Spiegelbilder - Physik
Spiegelbilder - Physik
Spiegelbilder - Physik
Einleitung
Ein Spiegel lenkt Licht gerichtet zurück. Dadurch entsteht ein Bild, das scheinbar hinter der Spiegelfläche liegt. In diesem aiMOOC lernst Du, wie ein Spiegelbild entsteht, wie Du Lichtstrahlen konstruierst und wo Spiegel in Technik und Alltag genutzt werden.
Die reflektierten Lichtstrahlen scheinen aus einem Punkt hinter dem Spiegel zu kommen.
Das Reflexionsgesetz
Trifft ein Lichtstrahl auf eine spiegelnde Fläche, wird er reflektiert. Der Einfallswinkel und der Ausfallswinkel werden immer zwischen Lichtstrahl und Lot gemessen. Das Lot steht senkrecht auf der Spiegelfläche.
Einfallender Strahl, Lot und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene. Dieses Reflexionsgesetz gilt auch dann, wenn die Oberfläche nicht glatt ist. Bei rauen Flächen werden die Strahlen jedoch in viele Richtungen verteilt.
Gerichtete und diffuse Reflexion
Eine sehr glatte Fläche erzeugt eine gerichtete Reflexion. Benachbarte Lichtstrahlen werden geordnet zurückgeworfen, sodass ein deutliches Bild entstehen kann. Eine raue Fläche bewirkt diffuse Reflexion. Deshalb siehst Du eine Wand aus vielen Richtungen, aber normalerweise kein scharfes Spiegelbild auf ihr.
Entstehung des Spiegelbildes
Licht vom Gegenstand trifft auf den ebenen Spiegel und wird in Dein Auge reflektiert. Dein Wahrnehmungssystem nimmt eine geradlinige Ausbreitung des Lichts an und verlängert die reflektierten Strahlen gedanklich nach hinten. Dort schneiden sich nur ihre Rückverlängerungen. Deshalb ist das Bild virtuell.
Ein virtuelles Bild kann nicht direkt auf einem Schirm aufgefangen werden. Beim Planspiegel gilt:
Dabei ist der Abstand des Gegenstands vor dem Spiegel und der scheinbare Abstand des Bildes hinter dem Spiegel.
Eigenschaften am ebenen Spiegel
Das Spiegelbild ist aufrecht, gleich groß und gleich weit von der Spiegelebene entfernt wie der Gegenstand. Gegenstand und Bild liegen symmetrisch zur Spiegelebene.
Oft heißt es, ein Spiegel vertausche links und rechts. Physikalisch genauer ist: Er kehrt die Richtung senkrecht zur Spiegelfläche um, also vorne und hinten. Die scheinbare Links-rechts-Vertauschung entsteht, wenn Du Dich gedanklich in die Position des Spiegelbildes drehst.
Um Dich vollständig in einem ebenen Spiegel zu sehen, genügt unter idealen Bedingungen eine Spiegelhöhe von etwa der Hälfte Deiner Körpergröße. Dein Abstand vom Spiegel verändert diese Mindesthöhe nicht.
Bildkonstruktion
So konstruierst Du den Bildpunkt eines Gegenstandspunktes:
- Spiegelebene: Zeichne die Spiegelgerade.
- Lot: Zeichne vom Gegenstandspunkt eine Senkrechte zur Spiegelgeraden.
- Abstand: Trage denselben Abstand hinter dem Spiegel ab.
- Bildpunkt: Markiere dort den virtuellen Bildpunkt.
- Kontrolle: Verbinde Gegenstands- und Bildpunkte; die Verbindung muss senkrecht zur Spiegelebene sein.
Für eine Strahlenkonstruktion zeichnest Du mindestens zwei Strahlen vom Gegenstand zum Spiegel. Nach der Reflexion verlängerst Du sie gestrichelt hinter den Spiegel. Der Schnittpunkt der Rückverlängerungen ist der virtuelle Bildpunkt.
Anwendungen
Bei einem Periskop lenken zwei parallele ebene Spiegel das Licht zweimal um. So kannst Du über ein Hindernis sehen. Spiegel werden außerdem in Fahrzeugen, Kameras, Teleskopen, Solaröfen und optischen Messgeräten eingesetzt.
Gekrümmte Spiegel
Ein Wölbspiegel ist nach außen gekrümmt. Er liefert ein aufrechtes, virtuelles und verkleinertes Bild und vergrößert den sichtbaren Bereich. Deshalb wird er zum Beispiel als Verkehrsspiegel verwendet.
Ein Hohlspiegel ist nach innen gekrümmt. Befindet sich der Gegenstand innerhalb der Brennweite, entsteht ein aufrechtes, vergrößertes virtuelles Bild. Außerhalb der Brennweite kann ein reelles, umgekehrtes Bild entstehen.
