Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, G-Niveau

Das Brechungsgesetz - Physik

Einleitung

Das Brechungsgesetz beschreibt, wie sich die Richtung eines Lichtstrahls verändert, wenn er von einem durchsichtigen Stoff in einen anderen übergeht. Solche Stoffe sind zum Beispiel Luft, Wasser, Glas oder Kunststoff. Die Richtungsänderung entsteht, weil sich Licht in den Stoffen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreitet.

Ein bekanntes Beispiel ist ein Stift in einem Wasserglas. Der Stift scheint an der Wasseroberfläche geknickt zu sein. Tatsächlich bleibt er gerade. Nur die Lichtstrahlen werden beim Übergang zwischen Wasser, Glas und Luft gebrochen.

In diesem aiMOOC lernst Du, wie Du Einfallswinkel und Brechungswinkel bestimmst, das Brechungsgesetz anwendest und typische Erscheinungen aus Alltag und Technik erklärst.

Grundbegriffe der Lichtbrechung

Grenzfläche und Lot

Treffen zwei Stoffe aufeinander, entsteht eine Grenzfläche. Im Auftreffpunkt des Lichtstrahls zeichnet man eine gedachte Linie senkrecht zur Grenzfläche. Diese Linie heißt Lot oder Einfallslot.

Der Einfallswinkel $α_{1}$ liegt zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und dem Lot. Der Brechungswinkel $α_{2}$ liegt zwischen dem gebrochenen Lichtstrahl und dem Lot. Beide Winkel werden immer vom Lot aus gemessen, nicht von der Grenzfläche.

Brechungsindex

Der Brechungsindex $n$ gibt an, wie stark sich die Lichtgeschwindigkeit in einem Stoff gegenüber dem Vakuum verringert:

$n = \frac{c_{0}}{c}$

Dabei ist $c_{0}$ die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und $c$ die Lichtgeschwindigkeit im jeweiligen Stoff. Ein größerer Brechungsindex bedeutet eine kleinere Lichtgeschwindigkeit im Stoff.

Stoff	Brechungsindex ungefähr
Vakuum	1,00
Luft	1,00
Wasser	1,33
gewöhnliches Glas	etwa 1,5

Die Werte hängen etwas von der Wellenlänge des Lichts und von der genauen Zusammensetzung des Stoffes ab.

Das Brechungsgesetz

Das Snelliussche Brechungsgesetz lautet:

$n_{1} \cdot \sin (α_{1}) = n_{2} \cdot \sin (α_{2})$

Dabei gehören $n_{1}$ und $α_{1}$ zum ersten Medium. $n_{2}$ und $α_{2}$ gehören zum zweiten Medium.

Eine weitere Schreibweise ist:

$\frac{\sin (α_{1})}{\sin (α_{2})} = \frac{n_{2}}{n_{1}}$

Mit dem Gesetz kannst Du einen unbekannten Winkel oder einen unbekannten Brechungsindex berechnen.

Brechung zum Lot hin

Geht Licht von einem Medium mit kleinerem Brechungsindex in ein Medium mit größerem Brechungsindex, wird es zum Lot hin gebrochen.

Für den Übergang von Luft zu Wasser gilt deshalb:

$α_{2} < α_{1}$

Das zweite Medium wird häufig als optisch dichter bezeichnet. Damit ist nicht die Massendichte gemeint, sondern der größere Brechungsindex.

Brechung vom Lot weg

Geht Licht von einem Medium mit größerem Brechungsindex in ein Medium mit kleinerem Brechungsindex, wird es vom Lot weg gebrochen.

Für den Übergang von Wasser zu Luft gilt deshalb:

$α_{2} > α_{1}$

Bei senkrechtem Einfall ist der Einfallswinkel null Grad. Der Lichtstrahl ändert dann seine Richtung nicht, obwohl sich seine Geschwindigkeit verändert.

Erklärung mit Wellenfronten

Licht kann auch als Welle betrachtet werden. Trifft eine Wellenfront schräg auf ein Medium, in dem sie sich langsamer ausbreitet, wird ein Teil der Wellenfront früher abgebremst als der andere. Dadurch dreht sich die Wellenfront und damit auch die Ausbreitungsrichtung.

