Brechung von Licht - Physikunterricht-Online (2024)

Lichtbrechung

Licht kann sich nicht nur in Luft oder im Vakuum (luftleerer Raum), sondern auch in anderen Medien, wie z.B. Wasser oder Glas, ausbreiten. Medien, in denen sich Licht ausbreiten kann, bezeichnet man als durchsichtig. Doch wenn Licht in ein anderes Medium eindringt, lässt sich ein besonderes Phänomen beobachten, das man als Brechung bzw. Lichtbrechung bezeichnet. Die Brechung von Licht soll mit Hilfe zweier Versuche demonstriert werden:

Versuch 1:

Eine Münze wird in eine leere Tasse gelegt. Nun schaut man von oben schräg auf die Tasse, so dass die Münze gerade hinter dem Tassenrand verschwunden ist, so dass man sie nicht sehen kann. Dann wird die Tasse mit Wasser gefüllt.

Beobachtung:

Nachdem die Tasse mit Wasser gefüllt wurde, kann man die Münze sehen, so als wäre sie angehoben worden:

Brechung von Licht - Physikunterricht-Online (1)Brechung von Licht - Physikunterricht-Online (2)

Versuch 2:

Ein Lineal, ein Trinkhalm oder ein Stift wird schräg in ein mit Wasser gefülltes Gefäß (Becher, Tasse oder Glas) getaucht. Nun blickt man von oben auf die Wasseroberfläche.

Beobachtung:

Der Gegenstand erscheint abgeknickt, und zwar an der Stelle, an der er ins Wasser eintaucht (s. Foto rechts).

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Wodurch entsteht dieser Eindruck?

Da wir wissen, dass die Münze in Versuch 1 nicht angehoben wurde, und das Lineal bzw. der Stift in Versuch 2 gerade verläuft, handelt es sich um ein optisches Phänomen. Wenn ein Gegenstand an einer anderen Stelle erscheint als er wirklich ist, dann liegt dies daran, dass das Licht einen anderen Weg nimmt als gewohnt.

Normalerweise breitet sich das Licht geradlinig aus. Doch an der Grenzfläche zwischen zwei Medien (hier: Wasser und Luft), wird das Licht abgeknickt. Dieses Phänomen bezeichnet man als Brechung von Licht. Dadurch, dass wir es gewohnt sind, dass sich Licht immer geradlinig ausbreitet, vermuten wir den Gegenstand an einem anderen Ort – so als käme das Licht von dort aus geradlinig in unser Auge:

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Das Licht wird an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft gebrochen.

Die Münze erscheint dadurch an einem anderen Ort, als sie tatsächlich liegt.

Lässt man ein schmales Lichtbündel schräg in ein mit Wasser gefülltes Becken oder einen Quader aus Glas bzw. Plexiglas einfallen, so sieht man, dass das Licht an der Grenzfläche abknickt und die Richtung ändert. Man sagt, das Licht wird gebrochen (s.o.). Der Winkel gegenüber dem Einfallslot, mit dem es sich im Wasser oder Glas ausbreitet, wird Brechungswinkelβ genannt. Dieser ist kleiner als der Einfallswinkel α. Man sagt, das Licht wird zum Lot hin gebrochen.

Tritt das Licht senkrecht auf die Grenzfläche (α = 0°), so tritt keine Brechung auf. Das Lichtbündel verläuft weiter in der ursprünglichen Richtung.

Übergang eines Lichtbündels beim Eintritt in Wasser oder Glas

Brechung von Licht - Physikunterricht-Online (5)Ein Lichtbündel wird beim Übergang von Luft in ein anderes optisches Medium zum Lot hin gebrochen.

Was bedeutet optisch dichter bzw. optisch dünner?

Luft und Glas bzw. Wasser, also verschiedene optische Medien, haben offensichtlich unterschiedliche optische Eigenschaften, obwohl sie alle lichtdurchlässig sind. Die Ursache für die Brechung ist, dass sich das Licht in verschiedenen optischen Medien unterschiedlich schnell ausbreitet.

