PhysikKlasse 6–10

Brechung und Totalreflexion

Ein Lichtstrahl knickt beim Übergang in Glas oder Wasser ab. Bei flachem Winkel kann er nicht mehr hinaus: Totalreflexion, wie in der Glasfaser.

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Worum geht es?

Trifft Licht schräg auf die Grenzfläche zweier durchsichtiger Stoffe, wird es teilweise reflektiert und teilweise gebrochen, also abgeknickt. Alle Winkel misst man zum Lot, der Senkrechten auf der Grenzfläche. Für die Reflexion gilt α′=α\alpha' = \alpha, für die Brechung das Brechungsgesetz von Snellius:

n1⋅sin⁡α=n2⋅sin⁡βn_1 \cdot \sin\alpha = n_2 \cdot \sin\beta

Die Brechzahl nn sagt, wie stark das Licht im Stoff langsamer ist: c=c0nc = \frac{c_0}{n}, in Wasser also c=299 792 458 m/s1,33≈2,25⋅108 msc = \frac{299\,792\,458\,\text{m/s}}{1{,}33} \approx 2{,}25 \cdot 10^8\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}. Luft hat genau genommen n=1,0003n = 1{,}0003; in der Schule und in der Simulation rechnet man mit n=1,00n = 1{,}00. Für Glas nimmt die Simulation Kronglas mit n=1,52n = 1{,}52 (oft wird auch mit n≈1,5n \approx 1{,}5 gerechnet). Beim Übergang in den optisch dichteren Stoff (größeres nn) wird das Licht zum Lot hin gebrochen, sonst vom Lot weg. Mit Wellenfronten (Huygens) sieht man den Grund: Im dichteren Stoff rücken die Fronten enger zusammen (λ2=λ1⋅n1n2\lambda_2 = \lambda_1 \cdot \frac{n_1}{n_2}) und knicken an der Grenzfläche ab.

Trägt man sin⁡β\sin\beta über sin⁡α\sin\alpha auf, ergibt sich eine Ursprungsgerade mit der Steigung n1n2\frac{n_1}{n_2} – so lässt sich eine unbekannte Brechzahl messen.

Totalreflexion: Vom dichteren in den dünneren Stoff gibt es einen Grenzwinkel αG\alpha_G mit sin⁡αG=n2n1\sin\alpha_G = \frac{n_2}{n_1}: Wasser → Luft 48,8∘48{,}8^\circ, Glas → Luft 41,1∘41{,}1^\circ (mit n=1,5n = 1{,}5 gerechnet: 41,8∘41{,}8^\circ), Diamant → Luft 24,4∘24{,}4^\circ. Ist α>αG\alpha > \alpha_G, wird alles Licht reflektiert. Das nutzen Glasfasern, Umlenkprismen und geschliffene Diamanten.

Wie viel Licht reflektiert wird, beschreiben die Fresnel-Formeln. Bei senkrechtem Einfall auf Glas sind es (1,52−11,52+1)2≈4,3 %\left(\frac{1{,}52 - 1}{1{,}52 + 1}\right)^2 \approx 4{,}3\,\%. Kurz vor dem Grenzwinkel steigt der Anteil steil auf 100 %100\,\%.

Ausprobieren

  1. Ziehe den Laser über den Winkelmesser. Wann wird das Licht zum Lot hin gebrochen, wann vom Lot weg? Was passiert bei α=0∘\alpha = 0^\circ? Senkrechter Einfall
  2. Schalte die Wellenfronten ein. Wo liegen sie enger beieinander? Wellenfronten
  3. Lass das Licht aus dem Glas kommen und vergrößere α\alpha langsam. Beobachte den Punkt im Diagramm β\beta über α\alpha – wo endet die Kurve? Snellius-Diagramm
  4. Biege den Lichtleiter aus Plexiglas immer enger (am blauen Griff ziehen). Ab wann geht Licht verloren? Lichtleiter
  5. Vergleiche den Brillanten aus Glas und aus Diamant. Diamant · Glas
  6. Schicke weißes Licht durch ein Glasprisma. Welche Farbe wird am stärksten abgelenkt? Prisma
  7. Miss an einer unbekannten Probe mindestens drei Wertepaare (α∣β)(\alpha \mid \beta). Liegen die Punkte im Diagramm sin⁡β\sin\beta über sin⁡α\sin\alpha auf einer Ursprungsgeraden? Unbekannte Probe
  8. Drehe den Laser an der planparallelen Platte. Bleibt der austretende Strahl parallel zum einfallenden? Wann ist der Versatz am größten? Platte

Aufgaben

Aufgabe 1: Brechungswinkel berechnen

Licht fällt aus Luft unter α=40∘\alpha = 40^\circ auf Wasser (n=1,33n = 1{,}33). Berechne den Brechungswinkel. Aufgabe laden

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sin⁡β=1,00⋅sin⁡40∘1,33≈0,483⇒β≈28,9∘\sin\beta = \frac{1{,}00 \cdot \sin 40^\circ}{1{,}33} \approx 0{,}483 \quad\Rightarrow\quad \beta \approx 28{,}9^\circ

Aufgabe 2: Grenzwinkel

Berechne den Grenzwinkel der Totalreflexion für den Übergang Glas → Luft und prüfe ihn in der Simulation. Aufgabe laden

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sin⁡αG=1,001,52⇒αG≈41,1∘\sin\alpha_G = \frac{1{,}00}{1{,}52} \quad\Rightarrow\quad \alpha_G \approx 41{,}1^\circ

