PhysikKlasse 6–10

Reflexion am ebenen Spiegel

Laser auf den Spiegel, Winkel messen: Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel, jedes Mal. Und warum steht die Kerze im Spiegel genauso weit hinten?

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Worum geht es?

Trifft Licht auf einen Spiegel, wird es reflektiert (zurückgeworfen). Um die Richtungen genau zu beschreiben, zeichnet man im Auftreffpunkt das Einfallslot (kurz Lot) – die Senkrechte auf die Spiegelfläche. Gemessen werden beide Winkel zum Lot, nicht zur Spiegelfläche:

  • Einfallswinkel α\alpha: zwischen einfallendem Strahl und Lot,
  • Reflexionswinkel α′\alpha': zwischen Lot und reflektiertem Strahl.

Reflexionsgesetz: Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß,

α′=α.\alpha' = \alpha .

Einfallender Strahl, Lot und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene. Der Lichtweg ist umkehrbar: Schickt man das Licht rückwärts, läuft es denselben Weg zurück. Dreht man den Spiegel um einen Winkel φ\varphi, dreht sich das Lot mit – der reflektierte Strahl dreht sich deshalb um 2φ2\varphi.

Spiegelbild. Von jedem Punkt einer Kerze geht Licht in alle Richtungen. Das Licht, das nach der Reflexion ins Auge fällt, scheint geradlinig von einem Punkt hinter dem Spiegel zu kommen: dem Bildpunkt. Das Auge „verlängert“ die ankommenden Strahlen nach hinten (in der Simulation gestrichelt). Konstruktion: Lot vom Gegenstandspunkt auf den Spiegel fällen und genauso weit hinter dem Spiegel abtragen. Für die Gegenstandsweite gg und die Bildweite bb gilt

b=g.b = g .

Das Bild am ebenen Spiegel ist virtuell (scheinbar: dort kommt kein Licht an, man kann es nicht auf einem Schirm auffangen), aufrecht und gleich groß. Oft heißt es, das Spiegelbild sei „seitenverkehrt“. Genau genommen sind vorne und hinten vertauscht: Eine rechte Hand erscheint im Spiegel als linke.

Wie groß muss ein Spiegel sein? Nur der Teil des Spiegels zählt, an dem Licht vom Gegenstand ins Auge reflektiert wird. Für einen Ganzkörperspiegel gilt eine überraschend einfache Regel: Er muss nur halb so groß sein wie die Person – egal, wie weit sie entfernt steht.

Winkelspiegel. Zwei Spiegel stehen unter dem Winkel φ\varphi zueinander. Licht kann nacheinander an beiden Spiegeln reflektiert werden; dabei entstehen Bilder von Bildern. Ist 360∘:φ360^\circ : \varphi eine gerade Zahl, sieht man

n=360∘φ−1n = \frac{360^\circ}{\varphi} - 1

Bilder, z. B. 3 Bilder bei 90∘90^\circ und 5 Bilder bei 60∘60^\circ. Ist 360∘:φ360^\circ : \varphi keine gerade Zahl, hängt die Anzahl davon ab, wo die Figur steht. Bilder nach einer ungeraden Zahl von Spiegelungen sind seitenverkehrt, Bilder nach einer geraden Zahl nicht – zwei Spiegelungen heben sich auf. So funktioniert ein Kaleidoskop.

Ausprobieren

  1. Ziehe den Laser um die Scheibe und nimm mit Messwert aufnehmen mehrere Messwerte auf. Was zeigt das Diagramm? Reflexionsgesetz
  2. Blende die Winkel zur Spiegelfläche ein. Wie hängen sie mit α\alpha zusammen? Winkel zur Spiegelfläche
  3. Drehe den Spiegel am rechten Ende. Um wie viel Grad dreht sich der reflektierte Strahl? Spiegel um 15° gedreht
  4. Was passiert, wenn der Laser von hinten auf den Spiegel zeigt? Laser hinter dem Spiegel
  5. Ziehe die Kerze näher an den Spiegel. Wo liegt jetzt ihr Spiegelbild? Kerze vor dem Spiegel
  6. Schiebe Ober- und Unterkante des Spiegels zusammen. Wann sieht das Auge nur noch einen Teil der Kerze? Zu kleiner Spiegel
  7. Tippe im Winkelspiegel auf die Bilder und verfolge ihre Lichtwege. Welche Bilder sind seitenverkehrt? Winkelspiegel 90°
  8. Drücke Abspielen: Der Winkel zwischen den Spiegeln ändert sich. Bei welchen Winkeln stimmt die Formel genau? Winkelspiegel 120°

