Reflexion - Physik


Reflexion - Physik
Einleitung
Wenn Licht auf eine Oberfläche trifft, kann es zurückgeworfen werden. Diesen Vorgang nennt man Reflexion. Du beobachtest ihn täglich: im Badezimmerspiegel, auf einer ruhigen Wasseroberfläche, an einem Fahrradreflektor oder als Lichtschein auf einer Wand.
In diesem aiMOOC lernst Du, wie Licht reflektiert wird, wie das Reflexionsgesetz lautet und warum glatte und raue Flächen unterschiedlich wirken. Der Schwerpunkt liegt auf der Optik. Am Ende überträgst Du das Prinzip auch auf andere Wellen, zum Beispiel Schall.

Lernziele
Nach der Bearbeitung kannst Du:
- Reflexion als Zurückwerfen einer Welle beschreiben.
- Einfallsstrahl, Einfallslot und Reflexionsstrahl unterscheiden.
- das Reflexionsgesetz mit Einfallswinkel und Reflexionswinkel anwenden.
- spiegelnde und diffuse Reflexion erklären.
- ein Spiegelbild am ebenen Spiegel konstruieren.
- Anwendungen wie Periskop, Retroreflektor und Totalreflexion einordnen.
Grundlagen der Reflexion
Was geschieht an einer Oberfläche?
Licht breitet sich in einem gleichartigen Stoff geradlinig aus. Trifft ein Lichtstrahl auf eine Grenzfläche, sind mehrere Vorgänge möglich:
- Reflexion: Ein Teil des Lichts wird zurückgeworfen.
- Transmission: Ein Teil tritt durch das Material hindurch.
- Absorption: Ein Teil der Lichtenergie wird vom Material aufgenommen.
- Brechung: Beim Übergang in einen anderen Stoff kann sich die Ausbreitungsrichtung ändern.
Welche Anteile auftreten, hängt unter anderem vom Material, von der Oberflächenbeschaffenheit, von der Farbe und vom Einfallswinkel ab. Ein Spiegel reflektiert einen großen Teil des sichtbaren Lichts. Schwarzer Stoff absorbiert meist deutlich mehr Licht als eine helle, glänzende Fläche.

Begriffe am Spiegel
Für die Beschreibung eines reflektierten Lichtstrahls brauchst Du vier Begriffe:
- Einfallsstrahl: Der Lichtstrahl, der auf die Oberfläche trifft.
- Einfallspunkt: Der Punkt, an dem der Strahl die Oberfläche erreicht.
- Einfallslot: Eine gedachte Linie, die im Einfallspunkt senkrecht auf der Oberfläche steht.
- Reflexionsstrahl: Der Lichtstrahl, der von der Oberfläche zurückläuft.
Der Einfallswinkel wird zwischen Einfallsstrahl und Lot gemessen. Der Reflexionswinkel wird zwischen Reflexionsstrahl und Lot gemessen. Beide Winkel werden also nicht zur Spiegeloberfläche bestimmt.

