Reflexionsgesetz: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel

Einstieg

Mit einem kleinen Spiegel kannst du einen hellen Sonnenfleck an die Wand werfen und ihn genau dorthin lenken, wo du willst. Beim Billard prallt die Kugel nach festen Regeln von der Bande ab. Licht verhält sich an einem Spiegel ganz ähnlich. Wenn du die Regel kennst, kannst du vorhersagen, wohin das Licht läuft.

Erklärung

Reflexion und Streuung

Trifft Licht auf eine Oberfläche, wird ein Teil davon zurückgeworfen. Das nennt man Reflexion.

• An einer glatten, glänzenden Fläche (Spiegel, ruhige Wasseroberfläche, poliertes Metall) wird ein Lichtbündel als Ganzes in eine Richtung zurückgeworfen. Das ist die gerichtete Reflexion.
• An einer rauen Fläche (Papier, Wand, Stoff) wird das Licht in viele Richtungen zurückgeworfen. Das nennt man Streuung. Deshalb siehst du ein Blatt Papier von überall im Raum, einen Lichtfleck auf einem Spiegel aber nur aus einer bestimmten Richtung.

Ohne Streuung könnten wir die meisten Gegenstände gar nicht sehen.

Das Reflexionsgesetz

Um die Richtung genau anzugeben, zeichnet man am Auftreffpunkt eine Hilfslinie senkrecht zur Spiegelfläche. Sie heißt Einfallslot oder kurz Lot.

• Der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und dem Lot heißt Einfallswinkel $\alpha$ (Alpha).
• Der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem Lot heißt Reflexionswinkel $\alpha'$ (Alpha Strich).

Reflexionsgesetz:

1. Der Reflexionswinkel ist genauso groß wie der Einfallswinkel: $\alpha' = \alpha$.
2. Einfallender Strahl, Lot und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene.

Achtung: Die Winkel werden immer zum Lot gemessen, nicht zur Spiegelfläche.

Versuch mit der optischen Scheibe

Auf einer runden Winkelscheibe ist ein kleiner Spiegel befestigt. Eine Experimentierleuchte mit Spaltblende erzeugt ein schmales Lichtbündel.

1. Stelle Einfallswinkel von 10°, 20°, 30°, 45°, 60° ein und lies jeweils den Reflexionswinkel ab.
2. Trage die Werte in eine Tabelle ein.

Beispielmessung:

Einfallswinkel $\alpha$	10°	20°	30°	45°	60°
Reflexionswinkel $\alpha'$	10°	21°	30°	44°	60°

Kleine Abweichungen von 1° entstehen durch Ablesefehler und die Breite des Lichtbündels.

Sicherheit: Die Experimentierleuchte wird heiß. Fass das Gehäuse nur am Griff an und lass sie nach dem Versuch abkühlen. Wird statt der Leuchte ein Laser verwendet, bedient ihn nur die Lehrkraft. In der Schule sind nur Laser der Klassen 1, 1M, 2 und 2M erlaubt. Schau nie in den direkten oder in einen gespiegelten Laserstrahl.

Beispiele

Beispiel 1: Winkel zur Spiegelfläche gegeben

Ein Lichtstrahl trifft unter 25° zur Spiegelfläche auf. Wie groß ist der Reflexionswinkel?

Lot und Spiegelfläche stehen senkrecht aufeinander, also bilden sie 90°. Einfallswinkel: $\alpha = 90° - 25° = 65°$. Reflexionswinkel: $\alpha' = 65°$.

Beispiel 2: Senkrechter Einfall

Trifft ein Lichtstrahl senkrecht auf den Spiegel, läuft er genau auf dem Lot. Dann ist $\alpha = 0°$ und auch $\alpha' = 0°$: Der Strahl wird in sich selbst zurückgeworfen.

Beispiel 3: Zwei Spiegel im rechten Winkel

Zwei Spiegel stehen wie die Ecke eines Kastens im rechten Winkel zueinander. Ein Lichtstrahl, der auf einen Spiegel fällt, wird an beiden Spiegeln reflektiert und läuft danach parallel zur Einfallsrichtung zurück, nur seitlich versetzt. Auf diesem Prinzip beruhen Fahrradreflektoren: Dort stehen in jedem kleinen Element drei Flächen senkrecht zueinander.

Merksatz

An glatten Flächen wird Licht gerichtet reflektiert, an rauen Flächen gestreut. Reflexionsgesetz: Der Reflexionswinkel ist gleich dem Einfallswinkel. Beide Winkel werden zum Lot gemessen, das senkrecht auf der Spiegelfläche steht.

Übungen

Grundlagen

1. Erkläre den Unterschied zwischen gerichteter Reflexion und Streuung an je einem Beispiel.
2. Ein Lichtstrahl fällt mit $\alpha = 35°$ auf einen Spiegel. Gib den Reflexionswinkel an.
3. Was ist das Lot, und warum braucht man es?

Weiter

4. Ein Lichtstrahl bildet mit der Spiegelfläche einen Winkel von 50°. Berechne Einfalls- und Reflexionswinkel.
5. Einfallender und reflektierter Strahl schließen zusammen einen Winkel von 70° ein. Wie groß ist der Einfallswinkel?
6. Zeichne einen Spiegel, das Lot und einen Strahl mit $\alpha = 30°$. Konstruiere den reflektierten Strahl mit dem Geodreieck.

Knobeln

7. Ein Auto fährt nachts auf einer nassen Straße. Die Fahrerin wird von den Scheinwerfern des Gegenverkehrs stärker geblendet als auf trockener Straße. Erkläre mit Reflexion und Streuung.
8. Sonnenlicht fällt von links oben unter 30° zum Boden ein. Ein Spiegel auf dem Boden soll es so umlenken, dass es waagerecht nach rechts weiterläuft, in einen dunklen Flur. Wie stark muss der Spiegel gegen den Boden geneigt sein? Fertige eine Skizze an.

Lösungen

1. Gerichtete Reflexion: Ein Spiegel wirft ein Lichtbündel als Ganzes in eine Richtung zurück. Streuung: Ein Blatt Papier wirft das Licht in viele Richtungen zurück.
2. $\alpha' = \alpha = 35°$.
3. Das Lot ist eine gedachte Linie, die am Auftreffpunkt senkrecht auf der Spiegelfläche steht. Von ihm aus misst man Einfalls- und Reflexionswinkel.
4. $\alpha = 90° - 50° = 40°$, $\alpha' = 40°$.
5. Der Winkel wird vom Lot halbiert: $\alpha = 70° : 2 = 35°$.
6. Der reflektierte Strahl liegt auf der anderen Seite des Lots und bildet mit ihm ebenfalls 30°.
7. Eine nasse Straße ist glatt wie ein Spiegel. Das Scheinwerferlicht wird gerichtet reflektiert, ein großer Teil gelangt gebündelt in die Augen der Fahrerin. Eine trockene, raue Straße streut das Licht in viele Richtungen, ins Auge gelangt weniger.
8. Am Auftreffpunkt schließen der einfallende Strahl (zurück nach links oben, 30° über dem Boden) und der reflektierte Strahl (waagerecht nach rechts) einen Winkel von 180° − 30° = 150° ein. Das Lot halbiert diesen Winkel, also ist $\alpha = \alpha' = 75°$. Das Lot ist damit 75° gegen den waagerechten reflektierten Strahl geneigt. Der Spiegel steht senkrecht zum Lot und ist deshalb nur um 90° − 75° = 15° gegen den Boden geneigt, mit der höheren Seite links, zur Sonne hin.