Die Frequenz des Lichts bleibt beim Übergang gleich. Geschwindigkeit und Wellenlänge ändern sich.

Beispielrechnung

Ein Lichtstrahl trifft aus Luft mit $α_{1} = 4 5^{\circ}$ auf Wasser. Es gelten näherungsweise $n_{1} = 1,00$ und $n_{2} = 1,33$ .

Zuerst wird das Brechungsgesetz nach $\sin (α_{2})$ umgestellt:

$\sin (α_{2}) = \frac{n_{1}}{n_{2}} \cdot \sin (α_{1})$

Einsetzen ergibt:

$\sin (α_{2}) = \frac{1,00}{1,33} \cdot \sin (4 5^{\circ}) \approx 0,532$

Daraus folgt:

$α_{2} \approx 3 2^{\circ}$

Der Brechungswinkel ist kleiner als der Einfallswinkel. Der Strahl wird beim Übergang von Luft zu Wasser zum Lot hin gebrochen.

Beobachtungen und Anwendungen

Optische Hebung

Ein Gegenstand unter Wasser erscheint näher an der Oberfläche, als er tatsächlich ist. Dein Auge verlängert die ankommenden Lichtstrahlen gedanklich geradlinig zurück. Durch die Brechung entsteht deshalb ein scheinbarer Ort des Gegenstands.

Das erklärt, warum ein Schwimmbecken flacher wirken kann und warum Fische von außerhalb des Wassers an einer anderen Stelle erscheinen.

Totalreflexion

Beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium wird der Brechungswinkel mit wachsendem Einfallswinkel immer größer. Ab einem bestimmten Grenzwinkel kann kein Lichtstrahl mehr in das zweite Medium übertreten. Das Licht wird vollständig reflektiert.

Für $n_{1} > n_{2}$ gilt:

$\sin (α_{G}) = \frac{n_{2}}{n_{1}}$

Totalreflexion wird unter anderem in Glasfasern, Lichtleitern und optischen Geräten genutzt.

Dispersion und Prisma

Der Brechungsindex eines Stoffes hängt von der Wellenlänge ab. Deshalb werden verschiedene Farben unterschiedlich stark gebrochen. Diese Erscheinung heißt Dispersion.

Ein Prisma kann weißes Licht in Spektralfarben zerlegen. Meist wird blaues Licht stärker gebrochen als rotes Licht.

Experiment: Brechung untersuchen

Du benötigst eine Lichtquelle mit schmalem Lichtstrahl, einen halbkreisförmigen Glaskörper oder Kunststoffkörper, Papier, Bleistift, Lineal und Winkelmesser. Laser dürfen nur unter Beachtung der Sicherheitsregeln und unter Aufsicht verwendet werden.

Lege den Körper auf das Papier und markiere seine Lage.
Richte den Lichtstrahl so aus, dass er durch den Mittelpunkt der geraden Grenzfläche läuft.
Zeichne den einfallenden und den gebrochenen Strahl nach.
Miss Einfallswinkel und Brechungswinkel jeweils zum Lot.
Wiederhole den Versuch für mehrere Einfallswinkel.
Berechne für jede Messung den Quotienten $\frac{\sin (α_{1})}{\sin (α_{2})}$ .
Vergleiche die Ergebnisse und bestimme näherungsweise den Brechungsindex.

Messfehler können durch breite Lichtstrahlen, ungenaues Zeichnen, falsches Ablesen und einen nicht genau getroffenen Mittelpunkt entstehen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt das Brechungsgesetz? (Den Zusammenhang zwischen Brechungsindizes und Winkeln) (!Die Erwärmung eines Glaskörpers) (!Die Helligkeit einer Lichtquelle) (!Die elektrische Ladung eines Photons)

Von welcher Linie aus werden Einfallswinkel und Brechungswinkel gemessen? (Vom Lot) (!Von der Grenzfläche) (!Vom reflektierten Strahl) (!Vom Rand des Glaskörpers)

Welche Gleichung ist das Snelliussche Brechungsgesetz? (n1 mal Sinus alpha1 gleich n2 mal Sinus alpha2) (!n1 plus alpha1 gleich n2 plus alpha2) (!n1 mal alpha1 gleich n2 geteilt durch alpha2) (!Sinus n1 gleich Sinus n2)

