Es geht um ein tolles Naturphänomen, nämlich um die Brechung von Lichtstrahlen. (1)
Folgendes habt ihr bestimmt schon alle einmal gesehen: wenn man in ein Glas, das mit Wasser gefüllt ist, reinschaut und dann einen Löffel hineintut, dann sieht der plötzlich wie abgeknickt aus. Oder manchmal sieht man den Teil, der im Wasser steckt, auch gar nicht mehr.
Das ist schon komisch. Warum ist das so?
Es liegt an der Brechung des Lichtes. (2)
Also, jedes Mal wenn ein Lichtstrahl auf das Wasser trifft, wird er an der Oberfläche abgeknickt oder gebrochen. Das liegt daran, dass der Lichtstrahl von einem sogenannten optisch dünneren Medium in ein optisch dichteres kommt, also in unserem Fall von Luft in Wasser und dann wird er zu dieser Senkrechten hier hingebrochen.Und diese Senkrechte nennt sich, genauso wie bei der Reflexion an Spiegeln, das Lot.
Es ist nun tatsächlich so, dass das Licht in einem optisch dichteren Medium, also hier Wasser, langsamer wird. Aber warum es deswegen abknickt, möchte ich euch mal an einem Beispiel zeigen.(3)
Dieser Schlitten hier fährt auf Schnee schräg den Berg hinab. Etwas tiefer befindet sich ein etwas sandiger Boden, auf dem der Schlitten auf jeden Fall gebremst wird. Nun trifft aber, durch den Einfallswinkel des Schlittens auf die Sandfläche, zunächst die rechte Seite des Schlittens auf den Sand und wird gebremst.
Die linke Seite fährt noch weiter wie zuvor und dadurch dreht sich dann der Schlitten ein wenig, bis auch die linke Seite den Sand erreicht hat und er wieder gerade weiterfährt. Und ihr seht, so kommt ein Knick in der Fahrt des Schlittens zustande. (4)
Also wir haben gesehen: Wenn ein Lichtstrahl von einem optisch dünneren Medium, wie Luft, in ein optisch dichteres kommt, wie hier Wasser, dann wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen.
Und wie ist das andersherum? Wenn der Lichtstrahl aus dem Wasser in Luft trifft? Hier befindet sich dann das Lot.
Und dann ist hier der sogenannte Einfallswinkel Alpha und auf der anderen Seite, zum Lot hin gemessen, der Ausfallswinkel Beta. Und hier sehen wir: von einem optisch dichteren Medium in ein optisch dünneres Medium wird das Licht vom Lot weg gebrochen, also genau umgekehrt.
Kommen wir noch einmal kurz zu den Winkeln. Man spricht vom Einfallswinkel Alpha und vom Ausfallswinkel Beta oder auch manchmal Alpha Strich, die beide zum sogenannten Einfallslot hin gemessen werden. Und im oberen Fall gilt dann: Alpha ist größer als Beta. Und im unteren gilt: Beta ist größer als Alpha. (5)
Kommen wir nun noch zu zwei Spezialfällen.
Wenn der Lichtstrahl direkt senkrecht auf die Oberfläche trifft, wird er gar nicht gebrochen. Der Winkel ist also jeweils 0°. Und je schräger er auf die jeweilige Oberfläche trifft, desto mehr wird er gebrochen und immer mehr und immer mehr bis wir zum zweiten Spezialfall kommen, der allerdings nur eintritt, wenn der Lichtstrahl vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium geht.
Bei Wasser zu Luft ist der Grenzwinkel Alpha = 49°. 49°, das ist gar nicht mal so ein großer Winkel. Den erreicht man im Alltag sehr häufig.
Und sowieso: Brechung und Totalreflektion sind Phänomene, die sehr oft in der Natur auftreten.(6)
Das möchte ich einmal an einem Beispiel zeigen: Wir schauen auf einen See und bemerken einen roten Fisch, den wir an dieser Stelle hier sehen. Den möchten wir nun fangen. Die Lichtstrahlen, die auf unsere Netzhaut treffen, kommen aus dieser Richtung hier. Wenn man sie verlängert, treffen sie genau auf den roten Fisch.
Was unser Gehirn allerdings nicht weiß, ist, dass die Lichtstrahlen an der Wasseroberfläche gebrochen wurden und zwar zum Lot hin. So ungefähr.
Ha, und dann sehen wir, dass sich der Fisch tatsächlich an einer anderen Stelle befindet, als wir ihn sehen. Hier nämlich ist der echte Fisch.
Das heißt, uns erreichen keine Strahlen mehr. (7)
Das Licht des Löffels im Wasser wird also an der Wasseroberfläche gebrochen und wir sehen den Löffel also nicht dort, wo er sich eigentlich befindet. Es gibt noch ganz viele andere Beispiele für Brechung in der Natur.(8)
Zum Beispiel wenn wir an einem sehr heißen Tag im Auto sitzen und die Straße betrachten. Das habt ihr bestimmt schon einmal gesehen: da denkt man, es wäre Wasser auf der Straße. Ist es aber gar nicht. Die heiße Straße heizt die Luft darüber so auf, dass sie ein optisch dünneres Medium ist, als die Kaltluft.
Und dann kann es passieren, dass das Licht, was vom Himmel kommt, so gebrochen wird, dass wir denken, es käme von der Straße. Das nehmen wir dann als Spiegelung wahr.
Ein anderes schönes Beispiel für Brechung ist der Regenbogen. Hier wird das Licht in den Wassertropfen in all seine Farben aufgespalten.
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