Optische Medien werden als optisch dichter bzw. als optisch dünner im Vergleich zu anderen optischen Medien bezeichnet:

Das Medium, in dem der kleinere der beiden Winkel liegt, wird als optisch dichter bezeichnet.

(Die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium ist kleiner.)

Das Medium, in dem der größere Winkel liegt, wird als optisch dünner bezeichnet.

(Die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium ist größer.)

Aus den Versuchen ergibt sich also: Wasser und Glas sind optisch dichter als Luft.

Auch bei der Brechung gilt: Der Lichtweg ist umkehrbar

Die Umkehrbarkeit des Lichtweges gilt auch bei der Brechung.

Das bedeutet: Geht das Licht von einem optisch dichteren (Wasser oder Glas) in ein optisch dünneres Medium (Luft) über, so wird es vom Lot weg gebrochen. Der Brechungswinkel β wäre dann kleiner als der Einfallswinkel α.

Daraus ergibt sich folgender Zusammenhang:

Brechung beim Übergang in ein anders optisches Medium

Beim Übergang von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium wird das Licht zum Lot hin gebrochen.

Der Brechungswinkelβ ist kleiner als der Einfallswinkel α.

Beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium wird das Licht vom Lot weg gebrochen.

Der Brechungswinkelβ ist größer als der Einfallswinkel α.

Auf die Frage, welches Medium optisch dichter bzw. dünner ist, gilt natürlich anders herum:

Wird das Licht beim Übergang von Medium 1 in Medium 2 zum Lot hin gebrochen, so ist Medium 2 optisch dichter.

Wird das Licht beim Übergang von Medium 1 in Medium 2 vom Lot weg gebrochen, so ist Medium 2 optisch dünner.

Zusammenhang zwischen Einfalls- und Brechungswinkel

Wenn das Licht in ein anderes Medium übergeht, so wissen wir, dass der Brechungswinkel sich gegenüber dem Einfallswinkel ändert. Doch wie groß ist der Brechungswinkel, und wovon hängt er ab?

Um diese Frage zu klären, lässt man ein Lichtbündel unter verschiedenen Einfallswinkel in ein optisch dichteres Medium fallen, und misst jeweils den Einfallswinkel sowie den Brechungswinkel. Die gemessen Werte werden in eine Tabelle eingetragen.

Anschließend werden in einem Diagramm Einfalls- und Brechungswinkel gegeneinander aufgetragen.

Für diesen Versuch eignet sich besonders gut ein Halbzylinder aus Plexiglas. Man lässt das Licht auf der geraden Seite einfallen, so dass man den Einfallswinkel mit Hilfe einer Winkelscheibe einfach ablesen kann. Auf der runden Seite tritt das Licht ohne Brechung (also ohne Richtungsänderung) wieder hinaus, weil es auf diese Grenzfläche stets senkrecht trifft (s.o.). So lässt sich auch der Brechungswinkel einfach ablesen:

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Es lässt sich ablesen:

Der Einfallswinkel (linke Seite) beträgt 30°, der Brechungswinkel (rechte Seite) ist kleiner und beträgt 20°.

In der folgenden Skizze sind jeweils Einfalls- und Brechungswinkel sowie das Einfallslot eingezeichnet:

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Bei diesem Versuch stellt man fest, dass die Richtungsänderung des Lichtbündels umso stärker ist, je größer der Einfallswinkel ist, also je schräger das Licht auf die Oberfläche trifft. Die Messwerte für 8 verschiedene Einfallswinkel sind in der folgenden Tabelle dargestellt. Der Einfallswinkel kann natürlich nicht 90° oder größer sein, da dann kein Licht mehr auf die Grenzfläche treffen würde.