Das Reflexionsgesetz
Das Reflexionsgesetz lautet:
Dabei ist der Einfallswinkel und der Reflexionswinkel.
Außerdem liegen Einfallsstrahl, Einfallslot und Reflexionsstrahl in einer gemeinsamen Ebene. In einer zweidimensionalen Zeichnung erkennst Du das daran, dass alle drei Linien in derselben Zeichenebene liegen.
Beispiel: Trifft ein Lichtstrahl mit einem Einfallswinkel von auf einen Spiegel, beträgt der Reflexionswinkel ebenfalls . Der Winkel zwischen Einfallsstrahl und Reflexionsstrahl ist dann .
So zeichnest Du einen reflektierten Lichtstrahl
- Markiere den Einfallspunkt auf der Oberfläche.
- Zeichne dort das Einfallslot im rechten Winkel zur Oberfläche.
- Miss den Einfallswinkel zwischen Einfallsstrahl und Lot.
- Trage auf der anderen Seite des Lots denselben Winkel ab.
- Zeichne dort den Reflexionsstrahl mit Pfeilrichtung vom Spiegel weg.
Eine saubere Konstruktion gelingt mit Lineal, Geodreieck und einem spitzen Bleistift. Entscheidend ist, dass Du beide Winkel zum Lot misst.
Spiegelnde und diffuse Reflexion
Spiegelnde Reflexion
Bei einer sehr glatten Oberfläche sind benachbarte Oberflächenstücke nahezu gleich ausgerichtet. Parallel einfallende Lichtstrahlen werden deshalb geordnet in ähnliche Richtungen reflektiert. So kann ein deutliches Spiegelbild entstehen.
Typische Beispiele sind ein ebener Spiegel, ruhiges Wasser, poliertes Metall oder eine glatte Glasscheibe. Eine Fläche muss nicht vollkommen glatt sein. Entscheidend ist, wie groß ihre Unebenheiten im Vergleich zur Wellenlänge des Lichts sind.
Diffuse Reflexion
Eine raue Oberfläche besteht aus vielen kleinen Teilflächen mit verschiedenen Ausrichtungen. Für jede kleine Teilfläche gilt weiterhin das Reflexionsgesetz. Weil die Einfallslote unterschiedlich ausgerichtet sind, werden die Strahlen jedoch in viele Richtungen reflektiert.
Dadurch kannst Du Papier, eine Wand oder Kleidung aus verschiedenen Blickrichtungen sehen. Ohne diffuse Reflexion wären viele nicht selbst leuchtende Gegenstände nur aus wenigen Richtungen sichtbar.

Wichtiger Denkfehler
Diffuse Reflexion bedeutet nicht, dass das Reflexionsgesetz ungültig wird. Das Gesetz gilt an jedem kleinen Bereich der Oberfläche. Die vielen unterschiedlichen Ausrichtungen dieser Bereiche führen zur Verteilung des Lichts.
Der ebene Spiegel
Entstehung des Spiegelbildes
Von einem Gegenstand gelangen Lichtstrahlen zum Spiegel und werden dort reflektiert. Treffen diese Strahlen in Dein Auge, deutet Dein Gehirn sie so, als kämen sie geradlinig von hinter dem Spiegel. Dort liegt das virtuelle Spiegelbild.
Ein virtuelles Bild kann nicht direkt auf einem Schirm aufgefangen werden, weil sich hinter dem Spiegel keine echten Lichtstrahlen schneiden. Nur ihre rückwärtigen Verlängerungen treffen sich dort.

Eigenschaften des Spiegelbildes
Am ebenen Spiegel gilt:
- Das Bild ist aufrecht.
- Das Bild erscheint gleich groß wie der Gegenstand.
- Der Bildabstand hinter dem Spiegel ist so groß wie der Gegenstandsabstand vor dem Spiegel.
- Das Bild ist virtuell.
- Der Spiegel kehrt die Richtung senkrecht zur Spiegelfläche um. Im Alltag wirkt das oft wie eine Vertauschung von rechts und links.
Für Gegenstandsweite und Bildweite gilt beim ebenen Spiegel:
Bildkonstruktion
Um einen Bildpunkt zu konstruieren, zeichnest Du vom Gegenstand mindestens zwei Lichtstrahlen zum Spiegel. Nach der Reflexion verlängerst Du die reflektierten Strahlen gestrichelt hinter den Spiegel. Der Schnittpunkt der Verlängerungen ist der virtuelle Bildpunkt.
Eine einfachere geometrische Konstruktion nutzt die Symmetrie: Zeichne den Bildpunkt im gleichen senkrechten Abstand hinter den Spiegel, in dem der Gegenstandspunkt davor liegt.
Mehrfachspiegelungen
Bei zwei Spiegeln kann ein Lichtstrahl mehrfach reflektiert werden. Dadurch entstehen mehrere Bilder. Ihre Zahl hängt unter anderem vom Winkel zwischen den Spiegeln und von der Lage des Gegenstands ab.

Anwendungen der Reflexion
Periskop
Ein einfaches Periskop enthält zwei parallele Spiegel, die meist jeweils um zur Längsrichtung geneigt sind. Der obere Spiegel lenkt das Licht nach unten, der untere Spiegel zum Auge. So kannst Du über ein Hindernis hinwegsehen.

