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

Lichtbrechung - Physik

Einleitung

Lichtbrechung begegnet Dir täglich: Ein Stift im Wasserglas wirkt geknickt, ein Schwimmbecken erscheint flacher und ein Prisma zerlegt weißes Licht in Farben. Licht ändert an der Grenze zwischen zwei durchsichtigen Stoffen meist seine Richtung. Ursache ist die unterschiedliche Lichtgeschwindigkeit in den Stoffen.

In diesem aiMOOC lernst Du, Lichtbrechung zu beschreiben, Winkel richtig zu messen, das Brechungsgesetz anzuwenden und Anwendungen wie Prisma, Regenbogen, Glasfaser und Regensensor zu erklären.

Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du:

Lichtbrechung: Alltagsbeispiele mit dem Strahlenmodell erklären.
Einfallswinkel: Einfalls- und Brechungswinkel am Lot bestimmen.
Brechungsindex: Die Bedeutung der Brechzahl erläutern.
Snelliussches Brechungsgesetz: Einfache Winkel berechnen.
Dispersion: Die Zerlegung weißen Lichts erklären.
Totalreflexion: Bedingungen und technische Anwendungen beschreiben.

Licht an einer Grenzfläche

Trifft Licht schräg auf die Grenze zweier durchsichtiger Medien, wird ein Teil reflektiert und ein Teil tritt in das zweite Medium ein. Der hindurchtretende Anteil ändert häufig seine Richtung. Diese Richtungsänderung heißt Brechung.

Die Winkel werden immer zwischen dem Lichtstrahl und dem Lot gemessen. Das Lot steht senkrecht auf der Grenzfläche.

Einfallswinkel und Brechungswinkel am Lot

Brechung zum Lot und vom Lot weg

Beim Übergang in ein Medium mit größerem Brechungsindex wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen. Beim Übergang in ein Medium mit kleinerem Brechungsindex wird er vom Lot weg gebrochen.

Luft nach Wasser: Brechung zum Lot.
Wasser nach Luft: Brechung vom Lot weg.
Senkrechter Einfall: Keine Richtungsänderung, aber die Ausbreitungsgeschwindigkeit ändert sich.

Ursache der Brechung

Licht breitet sich im Vakuum mit der Geschwindigkeit $c$ aus. In einem Stoff ist seine Ausbreitungsgeschwindigkeit $v$ kleiner. Der Brechungsindex ist definiert als:

$n = \frac{c}{v}$

Ein größerer Brechungsindex bedeutet eine kleinere Lichtgeschwindigkeit im Medium. Beim Übergang bleibt die Frequenz des Lichts gleich. Geschwindigkeit und Wellenlänge ändern sich.

Wichtig: Die optische Dichte ist nicht dasselbe wie die Massendichte eines Stoffes.

Typische Brechungsindizes

Die Werte gelten näherungsweise für sichtbares Licht.

Medium	Brechungsindex
Vakuum	1,0000
Luft	etwa 1,0003
Wasser	etwa 1,33
Kronglas	etwa 1,5
Diamant	etwa 2,42

Das Snelliussche Brechungsgesetz

Für zwei Medien mit den Brechungsindizes $n_{1}$ und $n_{2}$ gilt:

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

Dabei ist $α$ der Einfallswinkel und $β$ der Brechungswinkel. Beide Winkel werden zum Lot gemessen.

Zusammenhang zwischen Einfallswinkel und Brechungswinkel

Rechenbeispiel: Luft zu Wasser

Ein Lichtstrahl trifft aus Luft mit $α = 4 0^{\circ}$ auf Wasser. Mit $n_{1} = 1,00$ und $n_{2} = 1,33$ ergibt sich:

$β = \arcsin (\frac{n_{1}}{n_{2}} \cdot \sin (α))$

$β = \arcsin (\frac{1,00}{1,33} \cdot \sin (4 0^{\circ})) \approx 28, 9^{\circ}$

Der Brechungswinkel ist kleiner als der Einfallswinkel. Der Strahl wird daher zum Lot hin gebrochen.

Dispersion und Farbspektrum

Der Brechungsindex hängt von der Wellenlänge ab. Deshalb werden die Farben des weißen Lichts unterschiedlich stark gebrochen. Diese Erscheinung heißt Dispersion. Violettes Licht wird in vielen Glassorten stärker abgelenkt als rotes Licht.

Zerlegung weißen Lichts durch ein Prisma

Ein Regenbogen entsteht durch Brechung, Dispersion und innere Reflexion in Regentropfen.

Totalreflexion

Licht kann beim Übergang von einem Medium mit größerem Brechungsindex in ein Medium mit kleinerem Brechungsindex vollständig reflektiert werden. Dazu muss der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel sein. Dieses Phänomen heißt Totalreflexion.

