Brechung von Licht


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Lichtbrechung

Licht kann sich in viele Medien ausbreiten, zum Beispiel in Luft, Wasser oder im Vakuum. Kommt es während der Ausbreitung des Lichtes zu einem Wechsel des Mediums dann kommt es zu einem Phänomen dass man Lichtbrechung nennt. Das ist beispielsweise der Falle wenn man in ein mit Wasser gefülltes Glas schaut. Die Lichtstrahlen breiten sich von der Luft in das Wasser aus und werden am Übergang zwischen Luft und Wasser gebrochen.


In dem oberen Video sieht man wie eine Münze in ein Gefäß legt wurde, das Gefäß mit der Münze wurde so verschoben, dass die Münze nicht mehr sichtbar ist. Sobald jedoch Wasser in das Gefäß geschüttet wird, erscheint die Münze wieder und wird sichtbar.

Wir wissen dass die Münze nicht angehoben wurden. Die Münze erscheint also an einer Stelle zu sein an der sie sich in Wirklichkeit nicht befindet. Es handelt sich hierbei um ein optisches Phänomen. Wenn ein Gegenstand an einer Stelle erscheint an der er sich in wirklichkeit nicht befindet, dann liegt es daran, dass das Licht einen anderen Weg nimmt als gewöhnlich.


In einem Medium breitet sich Licht gradlinig aus, sobald es zu einem Übergang zwischen zwei Medien kommt (zb. Luft und Wasser) dann wird das Licht abgeknickt. Dieses Phänomen bezeichnet man als Lichtbrechung. Der Effekt der Lichtbrechnung kommt nicht nur beim Übergang zwischen Luft und Wasser. Lichtbrechnung findet immer dann statt wenn Licht einen Übergang zwischen zwei optisch unterschiedlich dichten Medien ausübt.

Im nächsten Video sieht man den Effekt der Lichtbrechnung beim Übergang zwischen Luft zu Plexiglas und dann wieder bei Austritt der Lichtstrahlen von Plexiglas zu Luft.



Unter welchem Winkel wird ein Lichtbündel beim Übergang zwischen zwei Medien gebrochen?

Lichtbrechung Brechungswinkel


Wird ein Lichtstrahl unter einem Einfallswinkel \(\alpha\) gegenüber dem Einfallslot in ein anderes Medium (Wasser) geleitet, so wird der Strahl gebrochen. Dabei wird sich der gebrochene Strahl im zweiten Medium unter dem Brechungswinkel \(\beta\) zum Ausfallslot ausbreiten.

Ist das Medium indem der Strahl eintritt optisch dichter als das erste Medium von dem aus der Strahl kommt, so gilt \(\beta < \alpha\). Man sagt der Lichtstrahl wir zum Lot hin gebrochen.

Wenn das Licht senkrecht auf die Grenzfläche (\(\alpha=0°\)) trifft, so tritt keine Brechung auf.

Was heißt optisch dichteres Medium?

Optisch dichteres und optisch dünneres Medium

Wir wissen bereits aus dem Thema Lichtausbreitung, dass sich das Licht im Vakuum mit der Geschwindigkeit 299792458\(\frac{m}{s}\) ausbreitet. Doch die Lichtgeschwindigkeit ist nicht immer gleich. Je nach Medium breitet sich Licht unterschiedlich schnell aus.

    Im Vakuum ist die Lichtgeschwindigkeit am höchsten, in jedem anderen Medium breitet sich Licht langsamer aus als im Vakuum.


Bei einem Übergang zwischen zwei Medien, wird das Medium indem das Licht eine höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit besitzt als optisch dünneres Medium bezeichnet. Das Medium in dem die Lichtgeschwindigkeit kleiner ist wird optisch dichteres Medium genannt.

Bei einem übergang von einem optisch dünnerem Medium zu einem optisch dichterem Medium werden die Lichtstrahlen zum Lot hin gebrochen. Der Einfallswinkel \(\alpha\) ist also größer als der Brechungswinkel \(\beta\)

Bei einem übergang von einem optisch dichterem Medium zu einem optisch dünnerem Medium werden die Lichtstrahlen vom Lot weg gebrochen. Der Einfallswinkel \(\alpha\) ist also kleiner als der Brechungswinkel \(\beta\)

Brechung von Licht beim Übergang in ein anderes Medium

  • Beim Übergang optisch dünn \(\rightarrow\) optisch dicht wird das Licht zum Lot hin gebrochen. \(\implies\) \(\alpha\gt\beta\)

  • Beim Übergang optisch dicht \(\rightarrow\) optisch dünn wird das Licht vom Lot weg gebrochen. \(\implies\) \(\alpha\lt\beta\)

  • Das Medium mit der höheren Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes wird optisch dicht genannt und das Medium mit der geringeren Ausbreitungsgeschwindikeit wird optisch dünn genannt.




Totalreflexion

Wir wissen bereits dass Licht bei einem Übergang von einem optisch dichterem Medium zu einem optisch dünnerem Medium vom Lot weg gebrochen wird. Der Brechnungswinkel \(\beta\) ist also größer als der Einfallswinkel \(\alpha\). Ist der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel, dann verlässt kein Licht mehr das optisch dichtere Medium. Man spricht dann von Totalreflexion.



Wie du in dem Video siehst wird das Licht ab einem bestimmten Winkel (Grenzwinkel) totalreflektiert. Es tritt also kein Licht mehr von dem optisch dichterem Medium (Wasser) in das optisch dünnere Medium (Luft) über.

    Totalreflexion tritt nur auf wenn das Licht einen Übergang von einem optisch dichterem zu einem optisch dünnerem Medium vollführt.


Glasfaser

Mit dem Prinzip der Totalreflexion kann man mittels Glasfaserkabel eine schnelle Datenübertragung erzielen.