Retroreflektoren
Ein Retroreflektor wirft Licht ungefähr in die Richtung zurück, aus der es gekommen ist. Das gelingt zum Beispiel durch mehrere senkrecht zueinander stehende reflektierende Flächen oder durch geeignete Linsen und Spiegel.
Retroreflektoren findest Du an Fahrrädern, Verkehrszeichen, Warnkleidung und Straßenmarkierungen. Sie leuchten nicht selbst. Sie reflektieren das Licht eines Fahrzeugs zurück zur Lichtquelle und damit häufig auch zur Fahrerin oder zum Fahrer.


Reflexion in technischen Geräten
Reflexion wird in vielen Geräten genutzt:
- Spiegelteleskope sammeln und bündeln Licht mit gekrümmten Spiegeln.
- Scanner und Kameras lenken Licht im Inneren um.
- Laser arbeiten mit reflektierenden Flächen in einem optischen Resonator.
- Radar wertet reflektierte elektromagnetische Wellen aus.
- Sonar nutzt reflektierte Schallwellen unter Wasser.
Reflexion anderer Wellen
Schallreflexion und Echo
Auch Schall kann an Wänden, Felsen oder anderen Grenzflächen reflektiert werden. Trifft der zurückgeworfene Schall deutlich später am Ohr ein als der direkte Schall, hörst Du ein Echo.
Für die Entfernung zu einer reflektierenden Fläche gilt näherungsweise:
Dabei ist die Schallgeschwindigkeit und die gemessene Zeit für Hin- und Rückweg. Der Faktor ist nötig, weil der Schall die Strecke zweimal durchläuft.
Beispiel: Wird ein Echo nach gehört und beträgt die Schallgeschwindigkeit ungefähr , dann ist die Wand etwa entfernt.

Reflexion von Wasserwellen und Funkwellen
Wasserwellen können an einer geraden Begrenzung reflektiert werden. Auch dabei gilt für die Ausbreitungsrichtungen ein Reflexionsgesetz. Elektromagnetische Wellen wie Radio- oder Radarwellen werden ebenfalls reflektiert. Deshalb können Gebäude, Berge oder Metallschichten die Ausbreitung von Funksignalen beeinflussen.
Totalreflexion als Vertiefung
Beim Übergang von einem optisch dichteren in einen optisch dünneren Stoff kann ab einem bestimmten Einfallswinkel kein gebrochener Strahl mehr austreten. Das Licht wird vollständig zurückgeworfen. Dieser Vorgang heißt Totalreflexion.
Totalreflexion wird in Glasfasern, Lichtleitern und optischen Geräten genutzt. Sie ist ein Sonderfall an einer Grenzfläche und setzt passende Brechungsindizes sowie einen ausreichend großen Einfallswinkel voraus.

