Lichtbrechung — Sport, 14–17 Jahre

Warum Licht beim Übergang in ein anderes Material seine Richtung ändert und wie man die neue Richtung vorhersagt.

Die Idee

Lichtbrechung ist die Richtungsänderung von Licht beim Übergang über eine Grenze, etwa von Luft in Glas oder Wasser. Im neuen Stoff ändert sich die Lichtgeschwindigkeit, deshalb wird der Weg meist geknickt. Winkel misst man zur Normalen, einer gedachten Linie senkrecht zur Oberfläche.

Warum man sie braucht

Das Modell gerader Lichtwege funktioniert, solange Licht in einem Stoff bleibt. Es erklärt aber nicht, warum eine Münze unter Wasser scheinbar ihre Lage ändert oder eine Linse Licht bündelt. Die Lichtbrechung wurde untersucht, um solche Änderungen an Stoffgrenzen vorherzusagen, denn Licht bewegt sich nicht in allen durchsichtigen Stoffen gleich schnell.

Ein durchgerechnetes Beispiel

Ein Lichtstrahl geht mit einem Einfallswinkel von 30° von Luft in Glas über. Wir setzen n_Luft = 1,0 und n_Glas = 1,5 und verwenden n₁ sin i = n₂ sin r. Also gilt sin r = 1,0 × sin30° ÷ 1,5 = 1/3, somit r ≈ 19,5°. Der Strahl wird zur Normalen hin gebrochen.

Der häufige Fehler

Viele Menschen messen den Winkel zur Oberfläche statt zur Normalen. Das ist verständlich, weil die Oberfläche sichtbar ist und als naheliegende Bezugslinie erscheint. Die Gleichungen verwenden jedoch die Normale: Bildet der Strahl mit der Oberfläche 30°, beträgt sein Winkel zur Normalen 60°.

Ausserhalb der Schule

Brillen verwenden genau geformte Linsen, die Licht brechen, damit auf der Netzhaut scharfe Bilder entstehen. Kameras, Mikroskope und Teleskope nutzen dieselbe Idee, um zu steuern, wo Licht zusammenläuft. Glasfasern führen Licht durch wiederholte innere Reflexionen und übertragen so Informationen über grosse Entfernungen.

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