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 Àndert seine Richtung. 
Es gibt auch Körper, die lichtdurchlĂ€ssig sind – zum Beispiel Glas oder Wasser. Was passiert mit dem Licht, wenn es auf einen lichtdurchlĂ€ssigen Körper trifft?

1.1 Die versteckte MĂŒnze
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Experiment

Die versteckte MĂŒnze

Materialien
  • eine Tasse
  • eine MĂŒnze
  • ein GefĂ€ĂŸ mit Wasser

DurchfĂŒhrung
Links (Schritt 1): Eine MĂŒnze liegt in einer Tasse. Die MĂŒnze ist von der Position des Auges nicht zu sehen. Rechts (Schritt 2): Die Tasse ist mit Wasser gefĂŒllt. MĂŒnze und Auge haben sich nicht bewegt.
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Versuchsaufbau

  1. Platziere die MĂŒnze so in der Tasse, dass du sie ganz knapp nicht mehr sehen kannst.
  2. FĂŒlle nun das Wasser in die Tasse, ohne deine Position zu verĂ€ndern.

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

Beobachtung

Was passiert mit der MĂŒnze in der Tasse? Beschreibe deine Beobachtungen.
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Voriger Versuchsaufbau, die Tasse ist mit Wasser gefĂŒllt. Ein Lichtstrahl verlĂ€uft von der MĂŒnze zum Auge. Der Lichtstrahl muss an der WasseroberflĂ€che einen Knick machen, damit die MĂŒnze zu sehen ist.
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Das Licht wird an der WasseroberflĂ€che „abgelenkt“.

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

Die einzige mögliche ErklĂ€rung ist, dass das Licht an der WasseroberflĂ€che „abgelenkt“ wird.
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Ein Wasserglas, in dem sich ein Löffel befindet, vor schwarzem Hintergrund. An der WasseroberflĂ€che sieht es so aus als wĂŒrde 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 WasseroberflÀche trifft, geschieht Folgendes:
Was passiert, wenn ein Lichtstrahl auf eine WasseroberflÀche trifft?
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Aufgabe A: Begriffe der Lichtbrechung

Ordne die Begriffe den richtigen Positionen zu.

Aufgabe B: MĂŒnze in der Tasse

Warum ist die MĂŒnze zu sehen, sobald die Tasse mit Wasser gefĂŒllt ist? Verwende bei deiner ErklĂ€rung folgende Begriffe:

  • Einfallender Strahl
  • Gebrochener Strahl
  • Einfallswinkel
  • Brechungswinkel
  • GrenzflĂ€che
  • Lot
A B
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Lichtbrechung beim Übergang von Luft zu Glas.

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

Lichtbrechung ist die Änderung der Richtung des Lichts an der GrenzflĂ€che zweier unterschiedlicher lichtdurchlĂ€ssiger Medien.

Du weißt bereits, dass das Licht an der GrenzflĂ€che seine Richtung Ă€ndert – zum Beispiel an der WasseroberflĂ€che. Medien sind unter anderem Luft, Wasser und Glas.

Förderfenster: Lichtbrechung
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Beim Übergang 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 GrenzflĂ€che vom Lot weg gebrochen.

Das ist das sogenannte Brechungsgesetz:

  • Beim Übergang des Lichts von Luft in Glas oder Wasser wird das Licht an der GrenzflĂ€che zum Lot hin gebrochen. Der Brechungswinkel ist dabei stets kleiner als der Einfallswinkel (ÎČ < α).
  • Beim Übergang des Lichts von Glas oder Wasser in Luft wird das Licht an der GrenzflĂ€che vom Lot weggebrochen. Der Brechungswinkel ist dabei stets grĂ¶ĂŸer als der Einfallswinkel (ÎČ > α).
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Links (Schritt 1): Eine MĂŒnze liegt in einer Tasse. Die MĂŒnze ist von der Position des Auges nicht zu sehen. Rechts (Schritt 2): Die Tasse ist mit Wasser gefĂŒllt. MĂŒnze und Auge haben sich nicht bewegt.
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Voriger Versuchsaufbau, die Tasse ist mit Wasser gefĂŒllt. Ein Lichtstrahl verlĂ€uft von der MĂŒnze zum Auge. Der Lichtstrahl muss an der WasseroberflĂ€che einen Knick machen, damit die MĂŒnze zu sehen ist.
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Ein Wasserglas, in dem sich ein Löffel befindet, vor schwarzem Hintergrund. An der WasseroberflĂ€che sieht es so aus als wĂŒrde der Löffel einen Knick haben.
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Animation: Ein Lichtstrahl trifft auf eine WasseroberflĂ€che. Hier macht der Lichtstrahl einen Knick und verlĂ€uft anschließend weiter geradeaus.
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Zusammenfassung
Lichtbrechung an der Grenze von Luft zu Wasser. Der Lichtstrahl trifft auf die WasseroberflĂ€che. Hier macht er einen Knick und verlĂ€uft 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