Einfallswinkel α10°20°30°40°50°60°70°80°
Brechungswinkel β6,6°13,2°19,5°25,4°30,7°35,3°38,8°41°

Stellt man den Brechungswinkel in Abhängigkeit vom Einfallswinkel in einem Diagramm dar, so ergibt sich folgender Verlauf:

Brechungswinkel β in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α

Man erkennt, dass der Zusammenhang zwischen Brechungs- und Einfallswinkel nicht proportional ist. je größer der Einfallswinkel ist, umso stärker nimmt der Brechungswinkel zu.

Im Diagramm ist die Kurve bis zum (theoretisch maximal möglichen) Einfallswinkel von α = 90° verlängert. Man erkennt: Auch der Brechungswinkel β nähert sich einem Höchstwert, den er nicht überschreiten kann. Dieser maximal mögliche Brechungswinkel hängt von den optischen Medien ab. Man bezeichnet ihn als Grenzwinkel βg. In diesem Beispiel (Übergang von Luft in Plexiglas) beträgt der Grenzwinkelβg ca. 42°.

Info:

Würde man den Versuch mit einem anderen optischen Medium (statt Plexiglas Wasser oder Diamant) durchführen, so würde man für die gleichen Einfallswinkel andere Brechungswinkel messen. Der Verlauf des Diagramms sieht ähnlich aus, ist jedoch flacher oder steiler:

Brechung von Licht - Physikunterricht-Online (9)

Je größer die optische Dichte des zweiten Mediums ist, umso flacher verläuft die Kurve, da das Licht dann stärker gebrochen wird und der Brechungswinkel bei gleichem Einfallswinkel kleiner ist.

Mit Hilfe des Diagramms lässt sich für jeden beliebigen Einfallswinkel der zugehörige Brechungswinkel ablesen, auch für Winkel, die wir gar nicht gemessen haben.

Außerdem lässt sich das Diagramm auch umgekehrt verwenden:

Beim umgekehrten Lichtweg, also beim Übergang von Plexiglas (optisch dichter) nach Luft (optisch dünner), wäre der Brechungswinkel größer als der Einfallswinkel. Vertauscht man die Achsen, so lässt sich der Brechungswinkel auch für den umgekehrten Lichtweg ablesen.

Geht das Licht durch eine planparallele Platte aus einem optischen Medium hindurch, so wird es beim Eintritt zum Lot hin und beim Austritt vom Lot weg gebrochen.

Das folgende Bild zeigt ein Lichtbündel, welches auf der oberen Seite eines Plexiglaskörpers eintritt und unten wieder austritt. Das unten austretende Lichtbündel hat wieder die gleiche Richtung wie das oben eintretende Lichtbündel:

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Außerdem erkennt man, dass ein Teil des Lichts jeweils an den Grenzflächen (beim Übergang zwischen Luft und Plexiglas) reflektiert wird.

Lichtbrechung am Prisma

Unter einem optischen Prisma versteht man einen Körper aus Glas oder einem anderen optischen Medium (Plexiglas etc.) mit einem Dreieck als Grundfläche.

Gegenüber der planparallelen Platte (s.o.) sind die Seiten eines Prismas nicht parallel. Das Licht im Prisma wird auch zweimal gebrochen – beim Eintritt und beim Austritt – jedoch jeweils in die gleiche Richtung und nicht wieder zurück.

Das folgende Bild zeigt die Brechung eines schmalen Lichtbündels (roter Laser) an einem Glasprisma:


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Brechung von Licht an einem Glasprisma


Man sieht, dass das Licht zweimal in die gleiche Richtung gebrochen wird und so insgesamt stärker abgelenkt wird als an anderen Körpern.