Wie wird Licht beim Übergang von Luft zu Glas gebrochen? (Zum Lot hin) (!Vom Lot weg) (!Immer parallel zur Grenzfläche) (!Überhaupt nicht)

Wie wird Licht beim Übergang von Glas zu Luft gebrochen? (Vom Lot weg) (!Zum Lot hin) (!Immer senkrecht zur Grenzfläche) (!Immer in die Ausgangsrichtung)

Was bedeutet ein größerer Brechungsindex? (Die Lichtgeschwindigkeit im Stoff ist kleiner) (!Die Lichtgeschwindigkeit im Stoff ist größer als im Vakuum) (!Der Stoff sendet immer eigenes Licht aus) (!Der Einfallswinkel beträgt stets null Grad)

Was geschieht bei senkrechtem Einfall auf eine Grenzfläche? (Der Strahl ändert seine Richtung nicht) (!Der Strahl läuft an der Grenzfläche entlang) (!Der Strahl wird vollständig absorbiert) (!Der Strahl wird immer total reflektiert)

Warum wirkt ein Stift im Wasser geknickt? (Weil Licht an den Grenzflächen gebrochen wird) (!Weil Wasser den Stift mechanisch verbiegt) (!Weil das Glas den Stift vergrößert) (!Weil Licht im Wasser keine Richtung besitzt)

Wann kann Totalreflexion auftreten? (Beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium) (!Nur beim Übergang von Luft zu Glas) (!Bei jedem senkrechten Einfall) (!Nur in vollständig undurchsichtigen Stoffen)

Warum zerlegt ein Prisma weißes Licht in Farben? (Weil der Brechungsindex von der Wellenlänge abhängt) (!Weil jede Farbe gleich stark gebrochen wird) (!Weil das Prisma neue Farben erzeugt) (!Weil Licht im Prisma vollständig verschwindet)

Memory

Einfallswinkel	Winkel zwischen einfallendem Strahl und Lot
Brechungswinkel	Winkel zwischen gebrochenem Strahl und Lot
Einfallslot	Senkrechte Linie auf der Grenzfläche
Brechungsindex	Maß für die Verringerung der Lichtgeschwindigkeit
Mediengrenze	Übergang zwischen zwei Stoffen
Totalreflexion	Vollständige Rückkehr des Lichts in das erste Medium
Dispersion	Wellenlängenabhängige Aufspaltung des Lichts
Optische Hebung	Scheinbare Verschiebung eines Gegenstands nach oben

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Beobachtung
Brechung zum Lot	Übergang von Luft zu Glas
Brechung vom Lot	Übergang von Wasser zu Luft
Geradliniger Verlauf	Senkrechter Einfall
Geringere Lichtgeschwindigkeit	Größerer Brechungsindex
Vollständige Reflexion	Grenzwinkel überschritten

Kreuzworträtsel

Snellius	Nach welcher latinisierten Namensform ist das Brechungsgesetz benannt?
Grenzfläche	Wie heißt die Trennfläche zwischen zwei Medien?
Brechungsindex	Welche Größe beschreibt die Verringerung der Lichtgeschwindigkeit?
Totalreflexion	Wie heißt die vollständige Reflexion oberhalb des Grenzwinkels?
Dispersion	Wie heißt die wellenlängenabhängige Aufspaltung von Licht?
Lichtstrahl	Was ändert beim Übergang in ein anderes Medium seine Richtung?

LearningApps

Lückentext

Die Trennfläche zwischen zwei durchsichtigen Stoffen heißt

.

Die senkrechte Linie durch den Auftreffpunkt wird

genannt.

Einfallswinkel und Brechungswinkel werden immer zum

gemessen.

Der Brechungsindex beschreibt die Verringerung der

in einem Stoff.

Beim Übergang von Luft zu Glas wird ein Lichtstrahl zum

hin gebrochen.

Beim Übergang von Glas zu Luft wird ein Lichtstrahl vom

weg gebrochen.

Bei senkrechtem Einfall bleibt die Richtung des Lichtstrahls

.

Die vollständige Reflexion oberhalb eines Grenzwinkels heißt

.

