Lichtbrechung

Lichtbrechung Übung

• Beschreibe, wie die Lichtbrechung funktioniert.

  Tipps

  Lösung

  Wenn Licht auf eine Wasseroberfläche trifft, wird ein Teil davon reflektiert und ein Teil geht hindurch. Die Wasseroberfläche bildet eine Grenzfläche zwischen einem optisch dünneren Medium, der Luft, und einem optisch dichteren Medium, dem Wasser. Beim Übergang verändert sich die Ausbreitungsrichtung des Lichts. Denn es ist für das Licht schwerer, das optisch dichtere Medium, also das Wasser, zu durchdringen.

  Der Lichtstrahl knickt deshalb ab – er wird gebrochen. Wenn Licht von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium einfällt, wird es zum Lot hin gebrochen. Auf umgekehrtem Weg wird das Licht vom Lot weg gebrochen, Brechungs- und Einfallswinkel sind dann vertauscht. In beiden Fällen gilt, dass der Brechungswinkel umso größer wird, je größer der Einfallswinkel ist.

• Vervollständige die Abbildung zur Lichtbrechung.

  Tipps

  Der Lichtstrahl wird gebrochen. Wenn wir ein Lot auf die Grenzfläche zeichnen, wo das einfallende Licht auftrifft, dann können wir zwischen dem Einfallswinkel $\alpha$ und dem Brechungswinkel $\beta$ unterscheiden.

  Lösung

  Wenn Licht auf eine Wasseroberfläche trifft, dann finden eine Teilreflexion und ein Teilübergang durch die Wasseroberfläche statt. Die Wasseroberfläche dient dabei als Grenzfläche zwischen einem optisch dünneren Medium, nämlich der Luft, und einem optisch dichteren Medium, dem Wasser.

  Beim Übergang ändert das Licht seine Ausbreitungsrichtung, da es für das Licht schwieriger ist, das optisch dichtere Medium, also das Wasser, zu durchdringen. Daher wird der Lichtstrahl gebrochen und knickt ab. Der Einfallswinkel des Lichts $\alpha$ und der Brechungswinkel des Lichts $\beta$ können anhand eines Lots gemessen werden, das an der Grenzfläche angebracht wird, wo das Licht auftrifft.

  Wenn der Übergang vom optisch dünneren zum optisch dichteren Medium erfolgt, dann wird das Licht zum Lot hin gebrochen. Das bedeutet, dass der Brechungswinkel $\beta$ kleiner ist als der Einfallswinkel $\alpha$. Wird jedoch der Einfallswinkel $\alpha$ größer, nimmt auch der Brechungswinkel $\beta$ zu. Dieser Brechungseffekt ist stärker ausgeprägt, je schräger das Licht auf die Grenzfläche trifft. Es findet keine Brechung statt, wenn das Licht senkrecht auf die Grenzfläche trifft.

• Entscheide, wohin man zielen müsste.

  Tipps

  Der Lichtweg führt über eine Grenze zwischen zwei durchsichtigen Stoffen. An dieser Grenze wird das Licht gebrochen.

  Dadurch erscheinen Objekte unter Wasser für uns an einer höheren Position, als sie tatsächlich sind.

  Lösung

  Um den schräg vor dir im Wasser schwimmenden Fisch zu treffen, müsstest du mit dem geradeaus fliegenden Pfeil unter den Fisch zielen: Der Pfeil sollte nicht direkt auf den Fisch gezielt werden, sondern leicht darunter, um den Fisch zu treffen.

  Dies liegt an der Brechung des Lichts an der Wasseroberfläche: Das Licht vom Fisch, welches unser Auge erreicht, führt von einem optisch dichteren Medium (Wasser) in ein optisch dünneres Medium (Luft). An der Grenze zwischen den zwei durchsichtigen Stoffen wird das Licht gebrochen. Die Richtung des Lichts ist deswegen beim Auge anders als beim Start am Fisch. Dadurch erscheinen Objekte unter Wasser für uns an einer höheren Position, als sie tatsächlich sind.

  Der Fisch im Wasser hat für die ihn betrachtende Person eine Position, die scheinbar höher ist als seine tatsächliche Position. Um diese scheinbare Verschiebung auszugleichen und den Fisch tatsächlich zu treffen, muss man den Pfeil leicht unter den Fisch zielen, sodass er die wahre Position des Fischs erreicht. Auf diese Weise korrigiert man die Brechung des Lichts und trifft den Fisch erfolgreich.