In folgendem Bild, in dem ein etwas kleineres Prisma mit einem grünen Laser bestrahlt wird, sieht man zusätzlich noch die Reflektionen, die auftreten – sowohl an der Außenseite beim Eintritt in das Prisma als auch an der Innenseite, an der das Licht in das Prisma zurück reflektiert wird und unten austritt:

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Totalreflexion von Licht

Möchte man mit Hilfe des Diagramms den Brechungswinkel für den umgekehrten Lichtweg (Übergang vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium) ermitteln, so wird man feststellen:

Für den Fall, dass der Einfallswinkel größer ist als der Grenzwinkel von ca. 42°, kann man gar keinen Brechungswinkel mehr ablesen.

Doch was passiert, wenn man ein Lichtbündel unter einem größeren Winkel auf die Grenzfläche Plexiglas → Luft treffen lässt? Wir wollen dies in einem Versuch herausfinden. Statt Plexiglas verwenden wir Wasser, aus dem das Licht einer Lampe von unten auf die Wasseroberfläche trifft.

Versuch:

Eine Lampe mit einer Blende mit mehreren Schlitzen erzeugt unter Wasser mehrere schmale Lichtbündel, die unter verschiedenen Winkeln von unten auf die Wasseroberfläche treffen:

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Beobachtung:

  • Die Lichtbündel, die unter einem kleinen Winkel auf die Wasseroberfläche treffen werden beim Übergang zur Luft vom Lot weg gebrochen. Ein Teil des Lichts wird an der Wasseroberfläche reflektiert.
  • Die Lichtbündel, die in einem großen Winkel auf die Wasseroberfläche treffen, verlassen das Wasser nicht mehr, sondern werden an der Wasseroberfläche nur noch (“total”) reflektiert. Man spricht daher von Totalreflexion.

Totalreflexion

Wenn Licht von einem optisch dichteren Medium in ein optisch dünneres Medium übergeht, dann wird das Licht vom Lot weg gebrochen – der Brechungswinkel ist größer als der Einfallswinkel.

Ist der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel, verlässt kein Licht mehr das optisch dichtere Medium. Das Licht wird an der Grenzfläche total reflektiert, man spricht von Totalreflexion.

Das folgende Bild zeigt, wie das Licht eines Lasers innerhalb eines Plexiglasstabes immer wieder total reflektiert wird. An jeder Grenzfläche zwischen Plexiglas und Luft ist der Grenzwinkel zur Totalreflexion überschritten:

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Dieses Phänomen wird in sogenannten Lichtleitern genutzt. Diese bestehen aus Glasfasern. Darin wird das Licht weitergeleitet und tritt erst am Ende wieder aus – auch wenn die Glasfasern gebogen werden.

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FAQs

Brechung von Licht - Physikunterricht-Online? ›

Wenn Licht von einem optisch dichteren Medium in ein optisch dünneres Medium übergeht, dann wird das Licht vom Lot weg gebrochen – der Brechungswinkel ist größer als der Einfallswinkel. Ist der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel, verlässt kein Licht mehr das optisch dichtere Medium.

Wie funktioniert die Brechung von Licht? ›

Lichtbrechung findet statt, wenn Licht auf eine Grenzfläche, also den Übergang von einem Medium wie Luft in ein anderes, wie Wasser, auftrifft. Hierbei wird ein Teil des Lichtes reflektiert, während ein weiterer Teil beim Durchgang der Grenzfläche seine Richtung verändert.

Was versteht man unter Lichtbrechung? ›

Tritt ein Lichtstrahl von einem transparenten Medium auf ein anderes Medium mit unterschiedlicher Dichte über, so wird es zum Teil reflektiert und zum Teil verändert es an der Grenze beider Stoffe seine Richtung. Diesen Vorgang nennt man Lichtbrechung.

Wann kommt es zur Brechung des Lichtes? ›

Fällt Licht geneigt auf die Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Stoffen, dann wird es in der Regel aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt. Diesen Vorgang bezeichnet man als Brechung.