Aufgaben

Aufgabe 1: Flach auf den Spiegel

Ein Lichtstrahl trifft so auf einen Spiegel, dass er mit der Spiegelfläche einen Winkel von 25∘25^\circ einschließt. Wie groß sind Einfalls- und Reflexionswinkel? Welchen Winkel schließen einfallender und reflektierter Strahl ein?

Lösung anzeigen

Die Winkel werden zum Lot gemessen: α=90∘−25∘=65∘\alpha = 90^\circ - 25^\circ = 65^\circ und nach dem Reflexionsgesetz α′=65∘\alpha' = 65^\circ. Zwischen den beiden Strahlen liegen α+α′=130∘\alpha + \alpha' = 130^\circ. In der Simulation zeigen

Aufgabe 2: Spiegel drehen

Ein Laser trifft unter α=30∘\alpha = 30^\circ auf einen Spiegel. Nun wird der Spiegel um 10∘10^\circ gedreht, sodass der Einfallswinkel kleiner wird. Wie groß ist der neue Einfallswinkel? Um wie viel Grad dreht sich der reflektierte Strahl? Aufgabe laden

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Das Lot dreht sich mit dem Spiegel um 10∘10^\circ auf den Laser zu, also ist α=30∘−10∘=20∘\alpha = 30^\circ - 10^\circ = 20^\circ und α′=20∘\alpha' = 20^\circ. Vorher lag der reflektierte Strahl 30∘30^\circ rechts von der Senkrechten des Tisches, jetzt liegt er 20∘20^\circ rechts vom gedrehten Lot, also nur noch 10∘10^\circ rechts von der Senkrechten: Er hat sich um 20∘20^\circ gedreht – doppelt so viel wie der Spiegel. In der Simulation zeigen

Aufgabe 3: Auf den Spiegel zugehen

Lena steht 1,5 m1{,}5\,\text{m} vor einem großen Wandspiegel. Wie weit ist sie von ihrem Spiegelbild entfernt? Sie geht mit 1 ms1\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}} auf den Spiegel zu. Wie schnell nähert sie sich ihrem Spiegelbild?

Lösung anzeigen

Das Bild liegt b=g=1,5 mb = g = 1{,}5\,\text{m} hinter dem Spiegel, also 3 m3\,\text{m} von Lena entfernt. Geht Lena 1 m1\,\text{m} auf den Spiegel zu, kommt auch ihr Bild 1 m1\,\text{m} näher: Der Abstand schrumpft um 2 m2\,\text{m} pro Sekunde, sie nähern sich mit 2 ms2\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}. Kerze bewegen

Aufgabe 4: Der Ganzkörperspiegel

Tom ist 1,70 m1{,}70\,\text{m} groß, seine Augen sind 1,60 m1{,}60\,\text{m} über dem Boden. Wie hoch muss ein Spiegel mindestens sein, damit Tom sich ganz sehen kann? In welcher Höhe muss die Unterkante hängen? Tipp: Zeichne die Sehstrahlen vom Fuß und vom Scheitel.