• Erläutere, welches der beiden Medien die größere optische Dichte besitzt.

  Tipps

  Wenn der Brechungswinkel kleiner ist als der Einfallswinkel, dann wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen.

  Wenn der Brechungswinkel größer ist als der Einfallswinkel, dann wird der Lichtstrahl vom Lot weg gebrochen.

  Lösung

  Das Medium 1 muss optisch dichter als das Medium 2 sein. Der Brechungswinkel $\boldsymbol {\beta}$ ist größer als der Einfallswinkel $\boldsymbol {\alpha}$. Der Lichtstrahl wird also vom Lot weg gebrochen.

• Erläutere, warum Objekte, die sich unter Wasser befinden, aus der Sicht einer betrachtenden Person an der Wasseroberfläche verschoben erscheinen.

  Tipps

  Es sind zwei Antworten richtig.

  Licht wird gebrochen und reflektiert.

  Lösung

  • Das Licht breitet sich in Wasser schneller als in Luft aus.

  $\Rightarrow$ Diese Aussage ist falsch: Das Licht breitet sich tatsächlich in Wasser langsamer als in Luft aus und nicht schneller. Das führt zu anderen Effekten wie der Brechung des Lichts, aber nicht zur Verschiebung von Objekten an der Wasseroberfläche.

  
  

  • Das Gehirn verlängert den gebrochenen Strahl geradlinig.

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig: Die scheinbare Verschiebung von Objekten unter Wasser wird durch die Lichtbrechung und ihre Interpretation durch unser Gehirn verursacht. Die vom Objekt unter Wasser ausgehenden, aber an der Wasseroberfläche vom Lot weg gebrochenen Lichtstrahlen werden durch das Gehirn geradlinig verlängert, ähnlich wie es auch bei Spiegelbildern oder virtuellen Bildern der Fall ist.

  
  

  • Der Lichtweg führt durch eine Grenze zwischen zwei durchsichtigen Stoffen, an der das Licht gebrochen wird.

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig: Wir sehen den Fisch unter Wasser, also erreicht Licht von dem Fisch unser Auge. Die Lichtstrahlen werden auf dem Weg durch das Wasser gebrochen, wenn sie von einem optisch dünneren Medium (Luft) in ein optisch dichteres Medium (Wasser) eintreten. Die Richtung des Lichts ist deswegen beim Auge anders als beim Start am Fisch.

  
  

  • Die Lichtintensität unter Wasser verringert sich.

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch: Die Lichtintensität unter Wasser kann sich zwar verringern, aber dies ist nicht der Grund für die Verschiebung von Objekten an der Wasseroberfläche.

• Erkläre das Funkeln der Sterne.

  Tipps

  Licht legt einen langen Weg zu uns auf die Erde zurück.

  Im luftleeren Raum findet keine Ablenkung des Lichts statt.

  Bevor das Licht bei uns auf der Erde ankommt, durchdringt es die Erdatmosphäre.

  Astronautinnen und Astronauten befinden sich im Weltall außerhalb der Erdatmosphäre.

  Lösung

  Das Funkeln der Sterne kann erklärt werden durch den langen Weg, den das Licht von den Sternen bis in unsere Augen zurücklegt. Der größte Teil dieser Strecke befindet sich im luftleeren Raum zwischen dem Stern und der Erde, wo keine Ablenkung des Lichts auftritt.

  Auf dem letzten Teilstück muss das Licht jedoch die Erdatmosphäre durchdringen, bevor es in unsere Augen gelangt. In der Erdatmosphäre gibt es Luftströmungen und Luftverwirbelungen, die – je nach Jahreszeit und Wetterlage – variieren. Unterschiedlich temperierte Luftschichten haben leicht verschiedene Brechungsindizes, wodurch der Lichtstrahl abgelenkt wird und sich zeitlich ändernde Lichtpunkte auf unserer Netzhaut erzeugt werden. Dieses Phänomen interpretieren wir als Funkeln eines Sterns.

  Es ist interessant zu bemerken, dass Astronauten und Astronautinnen auf der Internationalen Raumstation ISS das Sternfunkeln nicht beobachten, da sich ihr Beobachtungsstandort außerhalb der Erdatmosphäre befindet, wo die Ablenkung des Lichts durch die Atmosphäre nicht auftritt.