ÜberprĂŒfe 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 durchfĂŒhren:

Hinweis: Die halbkreisförmige Form des Prismas sorgt dafĂŒr, 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.

DurchfĂŒhrung
  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 verÀndert.
  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 verĂ€ndert.

Aufgabe: Beobachtung

Wie verĂ€ndert sich der Brechungswinkel bei verschiedenen Einfallswinkeln beim Übergang des Lichts von


  • Luft zu Glas?
  • Glas zu Luft?

Notiere deine Beobachtungen.
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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 (ÎČ1 = α2).
  3. Der einfallende Strahl wird an der GrenzflĂ€che vom Lot weg gebrochen (ÎČ1 < ÎČ2).
  4. Der gebrochene Strahl verlĂ€uft genau in die Richtung, aus der zuvor der einfallende Strahl kam (ÎČ2 = 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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Der Weg des Lichts ist umkehrbar.
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Zusammenfassung

Lichtbrechung

1. Die versteckte MĂŒnze
Voriger Versuchsaufbau, die Tasse ist mit Wasser gefĂŒllt. Ein Lichtstrahl verlĂ€uft von der MĂŒnze zum Auge. Der Lichtstrahl muss an der WasseroberflĂ€che einen Knick machen, damit die MĂŒnze zu sehen ist.
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Lichtbrechung am Beispiel der versteckten MĂŒnze.

Wenn Licht auf eine WasseroberflĂ€che trifft, wird es „abgelenkt“. Deshalb kannst du die MĂŒnze in der Tasse sehen, nachdem du diese mit Wasser gefĂŒllt hast.

Dieser Effekt wird Lichtbrechung genannt.

2. Lichtbrechung
Ein Lichtstrahl wird an der GrenzflÀche von Luft zu Wasser gebrochen. Der Brechungswinkel ist kleiner als der Einfallswinkel.
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Lichtbrechung an der GrenzflÀche von Luft zu Wasser.

Wenn Licht auf eine GrenzflÀche (z. B. eine WasseroberflÀche) trifft, wird er aufgeteilt. Ein Teil des Lichts wird reflektiert. Der andere Teil wird an der GrenzflÀche gebrochen.
Mithilfe des Lots können Einfallswinkel (α1) und Brechungswinkel (α2) bestimmt werden. Beim Übergang des Lichts von Luft zu Wasser ist α1 grĂ¶ĂŸer als α2. Das Licht wird zum Lot hin gebrochen.
Licht wird bei jedem Übergang von einem lichtdurchlĂ€ssigen Medium in ein anderes gebrochen. LichtdurchlĂ€ssige Medien sind z. B. Luft, Wasser und Glas.

Lichtbrechung ist die Änderung der Richtung des Lichts an der GrenzflĂ€che zweier unterschiedlicher Medien.

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

  • Beim Übergang des Lichts von Luft in Glas oder Wasser wird das Licht an der GrenzflĂ€che zum Lot hin gebrochen. Der Brechungswinkel ist dabei stets kleiner als der Einfallswinkel (ÎČ < α).
  • Beim Übergang des Lichts von Glas oder Wasser in Luft wird das Licht an der GrenzflĂ€che vom Lot weg gebrochen. Der Brechungswinkel ist dabei stets grĂ¶ĂŸer als der Einfallswinkel (ÎČ > α).

3. Umkehrbarkeit
Links die Brechung an der GrenzflÀche von Luft zu Glas, der Lichtstrahl wird zum Lot hin gebrochen. Rechts die Brechung an der GrenzflÀche 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 GrenzflĂ€che 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 GrenzflĂ€che vom Lot weg gebrochen. Der gebrochene Strahl verlĂ€uft genau in Richtung der ursprĂŒnglichen Position der Lichtquelle (der Brechungswinkel ist genauso groß wie der vorige Einfallswinkel).