Die wellenlängenabhängige Aufspaltung von Licht heißt

.

Ein Gegenstand unter Wasser kann durch Brechung scheinbar näher an der

liegen.

Offene Aufgaben

Leicht

Brechung im Wasserglas: Fotografiere einen Stift in einem Wasserglas und beschreibe die sichtbare Veränderung.
Strahlengang zeichnen: Zeichne Grenzfläche, Lot, einfallenden Strahl und gebrochenen Strahl für den Übergang von Luft zu Wasser.
Begriffe erklären: Erstelle Lernkarten zu Einfallswinkel, Brechungswinkel, Lot und Brechungsindex.
Alltagsbeispiele: Sammle fünf Situationen, in denen Lichtbrechung eine Rolle spielt.

Standard

Brechungsversuch: Plane eine Messreihe mit mindestens fünf Einfallswinkeln und dokumentiere die Brechungswinkel.
Messwertdiagramm: Trage den Sinus des Einfallswinkels gegen den Sinus des Brechungswinkels auf und deute das Ergebnis.
Erklärvideo: Produziere ein kurzes Video, in dem Du das Brechungsgesetz ohne Ablesen erklärst.
Optische Hebung: Entwickle eine Zeichnung, die erklärt, warum ein Gegenstand unter Wasser höher erscheint.

Schwer

Brechungsindex bestimmen: Ermittle aus eigenen Messwerten den Brechungsindex eines transparenten Körpers und schätze die Unsicherheit ab.
Totalreflexion untersuchen: Entwickle einen Versuch zum Grenzwinkel und vergleiche Messung und Rechnung.
Prisma und Dispersion: Erkläre mithilfe des Brechungsgesetzes, warum ein Prisma Farben unterschiedlich stark ablenkt.
Technikanalyse Glasfaser: Recherchiere den Strahlengang in einer Glasfaser und erstelle ein Modell oder eine wissenschaftliche Grafik.

Lernkontrolle

Unbekanntes Medium: Ein Lichtstrahl tritt aus Luft in ein unbekanntes Material ein. Entwickle aus gegebenen Winkeln einen Rechenweg zur Bestimmung des Brechungsindex und begründe jeden Schritt.
Fehleranalyse Brechungsversuch: Eine Messgruppe erhält stark schwankende Werte für den Brechungsindex. Analysiere mögliche Ursachen und schlage Verbesserungen vor.
Schwimmbecken: Erkläre mit einem Strahlenmodell, warum ein Becken flacher erscheint, und leite daraus eine Sicherheitsregel ab.
Umgekehrter Lichtweg: Begründe, warum ein Lichtstrahl denselben Weg zurücknehmen kann, wenn seine Ausbreitungsrichtung umgekehrt wird.
Materialvergleich: Vergleiche zwei transparente Stoffe anhand ihrer Brechungsindizes und sage voraus, in welchem Stoff der Brechungswinkel kleiner ist.
Grenzen des Strahlenmodells: Diskutiere, welche Aspekte der Lichtbrechung das Strahlenmodell gut erklärt und wann ein Wellenmodell hilfreicher ist.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

die Begriffe Grenzfläche, Lot, Einfallswinkel, Brechungswinkel und Brechungsindex korrekt verwendest,
einen Strahlengang sauber zeichnest und Winkel vom Lot aus misst,
das Brechungsgesetz mit der Math-Formel anwendest und nach einer gesuchten Größe umstellst,
Brechung zum Lot und vom Lot sicher unterscheidest,
eine Messreihe auswertest und Messfehler begründet einschätzt,
optische Hebung, Dispersion und Totalreflexion mithilfe der Lichtbrechung erklärst,
Dein Wissen auf eine neue Alltagssituation oder technische Anwendung überträgst.

OERs zum Thema

Weitere freie Lernangebote

Verknüpfte Lernbereiche

Das Brechungsgesetz verbindet geometrische Optik, Wellenlehre, Mathematik, Experimente und technische Anwendungen. Entscheidend sind die Winkelmessung am Lot, der Brechungsindex, die Änderung der Lichtgeschwindigkeit sowie die Anwendung des Gesetzes auf Alltag und Technik.

Das Brechungsgesetz - Physik

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.