee des Aufbaus eines Regensensors besteht also darin, den festen Einfallswinkel des Lichtstrahls so zu wählen, dass er größer als Grenzwinkel von Glas/Luft (41°) ist, aber kleiner als der Grenzwinkel von Glas/Wasser (61°).

    Das ist zum Beispiel bei 50° der Fall. Dadurch kommt es nur im Fall Glas/Luft zur Totalreflexion und die abnehmende Lichtintensität bei der Konstellation Glas/Wasser kann als Merkmal für die Steuerung der Scheibenwischer verwendet werden.

  • Erläutere, wie ein Glasfaserkabel aufgebaut ist.

    Tipps

    Die Lichtsignale dürfen den Kern des Glasfaserkabels nicht verlassen, da es sonst zu Verlusten kommt.

    Bei welchem physikalischen Phänomen wird das gesamte Licht an der Grenzschicht zurückgeworfen?

    Welche Bedingungen müssen dafür erfüllt sein?

    Lösung

    Um einen verlustfreien Transport des Lichtes zu ermöglichen, darf kein Licht den Kern des Glasfaserkabels verlassen. Die Lichtstrahlen müssen total reflektiert werden.

    Der Kern des Kabels besteht aus dem optisch dichteren Medium. Der Mantel ist optisch weniger dicht. Dadurch kann an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel Totalreflexion auftreten. Um dies zu ermöglichen, wird der Einfallswinkel der Lichtstrahlen technisch so gewählt, dass er größer als der Grenzwinkel ist.