Experiment: Reflexionsgesetz prüfen
Material
Du benötigst einen kleinen ebenen Spiegel, ein Blatt Papier, einen Bleistift, ein Geodreieck und eine schmale Lichtquelle. Für den Unterricht eignet sich ein Strahlenkasten. Bei Experimenten mit Laserlicht musst Du die Sicherheitsregeln beachten und darfst niemals in den Strahl blicken.
Durchführung
- Zeichne eine gerade Linie als Spiegelposition auf das Papier.
- Stelle den Spiegel genau auf diese Linie.
- Richte einen schmalen Lichtstrahl schräg auf den Spiegel.
- Markiere Einfallsstrahl, Einfallspunkt und Reflexionsstrahl.
- Entferne den Spiegel und zeichne im Einfallspunkt das Lot.
- Miss Einfallswinkel und Reflexionswinkel.
- Wiederhole die Messung für mehrere Einfallswinkel.
Auswertung
Trage Deine Messwerte in eine Tabelle ein. Vergleiche für jeden Versuch und . Kleine Abweichungen können durch breite Lichtstrahlen, ungenaues Anzeichnen, eine verrutschte Spiegelkante oder Ablesefehler entstehen.
Zusammenfassung
Reflexion ist das Zurückwerfen einer Welle an einer Grenzfläche. Für Licht gilt: Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß und werden zum Lot gemessen. Glatte Flächen erzeugen geordnete, spiegelnde Reflexion. Raue Flächen verteilen das Licht diffus, obwohl an jeder kleinen Teilfläche das Reflexionsgesetz gilt. Ein ebener Spiegel erzeugt ein virtuelles, aufrechtes und gleich großes Bild. Reflexion wird in Spiegeln, Periskopen, Retroreflektoren, Teleskopen, Radar, Sonar und vielen weiteren Anwendungen genutzt.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Zwischen welchen Linien wird der Einfallswinkel gemessen? (Zwischen Einfallsstrahl und Einfallslot) (!Zwischen Einfallsstrahl und Spiegeloberfläche) (!Zwischen Reflexionsstrahl und Spiegeloberfläche) (!Zwischen zwei beliebigen Lichtstrahlen)
Was besagt das Reflexionsgesetz? (Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß) (!Der Reflexionswinkel ist immer doppelt so groß) (!Der Einfallswinkel ist immer null Grad) (!Licht wird nur an Metallen reflektiert)
Welche Aussage zur diffusen Reflexion ist richtig? (Das Reflexionsgesetz gilt an jeder kleinen Teilfläche) (!Das Reflexionsgesetz gilt nur bei Spiegeln) (!Raue Flächen absorbieren immer das gesamte Licht) (!Diffuse Reflexion tritt nur im Dunkeln auf)
Welche Eigenschaft hat das Bild eines ebenen Spiegels? (Es ist virtuell) (!Es ist immer verkleinert) (!Es steht immer auf dem Kopf) (!Es kann direkt auf einem Schirm aufgefangen werden)
Wie groß ist der Reflexionswinkel bei einem Einfallswinkel von 25 Grad? (25 Grad) (!50 Grad) (!65 Grad) (!90 Grad)
Warum kannst Du eine matte Wand aus vielen Richtungen sehen? (Weil sie Licht diffus reflektiert) (!Weil sie selbst stark leuchtet) (!Weil sie jedes Licht vollständig durchlässt) (!Weil an ihr kein Licht zurückgeworfen wird)
Welche Aufgabe hat das Lot bei einer Reflexionszeichnung? (Es dient als Bezugslinie für die Winkelmessung) (!Es verstärkt die Helligkeit des Lichtstrahls) (!Es ersetzt die Spiegeloberfläche) (!Es erzeugt das virtuelle Bild)
Was macht ein Retroreflektor? (Er wirft Licht ungefähr zur Quelle zurück) (!Er absorbiert das gesamte einfallende Licht) (!Er zerlegt Licht immer in Spektralfarben) (!Er lässt Licht nur nach unten austreten)
Warum wird bei der Echomessung durch zwei geteilt? (Der Schall legt Hinweg und Rückweg zurück) (!Die Schallgeschwindigkeit halbiert sich) (!Die Wand reflektiert nur die Hälfte des Schalls) (!Ein Echo besteht immer aus zwei Tönen)
Was geschieht bei Totalreflexion? (Das Licht wird vollständig an der Grenzfläche zurückgeworfen) (!Das Licht verschwindet vollständig) (!Das Licht wird nur absorbiert) (!Das Licht tritt ohne Richtungsänderung aus)
Memory
| Einfallsstrahl | läuft auf die Oberfläche zu |
| Reflexionsstrahl | läuft von der Oberfläche weg |
| Einfallslot | steht senkrecht auf der Oberfläche |
| Spiegelnde Reflexion | geordnete Rückwerfung an glatter Fläche |
| Diffuse Reflexion | Verteilung des Lichts in viele Richtungen |
| Virtuelles Bild | kann nicht direkt auf einem Schirm aufgefangen werden |
| Retroreflektor | sendet Licht ungefähr zur Quelle zurück |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Einfallswinkel | Winkel zwischen Einfallsstrahl und Lot |
| Reflexionswinkel | Winkel zwischen Reflexionsstrahl und Lot |
| Ebener Spiegel | erzeugt ein aufrechtes virtuelles Bild |
| Raue Oberfläche | führt meist zu diffuser Reflexion |
| Periskop | lenkt Licht mit Spiegeln oder Prismen um |
...
Kreuzworträtsel
| Reflexion | Wie heißt das Zurückwerfen einer Welle? |
| Einfallslot | Welche gedachte Linie steht im Auftreffpunkt senkrecht auf der Oberfläche? |
| Einfallswinkel | Welcher Winkel liegt zwischen ankommendem Strahl und Lot? |
| Reflexionswinkel | Welcher Winkel liegt zwischen zurückgeworfenem Strahl und Lot? |
| Spiegelbild | Wie heißt die wahrgenommene Abbildung hinter einem ebenen Spiegel? |
| Retroreflektor | Welches Bauteil wirft Licht ungefähr zur Quelle zurück? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Reflexion im Alltag: Fotografiere oder zeichne vier Situationen, in denen Du Reflexion erkennst, und beschrifte die reflektierende Fläche.
- Begriffsplakat: Gestalte ein Plakat mit Einfallsstrahl, Einfallspunkt, Lot, Einfallswinkel, Reflexionsstrahl und Reflexionswinkel.
- Spiegelbeobachtung: Untersuche drei Gegenstände vor einem ebenen Spiegel und beschreibe Bildgröße, Bildlage und Bildorientierung.
- Oberflächenvergleich: Beleuchte Spiegel, Papier, Metallfolie und Stoff und notiere, aus welchen Richtungen Du besonders viel reflektiertes Licht siehst.
Standard
- Reflexionsversuch: Miss für mindestens fünf Einfallswinkel die zugehörigen Reflexionswinkel und stelle die Ergebnisse in einer Tabelle dar.
- Fehleranalyse: Wiederhole eine Winkelmessung mehrfach und erkläre mögliche Ursachen für unterschiedliche Messwerte.
- Periskopbau: Baue aus Karton und zwei kleinen Spiegeln ein einfaches Periskop und dokumentiere den Strahlengang.
- Erklärvideo Reflexionsgesetz: Produziere ein kurzes Erklärvideo mit Zeichnung, Fachbegriffen und einem gerechneten Winkelbeispiel.
Schwer
- Spiegelbildkonstruktion: Konstruiere für mehrere Gegenstandspunkte das Bild an einem ebenen Spiegel und begründe die Lage geometrisch.
- Retroreflektor-Modell: Entwickle ein Modell aus zwei oder drei spiegelnden Flächen und untersuche, aus welchen Richtungen Licht zur Quelle zurückkehrt.
- Echoentfernung: Plane eine sichere Messung einer Entfernung mit reflektiertem Schall, führe sie durch und diskutiere die Messunsicherheit.
- Reflexion und Brechung: Untersuche an einer Grenzfläche, wann Reflexion und Brechung gleichzeitig auftreten, und präsentiere Deine Ergebnisse als Versuchsbericht.


