Materialien zum Unterricht

Brechung des Lichtes

Ein Löffel im Wasserglas sieht aus, als hätte er einen Knick. Ein Fisch im Teich ist nicht dort, wo du ihn siehst. Und ein Glasprisma zaubert aus weißem Licht einen Regenbogen. Schuld daran ist die Brechung: Geht Licht schräg von einem Stoff in einen anderen über, ändert es an der Grenzfläche seine Richtung. In vier Versuchen lernst du das Brechungsgesetz kennen, erfährst, warum das Licht abknickt, siehst, wie ein Prisma weißes Licht in seine Farben zerlegt (Dispersion), und erlebst, wie Licht in einem Glasstab gefangen bleibt (Totalreflexion).

Lumi ist wieder da! Nach dem Spiegelabenteuer will der kleine Lichtfleck mit dem großen Mundwerk heute baden gehen, natürlich mit Taucherbrille. Lumis Sprüche sind albern, die Winkel nicht: Alles wird nach dem Brechungsgesetz exakt berechnet. Bei dieser Simulation ist niemand nass geworden. Nur Lumi, und Licht trocknet schnell.

Versuch 1: Das Brechungsgesetz

Lumi geht baden

Ziehe den Laser auf der Winkelscheibe hin und her (oder nimm den Schieberegler), wähle Stoff und Farbe und schicke Lumi los. Achte darauf, wie langsam Lumi im Stoff wird!

Einstellungen

40°
Stoff unter der Grenzfläche
Farbe des Laserlichts
Einfallswinkel40°
Brechungswinkel–
Knick–
Licht im Wasser–

Messtabelle

Wie im echten Versuch: Stelle verschiedene Einfallswinkel ein und notiere jeweils den Brechungswinkel.

ÜbergangFarbeαβ
Noch keine Messwerte.

Kleiner Unterschied, große Wirkung

So stark werden die einzelnen Farben beim eingestellten Winkel gebrochen:

FarbeBrechungswinkel β

Die Unterschiede sind winzig, aber es gibt sie: Violett wird immer ein bisschen stärker gebrochen als Rot. Im Prisma (Versuch 3) wird aus diesem kleinen Unterschied ein ganzer Regenbogen.

Merke – das Brechungsgesetz:
  • Geht Licht schräg von Luft in Wasser oder Glas, wird es zum Lot hin gebrochen. Der Brechungswinkel ist kleiner als der Einfallswinkel: β < α.
  • Geht Licht schräg aus Wasser oder Glas in Luft, wird es vom Lot weg gebrochen: β > α.
  • Trifft Licht senkrecht auf die Grenzfläche (α = 0°), geht es ungebrochen weiter.
  • Beide Winkel werden immer zum Lot gemessen. Der Lichtweg ist umkehrbar.
  • Je größer der Einfallswinkel, desto größer der Brechungswinkel. In Diamant knickt das Licht stärker ab als in Glas, in Glas stärker als in Wasser.

Versuch 2: Warum knickt das Licht ab?

Lumis Bollerwagen

Lass den Wagen schräg von der Straße auf den Rasen rollen. Beobachte die beiden Radspuren: Welches Rad wird zuerst langsamer?

Einstellungen

45°

Ein Lichtbündel verhält sich wie der Wagen: In Wasser oder Glas ist Licht langsamer als in Luft. Trifft das Bündel schräg auf die Grenzfläche, wird die Seite zuerst gebremst, die zuerst ankommt. Dadurch schwenkt das ganze Bündel zum Lot hin. Senkrecht kommen beide Seiten gleichzeitig an: kein Knick.

Versuch 3: Das Prisma zerlegt weißes Licht

Lumi und die Farbfamilie

Ziehe die Lampe nach oben oder unten und neige sie mit dem Schieberegler. Vergleiche weißes Licht mit einfarbigem Licht!

Einstellungen

Licht der Lampe
24°

„Farben deutlicher“ zieht die Farben etwas weiter auseinander als in Wirklichkeit, damit man sie auf dem Bildschirm gut erkennt.

