Reflexion- und Lichtbrechung von Licht an Grenzflächen

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.

Reflexion und Lichtbrechung

Eine Lichtwelle, die auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen optischen Dichten (Brechzahlen) trifft, wird gebrochen und reflektiert. Bei diesem Vorgang gilt sowohl das Reflexionsgesetz als auch das sog. Brechungsgesetz (Gesetz von Snellius).

In der Skizze ist a der Winkel der Wellennormalen der einfallenden bzw. reflektierten Welle gegen die Normale der Grenzfläche (= Einfallslot). Der Winkel b ist der Winkel der Normale der gebrochenen Welle gegen das Einfallslot. 

Für den reflektierten Lichtstrahl gilt das Reflexionsgesetz (sin a = sin a `), 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)

Das Brechnungsgesetz (auch als Gesetz von Snellius bekannt) gibt den Zusammenhang zwischen Ein (a )- und Ausfallswinkel (b ) 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, also: n· sin a = nb · sin b . 

Ergebnis:
Mit Hilfe des Brechungs- und Reflexionsgesetzes kann man die Richtung der reflektierten bzw. gebrochenen Wellen ermitteln, unter der Voraussetzung, dass man die Richtung der einfallenden Welle und die Brechzahlen na und nb der beiden Medien kennt. Damit ist man aber (noch) nicht in der Lage zu bestimmen, welcher Anteil des Lichts reflektiert und welcher gebrochen wird. Dies lässt sich aber mit Hilfe der Fresnelgleichungen ermitteln.


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Reflexion- und Lichtbrechung von Licht an Grenzflächen – Testfragen/-aufgaben

1. Was versteht man unter der Reflexion von Licht?

Die Reflexion von Licht ist ein Phänomen, bei dem das Licht, wenn es auf eine Oberfläche trifft, in einer bestimmten Richtung zurückgeworfen wird. Der Einfallswinkel ist dabei gleich dem Ausfallswinkel.

2. Wie wird Licht beim Übergang von einem dichten in ein weniger dichtes Medium gebrochen?

Licht wird beim Übergang von einem dichten in ein weniger dichtes Medium vom Normale weg gebrochen. Dies ist das Grundgesetz der Lichtbrechung oder das Snellius-Gesetz.

3. Was bedeutet totale Reflexion?

Die totale Reflexion ist ein Phänomen, das auftritt, wenn das Licht von einem dichteren Medium in ein weniger dichtes Medium übergeht und der Einfallswinkel größer als der so genannte kritische Winkel ist. In diesem Fall wird das gesamte Licht reflektiert und nicht gebrochen.

4. Was ist der Unterschied zwischen einer regelmäßigen und einer diffusen Reflexion?

Bei einer regelmäßigen Reflexion wird das Licht in eine bestimmte Richtung reflektiert, wobei der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel ist. Bei einer diffusen Reflexion hingegen wird das Licht in viele verschiedene Richtungen verteilt.

5. Was ist die Brechzahl und wie hängt sie mit der Lichtgeschwindigkeit zusammen?

Die Brechzahl ist ein Maß für die Änderung der Lichtgeschwindigkeit beim Übergang von einem Medium in ein anderes. Sie ist das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit im betrachteten Medium.

6. Warum erscheint uns ein Strohhalm, der in ein Glas Wasser getaucht ist, gebrochen?

Ein Strohhalm erscheint uns gebrochen, weil das Licht beim Übergang vom Wasser in die Luft gebrochen wird. Dies wird als Lichtbrechung bezeichnet.

7. Was versteht man unter dem Einfallswinkel und dem Ausfallswinkel?

Der Einfallswinkel ist der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und der Normalen. Der Ausfallswinkel ist der Winkel zwischen dem reflektierten Lichtstrahl und der Normalen.

8. Was ist die Normalenlinie?

Die Normalenlinie ist eine gedachte Linie, die senkrecht auf einer Oberfläche steht, an der das Licht reflektiert oder gebrochen wird.

9. Wie ändert sich die Geschwindigkeit des Lichts, wenn es von einem Medium in ein anderes übergeht?

Die Geschwindigkeit des Lichts ändert sich, wenn es von einem Medium in ein anderes übergeht. Sie nimmt ab, wenn das Licht in ein dichteres Medium übergeht und nimmt zu, wenn es in ein weniger dichtes Medium übergeht.

10. Was ist der Unterschied zwischen der Reflexion und der Brechung von Licht?

Die Reflexion tritt auf, wenn das Licht auf eine Oberfläche trifft und zurückgeworfen wird, ohne das Medium zu wechseln. Die Brechung hingegen tritt auf, wenn das Licht von einem Medium in ein anderes übergeht und dabei seine Richtung ändert.

Autor: , Letzte Aktualisierung: 24. November 2023