Ab diesem Winkel verschwindet der gebrochene Strahl. Totalreflexion zeigen

Aufgabe 3: Unbekannter Stoff

Eine Gruppe misst an Probe 3: α=30∘→β=20,0∘\alpha = 30^\circ \to \beta = 20{,}0^\circ, α=50∘→β=31,5∘\alpha = 50^\circ \to \beta = 31{,}5^\circ, α=70∘→β=39,5∘\alpha = 70^\circ \to \beta = 39{,}5^\circ. Bestimme die Brechzahl aus der Steigung von sin⁡β\sin\beta über sin⁡α\sin\alpha. Selbst messen

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Wertepaare (sin⁡α∣sin⁡β)(\sin\alpha \mid \sin\beta): (0,500∣0,342)(0{,}500 \mid 0{,}342), (0,766∣0,522)(0{,}766 \mid 0{,}522), (0,940∣0,636)(0{,}940 \mid 0{,}636). Die Ursprungsgerade hat die Steigung k≈0,680k \approx 0{,}680, also n=1k≈1,47n = \frac{1}{k} \approx 1{,}47 – das passt zu Glycerin (n=1,47n = 1{,}47).

Aufgabe 4: Reflexion an einer Glasscheibe

Wie viel Prozent des Lichts werden bei senkrechtem Einfall an einer Glasoberfläche reflektiert? Bei welchem Winkel ist das reflektierte Licht vollständig polarisiert (Brewster-Winkel tan⁡αB=n2n1\tan\alpha_B = \frac{n_2}{n_1})?

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R=(0,522,52)2≈0,0426=4,26 %R = \left(\frac{0{,}52}{2{,}52}\right)^2 \approx 0{,}0426 = 4{,}26\,\%. αB=arctan⁡1,52≈56,7∘\alpha_B = \arctan 1{,}52 \approx 56{,}7^\circ; dort ist der Anteil RpR_p null. Brewster-Winkel zeigen

Aufgabe 5: Glasfaser mit Mantel

Eine Faser hat einen Kern aus Glas (n=1,52n = 1{,}52) und einen Mantel mit n=1,49n = 1{,}49. Berechne den Grenzwinkel an der Wand und den größten Winkel θmax\theta_{max}, unter dem Licht aus Luft eingekoppelt werden darf (sin⁡θmax=nK2−nM2\sin\theta_{max} = \sqrt{n_K^2 - n_M^2}).

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αG=arcsin⁡1,491,52≈78,6∘\alpha_G = \arcsin\frac{1{,}49}{1{,}52} \approx 78{,}6^\circ – das Licht muss sehr flach auf die Wand treffen. sin⁡θmax=1,522−1,492≈0,300\sin\theta_{max} = \sqrt{1{,}52^2 - 1{,}49^2} \approx 0{,}300, also θmax≈17,5∘\theta_{max} \approx 17{,}5^\circ. Bei so kleinem Unterschied der Brechzahlen lassen schon sanfte Biegungen Licht austreten: Die Faser in der Simulation ist 1 mm1\,\text{mm} dick, und selbst bei R=15 mmR = 15\,\text{mm} kommt kein Licht am Ende an. Echte Glasfasern haben einen viel dünneren Kern (oft unter 0,01 mm0{,}01\,\text{mm}), darum vertragen sie Biegungen mit einigen Zentimetern Radius. Faser mit Mantel

Aufgabe 6: Der Fisch ist tiefer, als er aussieht

Ein Fisch schwimmt 1,00 m1{,}00\,\text{m} tief. Wie tief scheint er, wenn man fast senkrecht von oben schaut? Aufgabe laden

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Für kleine Winkel gilt h′≈h⋅nLuftnWasser=1,00 m1,33≈0,75 mh' \approx h \cdot \frac{n_\text{Luft}}{n_\text{Wasser}} = \frac{1{,}00\,\text{m}}{1{,}33} \approx 0{,}75\,\text{m}. Schaut man schräg (Licht unter 30∘30^\circ im Wasser), scheint er sogar nur 0,65 m0{,}65\,\text{m} tief. Fisch im Wasser

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Optik in der Mittelstufe (Brechung, Totalreflexion), vertiefend mit Brechungsgesetz, Messreihe und Anwendungen; der genaue Ort im Lehrplan unterscheidet sich je nach Land. Die Messreihe zur unbekannten Probe passt gut vor oder nach einem echten Versuch mit der optischen Scheibe.
  • Modell: Die Helligkeit der Strahlen folgt den Fresnel-Formeln für unpolarisiertes Licht. Glasfaser, Prisma und Brillant werden als 2D-Schnitt mit Strahlverfolgung gerechnet. Die Farbzerlegung nutzt für Kronglas die Cauchy-Formel – eine Näherung; die Farben liegen auf dem Schirm so eng, dass ein vergrößerter Ausschnitt gezeigt wird.
  • Häufige Stolpersteine:
    • Winkel werden zur Grenzfläche statt zum Lot gemessen.
    • „Bei Totalreflexion wird das Licht verschluckt.“ – Es wird vollständig reflektiert; auch sonst wird immer ein kleiner Teil reflektiert.
    • „Totalreflexion gibt es auch von Luft nach Wasser.“ – Nur beim Übergang ins optisch dünnere Medium.
    • „Licht ist im Glas schneller, weil es dichter ist.“ – Es ist langsamer: c=c0/nc = c_0/n.