Reflexion und Brechung üben: typische Fehler und Übungsmix

Einstieg

Reflexion und Brechung begegnen dir täglich: im Badezimmerspiegel, im Rückspiegel eines Autos, im Wasserglas und am Seeufer. In dieser Lektion wiederholst du die Regeln, lernst die häufigsten Fehler kennen und übst gemischte Aufgaben.

Erklärung

Das Wichtigste auf einen Blick

Thema	Regel
Sehen	Licht muss vom Gegenstand in das Auge fallen. Aus dem Auge kommt kein Licht.
Ausbreitung	Licht breitet sich geradlinig aus. Der Lichtstrahl ist ein Modell.
Reflexion	Einfallswinkel = Reflexionswinkel, gemessen zum Lot.
Streuung	Raue Flächen werfen Licht in viele Richtungen zurück.
Spiegelbild	aufrecht, gleich groß, gleich weit hinter dem Spiegel, scheinbar
Brechung	Luft → Wasser oder Glas: zum Lot hin. Wasser oder Glas → Luft: vom Lot weg. Senkrecht: keine Richtungsänderung.
Farben	Weißes Licht ist ein Gemisch. Ein Prisma trennt die Farben.

Vorgehen beim Zeichnen eines Lichtwegs

1. Grenzfläche oder Spiegel zeichnen.
2. Am Auftreffpunkt das Lot senkrecht dazu einzeichnen (gestrichelt).
3. Den einfallenden Strahl mit Pfeil einzeichnen und den Winkel zum Lot messen.
4. Reflexion: gleichen Winkel auf der anderen Seite des Lots abtragen. Brechung: Winkel aus der Tabelle oder der Regel (zum Lot hin, vom Lot weg) auf der anderen Seite des Lots im anderen Stoff abtragen.
5. Pfeile in Ausbreitungsrichtung setzen.

Typische Fehler

Fehler 1: Winkel zur Fläche statt zum Lot. Wer 30° zur Spiegelfläche misst, meint einen Einfallswinkel von 60°.

Fehler 2: Sehstrahlen aus dem Auge. Pfeile zeigen immer vom Gegenstand zum Auge, nie umgekehrt.

Fehler 3: „Im Spiegel sind links und rechts vertauscht.“ Vertauscht sind vorne und hinten.

Fehler 4: „Das Spiegelbild ist auf dem Glas.“ Es liegt hinter dem Spiegel, so weit hinten wie der Gegenstand davor.

Fehler 5: Brechung in die falsche Richtung. Merke: In Wasser und Glas läuft der Strahl steiler, also näher am Lot.

Fehler 6: Brechung bei senkrechtem Einfall. Senkrecht einfallendes Licht geht ohne Knick hindurch.

Fehler 7: „Das Prisma färbt das Licht.“ Die Farben sind schon im weißen Licht enthalten.

Sicherheit, noch einmal

• Nie direkt in die Sonne schauen, auch nicht durch Linsen, Ferngläser oder mit gefärbter Folie. Mit Spiegeln und Linsen kein Sonnenlicht auf Menschen oder brennbare Dinge lenken.
• Laser nur durch die Lehrkraft (Klassen 1, 1M, 2, 2M). Nie in direkte oder gespiegelte Laserstrahlen schauen.
• Experimentierleuchten werden heiß.

Beispiele

Beispiel 1: Reflexion vollständig gelöst

Aufgabe: Ein Strahl bildet mit dem Spiegel 20°. Wie groß ist der Winkel zwischen einfallendem und reflektiertem Strahl?

Lösung: Einfallswinkel $\alpha = 90° - 20° = 70°$, Reflexionswinkel ebenfalls 70°. Zwischen den beiden Strahlen liegen $70° + 70° = 140°$.

Beispiel 2: Brechung vollständig gelöst

Aufgabe: Licht fällt mit 30° zum Lot von Luft in Wasser. Gib die Richtung im Wasser an und erkläre die Richtung des reflektierten Anteils.

Lösung: Laut Tabelle ist $\beta \approx 22°$. Der Strahl wird zum Lot hin gebrochen. Ein kleiner Teil wird reflektiert, er läuft in Luft mit 30° zum Lot auf der anderen Seite des Lots weiter.

Merksatz

Beim Zeichnen von Lichtwegen gilt immer: Lot einzeichnen, Winkel zum Lot messen, Pfeile vom Gegenstand zum Auge. Spiegel werfen das Licht unter gleichem Winkel zurück, beim Übergang in Wasser oder Glas wird Licht zum Lot hin gebrochen.

Übungen

Grundlagen

1. Ergänze: Bei der Reflexion ist der ________ gleich dem ________. Beide werden zum ________ gemessen.
2. Entscheide richtig oder falsch und verbessere: a) Ein Blatt Papier reflektiert Licht gerichtet. b) Das Bild im ebenen Spiegel ist kleiner als der Gegenstand. c) Senkrecht einfallendes Licht wird nicht gebrochen.
3. Ein Strahl trifft mit 45° zum Lot auf einen Spiegel. Welchen Winkel schließen einfallender und reflektierter Strahl ein?

Weiter

4. Ein Strahl bildet mit der Wasseroberfläche einen Winkel von 40° und geht von Luft in Wasser. Bestimme den Einfallswinkel und mit der Tabelle aus Lektion 4 den Brechungswinkel.
5. Erkläre mit dem Sender-Empfänger-Modell, warum man nachts eine beleuchtete Person auf der Straße sieht, aber die Person in einem dunklen Auto nicht sieht, das neben einem steht.
6. Ein Fisch schwimmt 60 cm unter der Wasseroberfläche. Wie tief scheint er von oben betrachtet ungefähr zu sein?

Knobeln

7. Zwei Spiegel bilden einen rechten Winkel. Ein Strahl trifft unter 30° zum Lot auf den ersten Spiegel. Bestimme den Einfallswinkel am zweiten Spiegel.
8. Erkläre, warum ein Diamant so stark funkelt. Nutze die Begriffe Brechung, Totalreflexion und Farben.

Lösungen

1. Einfallswinkel, Reflexionswinkel, Lot.
2. a) Falsch: Papier streut das Licht. b) Falsch: Das Bild ist gleich groß. c) Richtig.
3. $45° + 45° = 90°$.
4. $\alpha = 90° - 40° = 50°$. Laut Tabelle $\beta \approx 35°$.
5. Licht von den Straßenlaternen fällt auf die Person und wird von ihr gestreut. Ein Teil gelangt in dein Auge, du siehst sie. Im dunklen Auto fällt kaum Licht auf die Person, also kommt auch fast kein Licht von ihr in dein Auge.
6. Um etwa ein Viertel flacher: $60\,\text{cm} - 15\,\text{cm} = 45\,\text{cm}$.
7. Der reflektierte Strahl bildet mit dem ersten Spiegel $90° - 30° = 60°$. Spiegel, Spiegel und Strahl bilden ein Dreieck mit dem rechten Winkel an der Ecke. Am zweiten Spiegel bildet der Strahl deshalb $180° - 90° - 60° = 30°$ mit der Spiegelfläche. Der Einfallswinkel am zweiten Spiegel beträgt $90° - 30° = 60°$.
8. Diamant bricht Licht sehr stark. Licht, das von oben eintritt, wird an den schrägen Schliffflächen im Inneren oft vollständig reflektiert (Totalreflexion) und tritt oben wieder aus. Weil die Farben verschieden stark gebrochen werden, laufen sie auseinander. So sieht man helle, farbige Lichtpunkte.