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Lichtbrechung: Gesetze, Brechzahl und der Glasblock

Wenn Licht von einem durchsichtigen Stoff in einen anderen übergeht, ändert es seine Geschwindigkeit und knickt deshalb an der Grenzfläche ab (außer es trifft genau entlang des Lots). Beim Übergang in ein optisch dichteres Medium wird es langsamer und wird zum Lot hin gebrochen; beim Austritt wird es schneller und vom Lot weg gebrochen. Für zwei Stoffe bleibt sin i / sin r immer gleich (Brechungsgesetz von Snell). Diese Konstante ist die Brechzahl, und sie ist auch das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeiten, n = c/v. In einem rechteckigen Glasblock verläuft der austretende Strahl parallel zum einfallenden, ist aber seitlich versetzt (Parallelverschiebung).

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Ein Lichtstrahl trifft auf einen Glasblock. Schau auf die Grenzfläche: Der Strahl geht nicht geradeaus weiter. Er knickt ab. Dieses Abknicken heißt Brechung.
  2. Zeichne das Lot (grün gestrichelt). Beim Übergang von Luft in Glas wird der Strahl zum Lot hin gebrochen, also ist der Brechungswinkel r kleiner als der Einfallswinkel i.
  3. Jetzt wächst der Winkel i von 10° auf 70°. Auch r wächst, aber schau auf die Anzeige: sin i ÷ sin r bleibt dieselbe Zahl, bei Glas 1.5. Das ist das Brechungsgesetz von Snell.
  4. Wechsle den Stoff: Wasser, dann Glas, dann Diamant. Je größer die Brechzahl n, desto stärker wird der Strahl gebrochen und desto langsamer ist das Licht im Stoff (v = c/n).
  5. Lass den Strahl unten aus dem Block austreten. Er wird vom Lot weg gebrochen und verlässt den Block mit e = i, parallel zur ursprünglichen Richtung, aber seitlich um die Strecke d versetzt.
  6. Jetzt bist du dran. Ändere i (probiere 0°), die Dicke und den Stoff. Beobachte, wie sich r, die Geschwindigkeit und die seitliche Verschiebung d ändern.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Warum knickt Licht überhaupt ab?

Seine Geschwindigkeit ändert sich an der Grenzfläche. Eine Seite des schrägen Strahls kommt zuerst an und wird zuerst langsamer, deshalb dreht sich der Strahl, genau wie ein Autorad, das in Sand gerät. Schritt 1 zeigt den Knick an der Oberfläche.

Woher weiß ich, ob der Strahl zum Lot hin oder vom Lot weg gebrochen wird?

In ein langsameres (dichteres) Medium: zum Lot hin. In ein schnelleres (dünneres) Medium: vom Lot weg. Schritt 2 zeigt r < i beim Eintritt in Glas; Schritt 5 zeigt die Brechung vom Lot weg beim Austritt.

Wenn sich i ändert, ändert sich dann nicht auch die Brechzahl?

Nein. i und r ändern sich beide, aber sin i / sin r bleibt für dieses Stoffpaar gleich. Beobachte das Verhältnis in der Anzeige in Schritt 3.

Heißt eine größere Brechzahl stärkere Brechung?

Ja. Größeres n bedeutet langsameres Licht und bei gleichem i ein kleineres r. In Schritt 4 wechselst du von Wasser über Glas zu Diamant.

Wenn der austretende Strahl parallel ist, hat der Block dann überhaupt eine Wirkung?

Ja: Der Strahl ist seitlich versetzt (Parallelverschiebung). Schritt 5 zeichnet den Weg ohne Block gepunktet und die Verschiebung d in Rot.

Was passiert bei i = 0°?

Der Strahl geht ohne Ablenkung und ohne Verschiebung geradeaus durch. Stelle i im freien Spiel auf 0.

Was ist Brechung und warum knickt Licht ab?

Brechung ist die Richtungsänderung von Licht, wenn es schräg von einem durchsichtigen Stoff in einen anderen übergeht, zum Beispiel von Luft in Wasser oder Glas. Sie entsteht, weil sich Licht in verschiedenen Stoffen unterschiedlich schnell ausbreitet: etwa 3 × 10⁸ m/s in Luft, etwa 2.25 × 10⁸ m/s in Wasser und etwa 2 × 10⁸ m/s in Glas.

Ein Stoff, in dem das Licht langsamer ist, heißt optisch dichter; einer, in dem es schneller ist, heißt optisch dünner. Optische Dichte ist nicht dasselbe wie Massendichte: Petroleum ist leichter als Wasser, aber optisch dichter.

Die Brechungsgesetze (Gesetz von Snell)

  1. Erstes Gesetz: Der einfallende Strahl, der gebrochene Strahl und das Lot im Einfallspunkt liegen in einer Ebene.
  2. Zweites Gesetz (Gesetz von Snell): Für Licht einer bestimmten Farbe und ein bestimmtes Stoffpaar ist das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels konstant.

sin i / sin r = konstant = n₂₁

Die Konstante ist die Brechzahl des zweiten Stoffs bezogen auf den ersten. In Schritt 3 der Geschichte siehst du, dass sich i und r ändern, während das Verhältnis gleich bleibt.

Brechzahl

Die Brechzahl sagt, wie stark ein Stoff das Licht bremst und damit, wie stark er es ablenkt.

