1. Lichtbrechung

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Ein Glas Wasser mit einem Trinkhalm.
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Urheber: Carly Jayne

Unsplash

PD

1. Lichtbrechung

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Licht breitet sich geradlinig aus. Wenn es auf einen Körper trifft, wird ein Teil des Lichts reflektiert und ändert seine Richtung. 
Es gibt auch Körper, die lichtdurchlässig sind – zum Beispiel Glas oder Wasser. Was passiert mit dem Licht, wenn es auf einen lichtdurchlässigen Körper trifft?

1.1 Die versteckte MĂĽnze

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Experiment

Die versteckte MĂĽnze

Materialien

  • eine Tasse
  • eine MĂĽnze
  • ein Gefäß mit Wasser

DurchfĂĽhrung

Links (Schritt 1): Eine MĂĽnze liegt in einer Tasse. Die MĂĽnze ist von der Position des Auges nicht zu sehen. Rechts (Schritt 2): Die Tasse ist mit Wasser gefĂĽllt. MĂĽnze und Auge haben sich nicht bewegt.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Versuchsaufbau

  1. Platziere die MĂĽnze so in der Tasse, dass du sie ganz knapp nicht mehr sehen kannst.
  2. Fülle nun das Wasser in die Tasse, ohne deine Position zu verändern.

Hinweis: Um dich nicht bewegen zu mĂĽssen, kannst du das Wasser auch von einer anderen Person in die Tasse fĂĽllen lassen.

Beobachtung

Was passiert mit der Münze in der Tasse? Beschreibe deine Beobachtungen.

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Voriger Versuchsaufbau, die Tasse ist mit Wasser gefüllt. Ein Lichtstrahl verläuft von der Münze zum Auge. Der Lichtstrahl muss an der Wasseroberfläche einen Knick machen, damit die Münze zu sehen ist.
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Das Licht wird an der Wasseroberfläche „abgelenkt“.

Nachdem die Tasse mit Wasser gefüllt wurde, ist die Münze zu sehen – obwohl du und die Münze sich nicht bewegt haben.

Die einzige mögliche Erklärung ist, dass das Licht an der Wasseroberfläche „abgelenkt“ wird.

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Ein Wasserglas, in dem sich ein Löffel befindet, vor schwarzem Hintergrund. An der Wasseroberfläche sieht es so aus als würde der Löffel einen Knick haben.
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Urheber: Federico Poni

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Just_a_refraction.jpg

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Lichtbrechung am Beispiel eines Löffels.

Vielleicht konntest du Ähnliches schon einmal bei einem Löffel oder einem Trinkhalm in einem Wasserglas beobachten.

Der Löffel oder der Trinkhalm machen scheinbar einen Knick. Dieser Effekt wird Lichtbrechung genannt.

1.2 Lichtbrechung

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Wenn Licht auf eine Wasseroberfläche trifft, geschieht Folgendes:

Was passiert, wenn ein Lichtstrahl auf eine Wasseroberfläche trifft?
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? A B

Aufgabe A: Begriffe der Lichtbrechung

Ordne die Begriffe den richtigen Positionen zu.

Aufgabe B: MĂĽnze in der Tasse

Warum ist die Münze zu sehen, sobald die Tasse mit Wasser gefüllt ist? Verwende bei deiner Erklärung folgende Begriffe:

  • Einfallender Strahl
  • Gebrochener Strahl
  • Einfallswinkel
  • Brechungswinkel
  • Grenzfläche
  • Lot
A B
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Lichtbrechung beim Ăśbergang von Luft zu Glas.

Licht wird jedoch nicht nur beim Übergang von Luft zu Wasser gebrochen, sondern bei jedem Übergang von einem lichtdurchlässigen Medium in ein anderes lichtdurchlässiges Medium. Also zum Beispiel auch beim Übergang von Luft zu Glas.
Hieraus ergibt sich die vollständige Definition der Lichtbrechung:

Lichtbrechung ist die Änderung der Richtung des Lichts an der Grenzfläche zweier unterschiedlicher lichtdurchlässiger Medien.

Du weißt bereits, dass das Licht an der Grenzfläche seine Richtung ändert – zum Beispiel an der Wasseroberfläche. Medien sind unter anderem Luft, Wasser und Glas.

Förderfenster: Lichtbrechung

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§ Cc4BYNCSA

Beim Ăśbergang von Wasser zu Luft wird Licht vom Lot weg gebrochen.

