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Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wie du die Brechung von Lichtstrahlen richtig angibst

Aufgabe

Schau dir die drei unten angezeigten Bilder an. Sie beschreiben den Weg eines Lichtstrahls (gelb) durch einen Körper (hellblau), mit einem höheren Brechungsindex als die umgebende Luft. Entscheide, welche von ihnen richtig und welche falsch sind. Gib außerdem an, warum sie richtig oder falsch sind.

a)
                 - Abbildung 1        

b)
                       - Abbildung 1

 

c)
                             - Abbildung 1

Teilaufgabe a)

Schritt 1: Zeichne das Lot ein

Um entscheiden zu können, ob der eingezeichnete Lichtweg richtig ist, musst du zuerst die Lote einzeichnen. Wenn du Fragen zum Lot hast, kannst du hier nachschauen. Mit den eingezeichneten Loten sieht das Bild so aus:

Wie du die Brechung von Lichtstrahlen richtig angibst - Abbildung 1

Schritt 2: Bestimme die Brechung des Lichts

Du solltest dir zunächst den von oben kommenden und in den Körper eintretenden Lichtstrahl anschauen. Wenn das Licht von einem optisch weniger dichten Medium zu einem optisch dichteren Medium übertritt, dann wird das Licht zum Lot hin gebrochen. Also sollte hier der Winkel \(\alpha'\) kleiner als der Winkel \(\alpha\) sein. Das ist in der Tat so und somit ist der Lichtstrahl richtig eingezeichnet.

Als Nächstes kannst du dir den Lichtstrahl anschauen, der den Körper wieder verlässt. Wenn das Licht von einem optisch dichteren Medium zu einem optisch weniger dichten Medium übergeht, wird das Licht weg vom Lot gebrochen. Also muss hier \(\beta < \beta'\) gelten. Das gilt hier, weswegen der Strahl hier ebenfalls richtig eingezeichnet ist.

Zuletzt sei noch erwähnt, dass wir uns das so angeschaut haben, als wäre das Licht von oben gekommen. Es ist hier jedaoch nicht unbedingt wichtig, diese Richtung zu betrachten. Du kannst das Ganze genauso machen, wenn du davon ausgehst, dass das Licht von unten kommt. Die Argumentation ist genau die gleiche.

Das Bild ist richtig, da der in den Körper eindringende Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen wird und beim Austreten vom Lot weg gebrochen wird.

Teilaufgabe b)

Schritt 1: Zeichne das Lot ein

Als Nächstes bespreche ich mit dir das Bild b). Mit den eingezeichneten Loten sieht es so aus:

Wie du die Brechung von Lichtstrahlen richtig angibst - Abbildung 2

Schritt 2: Bestimme die Brechung des Lichts

Hier ist ein Pfeil eingezeichnet, der die Richtung des Lichtstrahls anzeigen soll. Wie oben erwähnt, ist die betrachtete Richtung des Lichts nicht wichtig und man kommt immer auf dasselbe Ergebnis. Wenn jedoch eine Richtung vorgegeben wird, solltest du sie auch beachten.

Der von oben kommende Lichtstrahl trifft genau senkrecht auf den Körper. Wenn das Licht genau senkrecht auf die Grenzfläche kommt, gibt es überhaupt keine Brechung, egal welches der beiden Medien optisch dichter ist. Das heißt, der obere Teil des eingezeichneten Strahlenwegs ist richtig.

Beim unteren Teil ist es so, dass das Licht als vom Lot weg gebrochen eingezeichnet ist. Das ist zwar der Fall, wenn das Licht von einem optisch dichteren zu einem optisch weniger dichten Medium übertritt, jedoch nur dann, wenn das Licht nicht senkrecht ist. Hier ist es also falsch eingezeichnet, denn das Licht müsste geradeaus durchgehen.

Das Bild ist falsch gezeichnet, da der Lichtstrahl geradeaus durch das Medium gehen sollte. Die eingezeichnete Brechung beim Austreten aus dem Körper ist falsch.

Teilaufgabe c)

Schritt 1: Zeichne das Lot ein

Das dritte Bild sieht mit den eingezeichneten Loten so aus:

Wie du die Brechung von Lichtstrahlen richtig angibst - Abbildung 3

Schritt 2: Bestimme die Brechung des Lichts

Betrachten wir das Ganze mal so, als käme das Licht von oben links. Wenn der Lichtstrahl in das optisch dichtere Medium eintritt, wird es zum Lot hin gebrochen, also muss \(\alpha'\) kleiner als \(\alpha\) sein. Das ist so und somit ist der Strahl hier richtig eingezeichnet.

Wenn das Licht das optisch dichtere Medium wieder verlässt, wird es vom Lot weg gebrochen. Oder anders gesagt, es muss gelten: \(\beta' > \beta\). Somit ist der Strahl auch hier wieder richtig eingezeichnet.

Bei diesem Beispiel siehst du auch noch mal, wie wichtig es ist, das Lot immer einzuzeichnen. Besonders bei dem Strahl oben links ist es aufgrund der schrägen Kante nicht leicht zu erkennen, ob er richtig oder falsch eingezeichnet ist. Mit dem eingezeichneten Lot erkennst du es aber sofort.

Das Bild ist richtig gezeichnet, da der in den Körper eintretende Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen wird und der austretende Lichtstrahl vom Lot weg gebrochen wird.

Lösung

  1. Das Bild ist richtig gezeichnet, da der in das optisch dichtere Medium eintretende Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen wird und beim Austreten wieder vom Lot weg gebrochen wird.
  2. Das Bild ist falsch gezeichnet. Der von oben kommende Lichtstrahl fällt senkrecht auf den Körper und müsste daher als gerade Linie durchgehen. Beim Austreten wird der Lichtstrahl jedoch gebrochen und das ist falsch.
  3. Das Bild ist richtig gezeichnet, da der in das optisch dichtere Medium eintretende Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen wird und beim Austreten wieder vom Lot weg gebrochen wird.
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