Lichtbrechung in der Optik (Physik)

Wenn Licht auf die Grenzfläche zwischen zwei Stoffen bzw. Materialien trifft, so wird das Licht zum Teil reflektiert, zum Teil verändert es an der Grenzfläche die Richtung. So entsteht eine Brechung des Lichtes, wenn Licht von einem optisch dichterem Stoff in ein optisch dünneren Stoff gelangt (und natürlich umgekehrt). Man kann sich die Regeln der Lichtbrechung relativ einfach merken:

  • Beim Übergang vom optisch dünneren zum optisch dichteren Stoff wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen.
  • Beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Stoff wird der Lichtstrahl vom Lot weg gebrochen.
  • Überschreitet der Lichtstrahl einen gewissen Einfallswinkel, so tritt eine Totalreflexion ein.

Die Lichtbrechung

Trifft das einfallende Licht in einem Winkel a auf die Grenzfläche, dann wird es in der Regel abgelenkt (siehe Bild). Der physikalische Vorgang, der dabei abläuft, wird als Brechung bezeichnet. Dabei sollte man aber nicht vergessen, dass ein Lichtstrahl, der senkrecht auf eine Grenzfläche trifft,  keine Brechung erfährt.

Für den reflektierten Lichtstrahl gilt das Reflexionsgesetz, wonach gilt, dass einfallender Lichtstrahl, reflektierter Lichtstrahl und Einfallslot  in der gleichen Ebene liegen und der Einfallswinkel und Reflexionswinkel gleich sind. Für den gebrochenen Lichtstrahl gilt das Brechungsgesetz:

  • Beim Übergang vom optisch dünneren zum optisch dichteren Stoff wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen, d.h der Einfallswinkel a ist größer als der Brechungswinkel b . Dies ist z.B. beim Übergang von Luft in Glas (“Glas ist optisch dichter”).
  • Beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Stoff wird der Lichtstrahl vom Lot weg gebrochen, d.h. der Einfallswinkel a ist kleiner als der Brechungswinkel b . Dies ist z.B. beim Übergang von
  • Überschreitet der Einfallswinkel beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium einen bestimmten Grenzwinkel, so wird der Lichtstrahl total reflektiert (hierbei gilt das Reflexionsgesetz)

Unterschied zwischen Lichtbeugung und Lichtbrechung

Wie bereits erwähnt, findet Lichtbrechung beim Übergang eines Lichtstrahls zwischen verschiedenen Medien mit unterschiedlichen optischen Dichten statt. Wenn Licht auf eine Grenzschicht trifft, ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit (zwei verschiedene Medien) und so ändert sich auch die Ausbreitungsrichtung. Im Gegensatz dazu beruht die Lichtbeugung nicht durch Brechung an Grenzflächen zwei verschiedener Medien, sondern kommt durch Interferenz zustande. Beugung bedeutet nichts anderes, als die Ablenkung eines Lichtstrahls an einem Hindernis (z.B. Spalt oder Gitter). Nach dem Hindernis “bewegt” sich das Licht hinter dem Hindernis bzw. Spalt weiter. Bei der Lichtbrechung wird der Lichtstrahl hingegen “abgelenkt”.

Formeln der Lichtbrechung

Das Gesetz von Snellius gibt den Zusammenhang zwischen Ein- und Ausfallswinkel eines Lichtstrahles und den optischen Dichten der beiden beteiligten Medien wieder

Snellius hatte dabei entdeckt, dass das Verhältnis von Einfalls- und Brechungswinkel (bzw. der Sinus des jeweiligen Winkels) eine Konstante ist, nämlich das Verhältnis der Brechungszahlen n der jeweiligen Medien.


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Lichtbrechung in der Optik (Physik) – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist die Definition von Lichtbrechung?

Die Lichtbrechung ist das Phänomen der Änderung der Lichtgeschwindigkeit und damit der Richtung, wenn es von einem Medium in ein anderes übergeht.

2. Was passiert, wenn Licht von einem transparenten Medium hoher Dichte zu einem Medium niedrigerer Dichte übergeht?

Wenn Licht von einem transparenten Medium hoher Dichte auf ein Medium geringerer Dichte trifft, wird es vom Normalweg abweichen.

3. Was passiert, wenn Licht von einem Medium niedriger Dichte zu einem Medium hoher Dichte übergeht?

Wenn Licht von einem Medium niedriger Dichte zu einem Medium hoher Dichte übergeht, nähert es sich dem normalen Weg und wird gebrochen.

4. In welchem Fall wird das Licht auf seinem Pfad abgelenkt?

Licht wird auf seinem Pfad abgelenkt, wenn es von einem Medium in ein anderes übergeht und diese Medien verschiedene Brechungsindizes haben.

5. Was ist der Brechungsindex?

Der Brechungsindex ist das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit im betrachteten Medium.

6. Was ist das Snellius-Gesetz (auch als Brechungsgesetz bekannt)?

Das Snellius-Gesetz, auch bekannt als Brechungsgesetz, besagt, dass das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Ausfallswinkels gleich dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeiten in den beiden Medien ist. Das folgt direkt aus der Definition des Brechungsindex.

7. Was verstehen wir unter dem Begriff Totalreflexion?

Totalreflexion ist das Phänomen, bei dem die gesamte einfallende Lichtenergie an der Grenze zwischen zwei Medien reflektiert wird, wenn das Licht von einem Medium mit höherem Brechungsindex in eines mit niedrigerem übergeht und der Einfallswinkel größer als der kritische Winkel ist.

8. Was ist der kritische Winkel in Bezug auf die Lichtbrechung?

Der kritische Winkel ist derjenige Winkel, bei dem das Licht die Grenzfläche längs abgleitet und über dem alle Winkel die Totalreflexion verursachen.

9. Was ist das Prinzip der reversiblen Wege in der Lichtbrechung?

Das Prinzip der reversiblen Wege in der Lichtbrechung besagt, dass Licht immer den gleichen Pfad verfolgen wird, wenn es rückwärts entlang des Pfades zurückgeht, den es beim Passieren durch verschiedene Medien genommen hat.

10. Was ist der Unterschied zwischen Reflexion und Brechung?

Bei der Reflexion wird das Licht vollständig in das Medium zurückgeworfen, aus dem es gekommen ist, während bei der Brechung das Licht seine Richtung ändert, wenn es von einem Medium in ein anderes übergeht.

Autor: , Letzte Aktualisierung: 12. Juni 2024