In der folgenden Grafik siehst du den Übergang des Lichts von Wasser zu Luft – also genau umgekehrt. Wie du siehst, wird das Licht an der Grenzfläche vom Lot weg gebrochen.

Das ist das sogenannte Brechungsgesetz:

  • Beim Ăśbergang des Lichts von Luft in Glas oder Wasser wird das Licht an der Grenzfläche zum Lot hin gebrochen. Der Brechungswinkel ist dabei stets kleiner als der Einfallswinkel (β < α).
  • Beim Ăśbergang des Lichts von Glas oder Wasser in Luft wird das Licht an der Grenzfläche vom Lot weggebrochen. Der Brechungswinkel ist dabei stets größer als der Einfallswinkel (β > α).
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Links (Schritt 1): Eine MĂĽnze liegt in einer Tasse. Die MĂĽnze ist von der Position des Auges nicht zu sehen. Rechts (Schritt 2): Die Tasse ist mit Wasser gefĂĽllt. MĂĽnze und Auge haben sich nicht bewegt.
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Voriger Versuchsaufbau, die Tasse ist mit Wasser gefüllt. Ein Lichtstrahl verläuft von der Münze zum Auge. Der Lichtstrahl muss an der Wasseroberfläche einen Knick machen, damit die Münze zu sehen ist.
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Ein Wasserglas, in dem sich ein Löffel befindet, vor schwarzem Hintergrund. An der Wasseroberfläche sieht es so aus als würde der Löffel einen Knick haben.
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Urheber: Federico Poni

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Just_a_refraction.jpg

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Animation: Ein Lichtstrahl trifft auf eine Wasseroberfläche. Hier macht der Lichtstrahl einen Knick und verläuft anschließend weiter geradeaus.
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Zusammenfassung

Lichtbrechung an der Grenze von Luft zu Wasser. Der Lichtstrahl trifft auf die Wasseroberfläche. Hier macht er einen Knick und verläuft anschließend weiter geradeaus.
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Luft wird an der Grenze zwischen Luft, Wasser oder Glas gebrochen.

Der Lichtstrahl macht an dieser Grenze einen Knick. Dieser Knick wird Lichtbrechung genannt.

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Aufgabe: Fragen zur Lichtbrechung

ĂśberprĂĽfe dein Wissen mit dem folgenden Quiz:

1.3 Umkehrbarkeit

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Experiment

Von Luft zu Glas und umgekehrt

Materialien

  • Lichtquelle
  • Halbkreisförmiges Prisma
  • Winkelmesser

Hinweis: Wenn du nicht die benötigten Materialien hast, kannst du das Experiment auch hier virtuell durchführen:

Hinweis: Die halbkreisförmige Form des Prismas sorgt dafür, dass das Licht nur an der flachen Seite des Prismas gebrochen wird. Auf die abgerundete Seite trifft der Lichtstrahl immer in einem Einfallswinkel von 0°. Deshalb findet hier keine Lichtbrechung statt.

DurchfĂĽhrung

  1. Leuchte mit der Lichtquelle auf die flache Seite des Prismas (Brechung von Luft zu Glas). Probiere verschiedene Einfallswinkel aus und beobachte, wie sich der Brechungswinkel verändert.
  2. Leuchte anschließend mit der Lichtquelle auf die abgerundete Seite des Prismas (Brechung von Glas zu Luft). Probiere erneut verschiedene Einfallswinkel aus und beobachte, wie sich der Brechungswinkel verändert.

Aufgabe: Beobachtung

Wie verändert sich der Brechungswinkel bei verschiedenen Einfallswinkeln beim Übergang des Lichts von…

  • Luft zu Glas?
  • Glas zu Luft?

Notiere deine Beobachtungen.

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§ Cc4BYNCSA

Der Weg des Lichts ist umkehrbar.

Das Experiment zeigt: Der Weg des Lichts ist umkehrbar.

  1. Im linken Bild wird der Lichtstrahl beim Übergang von Luft zu Glas zum Lot hin gebrochen (α1 > α2).
  2. Im rechten Bild kommt nun der einfallende Strahl genau aus der Richtung, in die zuvor der gebrochene Strahl verlief (β1 = α2).
  3. Der einfallende Strahl wird an der Grenzfläche vom Lot weg gebrochen (β1 < β2).
  4. Der gebrochene Strahl verläuft genau in die Richtung, aus der zuvor der einfallende Strahl kam (β2 = α1).