Wo findet man im Alltag Lichtbrechung? ›

Im menschlichen Auge wird das Licht durch die Brechung an der Hornhaut, an der Augenlinse und dem Glaskörper so gebrochen, dass ein reelles Bild auf der Netzhaut entsteht. Brillen und Kontaktlinsen verstärken oder vermindern die Brechung am Auge, um Sehfehler auszugleichen.

Wann wird Licht nicht gebrochen? ›

Der Winkel gegenüber dem Einfallslot, mit dem es sich im Wasser oder Glas ausbreitet, wird Brechungswinkel β genannt. Dieser ist kleiner als der Einfallswinkel α. Man sagt, das Licht wird zum Lot hin gebrochen. Tritt das Licht senkrecht auf die Grenzfläche (α = 0°), so tritt keine Brechung auf.

Wie lautet das Brechungsgesetz Physik? ›

Die Lichtgeschwindigkeit ist in Luft größer als in Wasser oder in Glas. Daraus ergibt sich nach dem Brechungsgesetz, dass bei diesen Übergängen der Brechungswinkel kleiner als der Einfallswinkel ist. Es gilt also für den Übergang Luft - Wasser oder Luft - Glas immer: Das Licht wird zum Lot hin gebrochen.

Wie bricht das Licht im Wasser? ›

Licht wird beim Übergang zwischen Luft und Wasser gebrochen. Das Licht, das aus dem Wasser kommend an die Luft übertritt, durchdringt ab einem Einfallswinkel von 42° die Grenzfläche nicht mehr, sondern wird komplett ins Wasser zurück reflektiert. Man nennt dies Totalreflexion.

Warum ändert sich die Wellenlänge bei Brechung? ›

Durch die Dispersion des Lichtes, das heisst, dass die Brechzahl von der Wellenlänge abhängt, werden die verschiedenen Farben unterschiedlich gebrochen. Jedesmal, wenn Licht durch die Grenzfläche Luft-Materie geht, werden unterschiedliche Farben unterschiedlich gebrochen.

Welcher Unterschied besteht zwischen der Brechung und der Reflexion? ›

Wenn Licht von einem lichtdurchlässigen Material in ein weiteres übergeht, kommt es zu einer Reflexion kommen. Dabei wird ein Teil des Lichts reflektiert und ein anderer kann gebrochen werden, wie viel reflektiert und wie viel gebrochen wird, hängt vom Winkel der Lichtstrahlen und der Beschaffenheit der Grenzfläche ab.

Was ist der Unterschied zwischen Reflexion und Lichtbrechung? ›

Der reflektierte Lichtstrahl ist der Strahl, der von der Grenzfläche zurückgeworfen wird. Beim Durchgang durch die Grenzfläche ändert der einfallende Lichtstrahl seine Ausbreitungsrich- tung. Der resultierende Strahl heisst gebrochener Lichtstrahl.

Warum wird Licht im Prisma gebrochen? ›

Die Ursache für die Dispersion des weißen Lichtes durch ein Prisma besteht in Folgendem: Licht unterschiedlicher Farbe und damit unterschiedlicher Wellenlänge hat in einem Stoff, z. B. in Glas, eine unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit.

Warum wird das Licht im Wasser gebrochen? ›

Ein Teil des Lichtstrahls breitet sich weiter im Wasser aus und ein anderer Teil des Lichtstrahls wird zurück in die Luft reflektiert. Der Teil des Lichtstrahls, der sich im Wasser weiter ausbreitet, ändert beim Übergang von Luft zu Wasser seine Ausbreitungsrichtung. Dies nennt man Brechung.

Welche Gegenstände brechen Licht? ›

Brechung entsteht, wenn Licht von einem mehr oder weniger lichtdurchlässigen Material (Glas, Wasser, Luft usw.) in ein anderes (lichtdurchlässiges) Material übergeht. Beim Übergang von einem Medium in das andere, zum Beispiel von Luft in Wasser, ändert sich die Richtung der Lichtstrahlen.