Für den Grenzwinkel $α_{G}$ gilt bei $n_{1} > n_{2}$ :

$\sin (α_{G}) = \frac{n_{2}}{n_{1}}$

Bei Wasser und Luft beträgt der Grenzwinkel ungefähr $48, 8^{\circ}$ .

Anwendungen

Lichtwellenleiter: Datenübertragung mit Lichtsignalen in Glasfasern.
Endoskop: Lichtleitung und Bildübertragung in der Medizin.
Prisma: Umlenkung von Licht in optischen Geräten.
Regensensor: Veränderung der Totalreflexion an einer nassen Autoscheibe.
Diamant: Starke Brechung und Totalreflexion erzeugen den typischen Glanz.

Schulversuch: Münze wird sichtbar

Lege eine Münze in eine undurchsichtige Tasse. Bewege Dich so, dass die Münze knapp hinter dem Tassenrand verschwindet. Eine zweite Person füllt langsam Wasser ein, ohne die Münze zu verschieben. Die Münze wird wieder sichtbar, weil Lichtstrahlen an der Wasseroberfläche gebrochen werden.

Sicherheit: Verwende keine Laser ohne geeignete Aufsicht. Richte Lichtquellen niemals in Augen.

Merksätze

Licht wird an einer Grenzfläche gebrochen, wenn es schräg einfällt und sich seine Ausbreitungsgeschwindigkeit ändert.
Die Winkel werden zum Lot gemessen.
Zum größeren Brechungsindex wird zum Lot hin gebrochen.
Zum kleineren Brechungsindex wird vom Lot weg gebrochen.
Bei Totalreflexion bleibt das Licht vollständig im optisch dichteren Medium.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Zwischen welchen Linien wird der Einfallswinkel gemessen? (Zwischen einfallendem Strahl und Lot) (!Zwischen einfallendem Strahl und Grenzfläche) (!Zwischen reflektiertem Strahl und Grenzfläche) (!Zwischen Lot und Grenzfläche)

Wie wird Licht beim Übergang von Luft zu Wasser gebrochen? (Zum Lot hin) (!Vom Lot weg) (!Parallel zur Grenzfläche) (!Immer vollständig zurück)

Was beschreibt der Brechungsindex? (Das Verhältnis von Vakuumlichtgeschwindigkeit zur Lichtgeschwindigkeit im Stoff) (!Die Helligkeit einer Lichtquelle) (!Die Masse eines transparenten Körpers) (!Die Farbe der Grenzfläche)

Welche Größe bleibt beim Übergang in ein anderes Medium gleich? (Die Frequenz) (!Die Ausbreitungsgeschwindigkeit) (!Die Wellenlänge) (!Der Brechungswinkel)

Welche Formel ist das Brechungsgesetz? (n1 mal Sinus Alpha ist gleich n2 mal Sinus Beta) (!n1 plus Alpha ist gleich n2 plus Beta) (!Alpha ist immer gleich Beta) (!n1 mal n2 ist gleich Alpha mal Beta)

Wann tritt Totalreflexion auf? (Beim Übergang zum kleineren Brechungsindex oberhalb des Grenzwinkels) (!Bei jedem senkrechten Lichteinfall) (!Nur beim Übergang von Luft zu Wasser) (!Nur bei undurchsichtigen Stoffen)

Was bewirkt ein Prisma bei weißem Licht? (Es zerlegt das Licht in Spektralfarben) (!Es macht alle Farben gleich schnell) (!Es verhindert jede Brechung) (!Es erzeugt Licht ohne Energiezufuhr)

Warum wirkt ein Stift im Wasser geknickt? (Weil Licht an der Wasseroberfläche gebrochen wird) (!Weil der Stift im Wasser schmilzt) (!Weil Wasser Licht vollständig verschluckt) (!Weil die Schwerkraft das Bild dreht)

Welche Anwendung nutzt Totalreflexion zur Datenübertragung? (Glasfaser) (!Heizdraht) (!Lautsprecher) (!Elektromagnet)

Was geschieht bei senkrechtem Einfall auf eine Grenzfläche? (Die Richtung bleibt gleich) (!Der Strahl wird um neunzig Grad abgelenkt) (!Es tritt immer Totalreflexion auf) (!Die Frequenz wird null)

Memory

Einfallswinkel	Winkel zwischen einfallendem Strahl und Lot
Brechungswinkel	Winkel zwischen gebrochenem Strahl und Lot
Brechungsindex	Maß für die Verringerung der Lichtgeschwindigkeit
Dispersion	Aufspaltung weißen Lichts in Farben
Grenzwinkel	Kleinster Winkel für Totalreflexion
Glasfaser	Lichtleitung durch innere Reflexion
Prisma	Optischer Körper zur Ablenkung und Farbzerlegung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Bedeutung
Lot	Senkrechte zur Grenzfläche
Grenzfläche	Übergang zwischen zwei Medien
Brechung zum Lot	Übergang zu größerem Brechungsindex
Brechung vom Lot	Übergang zu kleinerem Brechungsindex
Totalreflexion	Vollständige Rückkehr des Lichts in das erste Medium

Kreuzworträtsel

Snellius	Nach wem ist das Brechungsgesetz benannt?
Brechzahl	Welches andere Wort wird für Brechungsindex verwendet?
Grenzfläche	Wie heißt die Trennfläche zwischen zwei Medien?
Totalreflexion	Wie heißt die vollständige Reflexion im optisch dichteren Medium?
Prisma	Welcher optische Körper kann weißes Licht in Farben zerlegen?
Wellenlänge	Welche Wellengröße ändert sich zusammen mit der Geschwindigkeit?