Lernkontrolle
- Strahlengang begründen: Ein Lichtstrahl trifft schräg auf einen Spiegel. Konstruiere den weiteren Verlauf und erkläre jeden Konstruktionsschritt.
- Alltagsanalyse: Begründe, warum Du Dich in einem Spiegel deutlich siehst, in einer weißen Wand aber normalerweise nicht.
- Fehlervorstellung prüfen: Eine Person behauptet, bei diffuser Reflexion gelte das Reflexionsgesetz nicht. Widerlege die Aussage mit einer Skizze und einem Text.
- Spiegelbild übertragen: Erkläre, wie sich das Spiegelbild verändert, wenn ein Gegenstand zehn Zentimeter näher an einen ebenen Spiegel bewegt wird.
- Technikvergleich: Vergleiche Periskop und Retroreflektor hinsichtlich Strahlengang, Zweck und Anzahl der Reflexionen.
- Wellentransfer: Übertrage das Prinzip der Lichtreflexion auf ein Echo und erkläre Gemeinsamkeiten sowie Grenzen des Vergleichs.
Lernnachweis
Für einen überzeugenden Lernnachweis sind wichtig:
- korrekte Verwendung der Fachbegriffe Einfallsstrahl, Einfallslot, Einfallswinkel, Reflexionsstrahl und Reflexionswinkel,
- eine saubere Zeichnung des Strahlengangs mit Pfeilen und Winkelmarkierungen,
- die richtige Anwendung von ,
- eine verständliche Erklärung von spiegelnder und diffuser Reflexion,
- eine korrekte Beschreibung des virtuellen Bildes am ebenen Spiegel,
- die Übertragung des Wissens auf mindestens eine technische oder alltägliche Anwendung,
- eine nachvollziehbare Auswertung von Messdaten einschließlich möglicher Messfehler.
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