Wie lautet das Brechungsgesetz der Optik? ›

Findet der Übergang von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium statt ( ), dann wird der Strahl zum Lot hin gebrochen ( ). Beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium ( ) wird der Strahl vom Lot weg gebrochen ( ).

Warum brechen Linsen Licht? ›

Eine Konvexlinse bricht parallel zur optischen Achse einfallende Lichtstrahlen so, dass sie im Brennpunkt gesammelt werden. Je näher der Brennpunkt an der Linse ist, also je kleiner die Brennweite ist, desto stärker werden die Lichtstrahlen gebrochen, desto stärker ist also der Brechwert D der Linse.

Was beschreibt das Brechungsgesetz? ›

Das Brechungsgesetz beschreibt die Ablenkung eines Lichtstrahls am Übergang zwischen zwei Medien. Der Brechungswinkel der Ablenkung ist dabei abhängig von den Brechungsindizes der beiden Medien und vom Einfallswinkel des Lichtstrahls.

Wie lautet das Brechungsgesetz nach Snellius? ›

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit wird über die Brechzahl n1 und die Lichtgeschwindigkeit c0 im Vakuum definiert: c1 = c0 / n1. Die Winkel α und β werden bezüglich des Einfallslotes bestimmt, welches senkrecht auf der Grenzfläche steht.

Was sagt die Brechzahl aus? ›

Brechzahl, Brechungsindex, Kurzzeichen n, Kennzahl eines optischen Materials. Die Brechzahl ist ein Maß für die Ausbreitungsgeschwindigkeit c1 des Lichtes im betrachteten Medium M1.

Was geschieht mit Licht Wenn es auf Glas trifft? ›

Ganz interessant ist vielleicht noch die Frage, was genau mit Licht passiert, wenn es schräg auf eine flache Glasscheibe trifft. Der Lichtstrahl ändert seine Richtung zwei Mal. Licht wird im Glas einen Moment langsamer aber sofort wieder schneller, wenn es das Glas wieder verlässt.

Welches Licht wird am stärksten gebrochen? ›

Wenn man Licht unterschiedlicher Wellenlängen (wie beispielsweise Tageslicht) durch ein Prisma laufen lässt, wird aufgrund der unterschiedlichen Brechungszahl des Glases für unterschiedliche Wellenlängen kurzwelliges (blaues) Licht stärker gebrochen als langwelliges (rotes) Licht.

Wie wird das Licht im Auge gebrochen? ›

Die Hornhaut und die Linse des Auges entsprechen den Linsen der Kamera, die Pupille übernimmt die Funktion der Blende. Die Hornhaut ermöglicht den Eintritt der Lichtstrahlen. Da die Hornhaut gebogen ist werden die Lichtstrahlen gebrochen.

Wann Brechung und Reflexion? ›

Wenn Licht von einem lichtdurchlässigen Material in ein weiteres übergeht, kommt es zu einer Reflexion kommen. Dabei wird ein Teil des Lichts reflektiert und ein anderer kann gebrochen werden, wie viel reflektiert und wie viel gebrochen wird, hängt vom Winkel der Lichtstrahlen und der Beschaffenheit der Grenzfläche ab.

Wie breitet sich das Licht aus? ›

Licht breitet sich in Luft und im Vakuum mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km/s (Kilometer pro Sekunde) aus. Die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt, bezeichnet man als ein Lichtjahr. Die Entfernung, die das Licht in einer Sekunde zurücklegt, entspricht in etwa der Strecke von der Erde bis zum Mond.

Warum ändert sich die Wellenlänge bei Brechung? ›

Durch die Dispersion des Lichtes, das heisst, dass die Brechzahl von der Wellenlänge abhängt, werden die verschiedenen Farben unterschiedlich gebrochen. Jedesmal, wenn Licht durch die Grenzfläche Luft-Materie geht, werden unterschiedliche Farben unterschiedlich gebrochen.

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Author: Pres. Lawanda Wiegand

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