LearningApps

Lückentext

Lichtbrechung entsteht beim Übergang zwischen zwei transparenten

. Der Einfallswinkel wird zwischen dem einfallenden Strahl und dem

gemessen. Beim Übergang zu einem größeren Brechungsindex wird Licht zum

hin gebrochen. Der Brechungsindex ist das Verhältnis aus Vakuumlichtgeschwindigkeit und Lichtgeschwindigkeit im

. Beim Medienwechsel bleibt die

des Lichts gleich. Das Snelliussche Gesetz verknüpft Brechungsindizes und die Sinuswerte der

. Die wellenlängenabhängige Brechung heißt

. Ein Prisma kann weißes Licht in ein

zerlegen. Oberhalb des Grenzwinkels kann

auftreten. Glasfasern führen Licht durch wiederholte innere

.

Offene Aufgaben

Leicht

Knickender Stift: Fotografiere einen Stift in einem Wasserglas aus zwei Blickrichtungen und beschreibe die sichtbare Veränderung.
Münzversuch: Führe den Münzversuch durch und zeichne einen möglichen Lichtweg.
Begriffskarte: Gestalte eine Lernkarte mit Lot, Einfallswinkel und Brechungswinkel.
Alltagsbeispiele: Finde drei Beispiele für Lichtbrechung in Deiner Umgebung und erkläre eines davon.

Standard

Brechungsdiagramm: Zeichne für Luft zu Wasser drei Strahlengänge mit verschiedenen Einfallswinkeln.
Messreihe zur Lichtbrechung: Plane eine Messung mit Halbkreiskörper, Lampe und Winkelmesser und erstelle eine Ergebnistabelle.
Erklärvideo Lichtbrechung: Produziere ein kurzes Video, das Brechung zum Lot und vom Lot weg unterscheidet.
Prisma und Spektrum: Untersuche mit einem Prisma oder einer geeigneten Simulation die Farbzerlegung und protokolliere Deine Beobachtungen.

Schwer

Brechungsindex bestimmen: Entwickle ein Verfahren, mit dem Du aus gemessenen Winkeln den Brechungsindex eines transparenten Körpers bestimmst.
Regensensor analysieren: Recherchiere den Aufbau eines optischen Regensensors und erkläre die Rolle der Totalreflexion in einem Schaubild.
Fehleranalyse Brechungsversuch: Untersuche mögliche Messfehler und bewerte, wie sie das berechnete Ergebnis beeinflussen.
Optische Täuschung gestalten: Entwickle eine eigene Demonstration zur scheinbaren Tiefe und dokumentiere Aufbau, Erklärung und Grenzen des Modells.

Lernkontrolle

Strahlengang begründen: Ein Lichtstrahl tritt von Wasser in Luft über. Zeichne den Strahlengang und begründe die Richtung der Brechung ohne Zahlenrechnung.
Schwimmbecken erklären: Erkläre mit einem Strahlenbild, warum ein Becken vom Rand aus flacher erscheint.
Materialvergleich: Zwei unbekannte Stoffe erzeugen bei gleichem Einfallswinkel verschiedene Brechungswinkel. Leite ab, welcher Stoff den größeren Brechungsindex besitzt.
Daten auswerten: Prüfe anhand einer Messreihe, ob die Quotienten aus Sinuswerten annähernd konstant sind, und deute Abweichungen.
Techniktransfer: Vergleiche Glasfaser und Regensensor hinsichtlich der Nutzung von Brechung und Totalreflexion.
Modellkritik: Erkläre, was das Strahlenmodell gut beschreibt und an welcher Stelle das Wellenmodell mehr Verständnis liefert.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

Einfallswinkel, Brechungswinkel, Lot und Grenzfläche korrekt verwendest.
Strahlengänge zum Lot und vom Lot weg richtig zeichnest.
den Brechungsindex als Verhältnis von Lichtgeschwindigkeiten erklärst.
das Snelliussche Brechungsgesetz in einer einfachen Rechnung anwendest.
Dispersion und die Entstehung eines Farbspektrums erläuterst.
die Bedingungen der Totalreflexion auf eine technische Anwendung überträgst.
Messwerte, Zeichnungen oder Versuchsergebnisse nachvollziehbar dokumentierst.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Lichtbrechung - 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.