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Das Licht vom Fuß trifft den Spiegel auf halber Augenhöhe, denn Einfalls- und Reflexionswinkel sind gleich: Unterkante bei 0,80 m0{,}80\,\text{m}. Das Licht vom Scheitel trifft ihn in der Mitte zwischen Augen und Scheitel, bei 1,65 m1{,}65\,\text{m}. Der Spiegel muss also nur 0,85 m0{,}85\,\text{m} hoch sein – die halbe Körpergröße, und das bei jedem Abstand. In der Simulation steht das Auge dazu genau über der Kerze (40 cm40\,\text{cm} hoch, Kerze 30 cm30\,\text{cm}): Gebraucht wird der Spiegel von 20 cm20\,\text{cm} bis 35 cm35\,\text{cm}. Modell zeigen · Weiter weg

Aufgabe 5: Bilder im Winkelspiegel

a) Wie viele Bilder entstehen bei 45∘45^\circ? b) Unter welchem Winkel muss man zwei Spiegel aufstellen, damit man 5 Bilder sieht? c) Bei einem Kaleidoskop sieht man ein Muster mit sechs gleichen Teilen. Welchen Winkel haben die Spiegel?

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a) 360∘:45∘−1=7360^\circ : 45^\circ - 1 = 7 Bilder. b) 360∘:φ=6360^\circ : \varphi = 6, also φ=60∘\varphi = 60^\circ. c) Figur und 5 Bilder ergeben 6 Teile: wieder 60∘60^\circ. 45° zeigen · 60° zeigen

Aufgabe 6: Sich selbst richtig herum sehen

Schaut man in einen Winkelspiegel mit 90∘90^\circ, sieht man sich im mittleren Bild so, wie andere einen sehen: Hebt man die rechte Hand, hebt das Bild – wie ein echtes Gegenüber – seine rechte Hand. Im gewöhnlichen Spiegel scheint das Bild dagegen die linke Hand zu heben. Erkläre, warum.

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Das mittlere Bild entsteht durch zwei Spiegelungen (erst an einem, dann am anderen Spiegel). Jede Spiegelung vertauscht einmal – zwei Vertauschungen heben sich auf. Das Bild ist nur um 180∘180^\circ gedreht. Tippe in der Simulation auf das Bild mit der „2“. 90° zeigen

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Optik im Anfangsunterricht (Reflexion, Spiegelbild), meist in den ersten Physikjahren oder vorbereitend im naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht. Teil 1 eignet sich als Ersatz oder Ergänzung zum Schülerversuch mit der optischen Scheibe, Teil 2 zum Üben der Bildkonstruktion, Teil 3 als Vertiefung.
  • Optische Scheibe: Die Scheibe dreht sich mit dem Spiegel, die Skala zeigt also immer den Winkel zum Lot. Die Messwerte sind ideal (α′=α\alpha' = \alpha); im Realexperiment lohnt sich ein Vergleich mit Messabweichungen. Zeigt der Laser auf die Rückseite, wird nichts reflektiert.
  • Spiegelbild: Kerze, Auge und Spiegel lassen sich ziehen. „Konstruktion“ zeigt Lot und Abstände sowie an den Auftreffpunkten Lot und gleiche Winkel. Der Sichtbereich wird mit dem Bild des Auges konstruiert: Alles, was in diesem Bereich steht, sieht das Auge im Spiegel.
  • Winkelspiegel: Draufsicht; die Zahl am Bild ist die Anzahl der Spiegelungen. Die Spiegel sind endlich lang, daher sind vom Auge aus nicht immer alle Bilder zu sehen. Im Diagramm sind nur die eindeutigen Fälle hervorgehoben, bei denen 360∘:φ360^\circ : \varphi eine gerade Zahl ist (30°, 36°, 45°, 60°, 90°, 180°). Die übrigen Winkel sind ausgegraut: Dort hängt die Zahl der Bilder von der Lage der Figur ab und kann von 360∘:φ−1360^\circ : \varphi - 1 abweichen.
  • Häufige Stolpersteine:
    • „Der Einfallswinkel wird zur Spiegelfläche gemessen.“ – Beide Winkel werden zum Lot gemessen.
    • „Das Spiegelbild liegt auf der Spiegeloberfläche.“ – Es liegt so weit hinter dem Spiegel wie der Gegenstand davor.
    • „Geht man weiter weg, sieht man mehr von sich.“ – Der nötige Teil des Spiegels bleibt die halbe Körpergröße.
    • „Der Spiegel vertauscht links und rechts.“ – Er vertauscht vorne und hinten.