Förderfenster: Medien und Umkehrbarkeit

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Links die Brechung eines Lichtstrahls von Luft zu Wasser. Rechts die Brechung eines Lichtstrahls von Wasser zu Luft. Der Lichtstrahl geht genau in die entgegengesetzte Richtung. Der Weg des Lichts ist umkehrbar.
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Zusammenfassung

Links die Brechung eines Lichtstrahls von Luft zu Wasser. Rechts die Brechung eines Lichtstrahls von Wasser zu Luft. Der Lichtstrahl geht genau in die entgegengesetzte Richtung. Der Weg des Lichts ist umkehrbar.
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Cc4BYNCSA

Der Weg des Lichts ist umkehrbar.

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Zusammenfassung

Lichtbrechung

1. Die versteckte MĂĽnze

Voriger Versuchsaufbau, die Tasse ist mit Wasser gefüllt. Ein Lichtstrahl verläuft von der Münze zum Auge. Der Lichtstrahl muss an der Wasseroberfläche einen Knick machen, damit die Münze zu sehen ist.
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Lichtbrechung am Beispiel der versteckten MĂĽnze.

Wenn Licht auf eine Wasseroberfläche trifft, wird es „abgelenkt“. Deshalb kannst du die Münze in der Tasse sehen, nachdem du diese mit Wasser gefüllt hast.

Dieser Effekt wird Lichtbrechung genannt.

2. Lichtbrechung

Ein Lichtstrahl wird an der Grenzfläche von Luft zu Wasser gebrochen. Der Brechungswinkel ist kleiner als der Einfallswinkel.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Lichtbrechung an der Grenzfläche von Luft zu Wasser.

Wenn Licht auf eine Grenzfläche (z. B. eine Wasseroberfläche) trifft, wird er aufgeteilt. Ein Teil des Lichts wird reflektiert. Der andere Teil wird an der Grenzfläche gebrochen.
Mithilfe des Lots können Einfallswinkel (α1) und Brechungswinkel (α2) bestimmt werden. Beim Übergang des Lichts von Luft zu Wasser ist α1 größer als α2. Das Licht wird zum Lot hin gebrochen.
Licht wird bei jedem Übergang von einem lichtdurchlässigen Medium in ein anderes gebrochen. Lichtdurchlässige Medien sind z. B. Luft, Wasser und Glas.

Lichtbrechung ist die Änderung der Richtung des Lichts an der Grenzfläche zweier unterschiedlicher Medien.

Das Brechungsgesetz sagt aus, in welche Richtung das Licht an der Grenzfläche gebrochen wird.

  • Beim Ăśbergang des Lichts von Luft in Glas oder Wasser wird das Licht an der Grenzfläche zum Lot hin gebrochen. Der Brechungswinkel ist dabei stets kleiner als der Einfallswinkel (β < α).
  • Beim Ăśbergang des Lichts von Glas oder Wasser in Luft wird das Licht an der Grenzfläche vom Lot weg gebrochen. Der Brechungswinkel ist dabei stets größer als der Einfallswinkel (β > α).


3. Umkehrbarkeit

Links die Brechung an der Grenzfläche von Luft zu Glas, der Lichtstrahl wird zum Lot hin gebrochen. Rechts die Brechung an der Grenzfläche von Glas zu Luft, der Lichtstrahl wird vom Lot weg gebrochen. Der Weg des Lichtstrahls ist umkehrbar.
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Der Weg des Lichts ist umkehrbar.

Der Weg des Lichts ist umkehrbar.

  1. Beim Übergang von Luft in Glas oder Wasser wird Licht an der Grenzfläche zum Lot hin gebrochen.
  2. Die Lichtquelle wird in Medium 2 bewegt – und zwar so, dass sie in die entgegengesetzte Richtung des zuvor gebrochenen Strahls leuchtet (der Einfallswinkel ist genauso groß wie der vorige Brechungswinkel).
  3. Beim Übergang von Glas oder Wasser in Luft wird Licht an der Grenzfläche vom Lot weg gebrochen. Der gebrochene Strahl verläuft genau in Richtung der ursprünglichen Position der Lichtquelle (der Brechungswinkel ist genauso groß wie der vorige Einfallswinkel).