Relative Brechzahl

Für Licht, das von Medium 1 in Medium 2 übergeht:

n₂₁ = Lichtgeschwindigkeit in Medium 1 / Lichtgeschwindigkeit in Medium 2 = v₁/v₂

Absolute Brechzahl

Wenn Medium 1 das Vakuum ist (oder Luft, praktisch dasselbe):

n = c / v

Da das Licht im Vakuum am schnellsten ist, ist n für jeden Stoff größer als 1. Es hat keine Einheit. Außerdem gilt n₂₁ = n₂/n₁ und n₁₂ = 1/n₂₁.

Stoffn (ca.)
Luft1.0003
Wasser1.33
Petroleum1.44
Kronglas1.52
Diamant2.42

Diamant hat einen der höchsten Werte, und das ist ein Grund, warum er so stark funkelt.

Brechung im rechteckigen Glasblock

Ein Strahl, der auf einen Glasblock trifft, wird zweimal gebrochen: an der ersten Fläche (Luft → Glas) zum Lot hin und an der zweiten Fläche (Glas → Luft) vom Lot weg.

Das ist der klassische Laborversuch: einen Block umfahren, Stecknadeln entlang eines Strahls setzen und i, r und e mit dem Winkelmesser bestimmen.

Brechung im Alltag und Hinweise für die Prüfung

Das wird gefragt: die beiden Gesetze, die Definition der Brechzahl und Rechenaufgaben mit n = c/v (1–3 Punkte), welcher Stoff in einer Tabelle optisch dichter ist, und die Strahlenzeichnung zum Glasblock mit e = i und Parallelverschiebung (2–3 Punkte).

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Die Brechzahl von Glas ist 1.5. Berechne die Lichtgeschwindigkeit in Glas.

v = c/n = (3 × 10⁸)/1.5 = 2 × 10⁸ m/s.

2. Licht breitet sich in einer Flüssigkeit mit 2.25 × 10⁸ m/s aus. Berechne die Brechzahl der Flüssigkeit.

n = c/v = (3 × 10⁸)/(2.25 × 10⁸) = 1.33 (das ist Wasser).

3. n von Wasser = 1.33 und n von Glas = 1.5. Berechne die Brechzahl von Glas bezogen auf Wasser.

n(Glas bezogen auf Wasser) = n_Glas / n_Wasser = 1.5/1.33 ≈ 1.13.

4. Ein Strahl trifft unter 45° aus der Luft auf ein Medium mit der Brechzahl √2 (≈ 1.414). Berechne den Brechungswinkel.

sin r = sin i / n = sin 45° / √2 = (1/√2)/√2 = 1/2, also r = 30°.

5. Ein Strahl fällt unter 60° auf einen Glasblock mit der Brechzahl √3. Berechne den Brechungswinkel im Glas und den Austrittswinkel.

sin r = sin 60°/√3 = (√3/2)/√3 = 1/2, also r = 30°. Die Flächen sind parallel, deshalb verlässt der Strahl den Block mit e = i = 60°, parallel zum einfallenden Strahl.

6. In welchem Stoff ist Licht schneller, in Glas (n = 1.5) oder in Diamant (n = 2.42)? Berechne die Geschwindigkeit in Diamant.

Die Geschwindigkeit ist c/n, also ist sie beim kleineren n (Glas) größer. In Diamant ist v = 3 × 10⁸/2.42 ≈ 1.24 × 10⁸ m/s, in Glas dagegen 2 × 10⁸ m/s.

7. Licht geht von Wasser (n = 1.33) in Glas (n = 1.5) über, der Einfallswinkel beträgt 30°. Berechne den Brechungswinkel.

Brechungsgesetz für zwei Stoffe: n₁ sin i = n₂ sin r. sin r = 1.33 × 0.5 / 1.5 ≈ 0.443, also r ≈ 26.3°. Der Strahl wird zum Lot hin gebrochen, weil Glas optisch dichter ist als Wasser.

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Wenn Licht von Luft in Glas übergeht, dann:
2. Das Brechungsgesetz von Snell sagt, dass für zwei gegebene Stoffe Folgendes konstant ist:
3. Die Brechzahl eines Stoffs ist 2. Die Lichtgeschwindigkeit darin beträgt:
4. In einem rechteckigen Glasblock ist der austretende Strahl:
5. Welcher Stoff ist optisch am dichtesten?

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Wie lauten die Brechungsgesetze?

1) Der einfallende Strahl, der gebrochene Strahl und das Lot liegen in einer Ebene. 2) Für ein gegebenes Stoffpaar und eine Lichtfarbe ist sin i / sin r konstant (Brechungsgesetz von Snell).

Wie groß ist die Brechzahl von Glas?

Etwa 1.5 (Kronglas etwa 1.52). Das bedeutet, Licht ist in Glas 1.5-mal langsamer als im Vakuum.

Was ist die Parallelverschiebung?

Der senkrechte Abstand zwischen dem (verlängerten) einfallenden Strahl und dem austretenden Strahl, wenn Licht durch einen Glasblock mit parallelen Flächen geht.

Wo das unterrichtet wird

ItalySecondaria di secondo grado – classe 1ªFoundations, optics, heat and mechanics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 2ªFoundations, optics, heat and mechanics
RomaniaClasa a VIII-aOptical phenomena
Ukraine9 класLight phenomena
CBSE (India)Class 10Natural Phenomena
Japan高校2年Waves
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 8Optics
FranceQuatrièmeSignals
FranceSecondeWaves and signals
FranceTerminaleLab sciences: Waves
Russia9 классLight phenomena
Russia9 классLight phenomena
China八年级(初二)Ch.4 Light
China高二Selective 1 Ch.4 Light

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