Das Spektrum

RotOrangeGelbGrünBlauViolett

Weißes Licht, zum Beispiel Sonnenlicht, ist ein Gemisch aus allen Farben. Im Prisma wird jede Farbe etwas anders gebrochen: Rot am schwächsten, Violett am stärksten. So fächert das Licht auf, und auf dem Schirm entsteht ein Farbband, das Spektrum. Diese Farbzerlegung heißt Dispersion.

Schon Isaac Newton hat um 1666 gezeigt: Schickt man nur eine Farbe, etwa Rot, durch ein zweites Prisma, bleibt sie rot. Einfarbiges Licht lässt sich nicht weiter zerlegen.

Dispersion im Alltag

Regenbogen

Jeder Regentropfen bricht das Sonnenlicht wie ein winziges Prisma. Deshalb steht die Sonne beim Regenbogen immer in deinem Rücken.

Funkelnder Diamant

Diamant bricht das Licht sehr stark und zerlegt es besonders gut in Farben. Darum blitzt ein geschliffener Diamant bunt.

Bunte Ränder

An den Kanten eines Aquariums, einer Glasvase oder eines Wasserglases siehst du manchmal farbige Säume. Auch das ist Dispersion.

Merke – Brechung am Prisma und Dispersion:
  • Ein Prisma lenkt Licht zweimal ab: beim Eintritt und beim Austritt. Insgesamt wird das Licht zum dicken Ende des Prismas hin gebrochen.
  • Weißes Licht besteht aus vielen Farben, den Spektralfarben: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Violett.
  • Jede Farbe wird verschieden stark gebrochen: Violett am stärksten, Rot am schwächsten. Diese Zerlegung heißt Dispersion.
  • Einfarbiges Licht wird vom Prisma nur abgelenkt, aber nicht weiter zerlegt.

Versuch 4: Totalreflexion

Lumi will raus

Das Licht kommt diesmal aus dem Glas und will in die Luft. Ziehe den Laser auf der Skala oder lass den Winkel langsam wachsen. Was passiert beim Grenzwinkel?

Einstellungen

30°
Halbzylinder aus
Einfallswinkel30°
Brechungswinkel–
Grenzwinkel–
zurückgeworfen–

Lumi und das Umkehrprisma

Ziehe die Lampe nach oben oder unten und kippe sie ein wenig. Achte auf dem Schirm links darauf, wo Rot (oben) und Blau (unten) ankommen.

Einstellungen

0°
Prisma aus

Ein Umkehrprisma ist ein Glaskörper mit einem rechten Winkel. Das Licht trifft innen mit 45° auf die kurzen Seiten. Das ist mehr als der Grenzwinkel von Glas (etwa 42°), also wird es dort totalreflektiert, ganz ohne Spiegelbeschichtung und ohne Lichtverlust. Umkehrprismen stecken in Ferngläsern, wo sie das Bild umdrehen, und viele kleine davon in Fahrradrückstrahlern.

Lumi im Lichtleiter

Mach die Kurve des Glasstabs enger. Ab wann schafft Lumi die Kehrtwende nicht mehr?

Einstellungen

12,0 cm
20°

So funktionieren Glasfaserkabel: Haarfeine Glasfasern leiten Licht über viele Kilometer, auch um Ecken. Mit Lichtblitzen werden so Internet und Telefon übertragen. Ärzte schauen mit einem Endoskop durch Glasfasern sogar in den Magen.

Merke – Totalreflexion:
  • Geht Licht von Wasser oder Glas in Luft, wird es vom Lot weg gebrochen. Ein kleiner Teil wird immer auch reflektiert.
  • Wird der Einfallswinkel größer, läuft der gebrochene Strahl immer flacher. Beim Grenzwinkel streift er genau an der Grenzfläche entlang.
  • Ist der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel, kommt kein Licht mehr heraus. Das ganze Licht wird reflektiert: Totalreflexion.
  • Grenzwinkel: Wasser etwa 49°, Glas etwa 42°, Diamant etwa 24°.
  • Ein Umkehrprisma wirft Licht durch zweimalige Totalreflexion dorthin zurück, wo es herkam. Dabei werden oben und unten vertauscht.
  • Totalreflexion gibt es nur, wenn Licht aus dem Stoff herauskommen will, also z. B. von Glas in Luft, nie von Luft in Glas.

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