Mini-Experiment: Winkel messen
Lege einen Spiegel auf eine gezeichnete Linie. Richte eine schmale Lichtquelle auf den Spiegel und markiere Einfallsstrahl, Auftreffpunkt und reflektierten Strahl. Zeichne das Lot und miss beide Winkel mit dem Geodreieck. Verwende keinen starken Laser und richte Licht niemals in Augen.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welche Beziehung beschreibt das Reflexionsgesetz? (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) (!Einfallswinkel gleich doppelter Ausfallswinkel) (!Einfallswinkel plus Ausfallswinkel gleich 45 Grad) (!Der Ausfallswinkel ist immer null)
Von welcher Linie aus werden Einfallswinkel und Ausfallswinkel gemessen? (Vom Lot) (!Von der Spiegelkante) (!Vom Gegenstand) (!Von der Blickrichtung)
Welche Art von Bild erzeugt ein ebener Spiegel? (Ein virtuelles Bild) (!Immer ein reelles Bild) (!Immer ein verkleinertes Bild) (!Ein Bild ohne Reflexion)
Wie verhalten sich Gegenstandsabstand und Bildabstand beim ebenen Spiegel? (Sie sind gleich groß) (!Der Bildabstand ist doppelt so groß) (!Der Gegenstandsabstand ist immer null) (!Sie hängen nur von der Spiegelhöhe ab)
Wie groß erscheint ein Gegenstand im ebenen Spiegel? (Gleich groß) (!Doppelt so groß) (!Halb so groß) (!Immer unterschiedlich groß)
Warum entsteht auf einer rauen Wand meist kein scharfes Spiegelbild? (Weil Licht diffus in viele Richtungen reflektiert wird) (!Weil die Wand kein Licht zurückwirft) (!Weil Licht an Wänden immer gebrochen wird) (!Weil das Lot dort nicht existiert)
Welche Richtung kehrt ein ebener Spiegel physikalisch um? (Die Richtung senkrecht zur Spiegelfläche) (!Nur die Richtung nach oben) (!Nur die Richtung nach links) (!Alle Raumrichtungen gleichzeitig)
Wodurch wird Licht in einem einfachen Periskop umgelenkt? (Durch zwei ebene Spiegel) (!Durch eine einzelne Sammellinse) (!Durch einen Elektromagneten) (!Durch einen Lautsprecher)
Wie erscheint das Bild in einem Wölbspiegel? (Aufrecht und verkleinert) (!Umgekehrt und gleich groß) (!Aufrecht und immer vergrößert) (!Reell und hinter dem Spiegel)
Welche Mindesthöhe hat ein ebener Spiegel ungefähr, damit Du Deinen ganzen Körper sehen kannst? (Etwa die Hälfte Deiner Körpergröße) (!Etwa das Doppelte Deiner Körpergröße) (!Genau Deine vollständige Körpergröße) (!Die Mindesthöhe hängt nur vom Abstand ab)
Memory
| Einfallswinkel | Winkel zwischen einfallendem Strahl und Lot |
| Ausfallswinkel | Winkel zwischen reflektiertem Strahl und Lot |
| Lot | Senkrechte auf der Spiegeloberfläche |
| Virtuelles Bild | Nicht direkt auf einem Schirm auffangbar |
| Planspiegel | Erzeugt ein gleich großes aufrechtes Bild |
| Wölbspiegel | Erzeugt ein verkleinertes virtuelles Bild |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Bedeutung |
|---|---|
| Einfallsstrahl | Läuft auf den Spiegel zu |
| Reflexionsstrahl | Verlässt den Spiegel nach der Reflexion |
| Lot | Steht senkrecht auf der Spiegeloberfläche |
| Bildpunkt | Erscheint beim Planspiegel hinter der Spiegelebene |
| Spiegelebene | Liegt symmetrisch zwischen Gegenstand und Bild |
Kreuzworträtsel
| Reflexion | Wie heißt das Zurückwerfen von Licht an einer Oberfläche? |
| Spiegel | Welche glatte Fläche erzeugt ein deutliches optisches Bild? |
| Virtuell | Wie heißt ein Bild, das nicht auf einem Schirm aufgefangen werden kann? |
| Einfallswinkel | Welcher Winkel liegt zwischen einfallendem Strahl und Lot? |
| Periskop | Welches Gerät ermöglicht den Blick über ein Hindernis? |
| Wölbspiegel | Welcher Spiegel liefert ein verkleinertes aufrechtes Bild? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Spiegel-Tagebuch: Fotografiere oder skizziere fünf Spiegelungen aus Deinem Alltag und beschreibe jeweils die reflektierende Oberfläche.
- Strahlenbild: Zeichne einen Gegenstand, einen ebenen Spiegel und das zugehörige virtuelle Bild mit korrekten Abständen.
- Oberflächenvergleich: Vergleiche Spiegel, Metall, Papier und Holz. Ordne die Oberflächen nach der Deutlichkeit der Reflexion.
- Spiegelschrift: Schreibe ein kurzes Wort spiegelverkehrt und erkläre, warum es im Spiegel lesbar erscheint.
Standard
- Winkelversuch: Untersuche mindestens fünf Einfallswinkel und dokumentiere Messwerte, Skizzen und mögliche Messfehler.
- Periskop-Modell: Baue aus Karton und zwei kleinen Spiegeln ein Periskop und erkläre den Lichtweg.
- Ganzkörperspiegel: Ermittle mit einer Zeichnung, wie hoch und wo ein Spiegel hängen muss, damit Du Dich vollständig sehen kannst.
- Erklärplakat: Gestalte ein Plakat zu virtuellem Bild, Lot, Einfallswinkel und Ausfallswinkel.
Schwer
- Koordinatenmodell: Spiegele mehrere Punkte an einer Geraden im Koordinatensystem und verbinde die mathematische Spiegelung mit dem physikalischen Bild.
- Gekrümmte Spiegel: Vergleiche experimentell die Bilder eines ebenen Spiegels, eines Wölbspiegels und eines Hohlspiegels.
- Erklärvideo: Produziere ein kurzes Lernvideo, in dem Du die Bildkonstruktion am ebenen Spiegel Schritt für Schritt erklärst.
- Sicherheitskonzept: Untersuche einen unübersichtlichen Bereich der Schule und entwirf eine begründete Position für einen Verkehrsspiegel.
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Lernkontrolle
- Unbekannter Strahlengang: Konstruiere für eine vorgegebene Spiegelanordnung den weiteren Lichtweg und begründe jeden Schritt mit dem Reflexionsgesetz.
- Fehleranalyse: Prüfe eine Zeichnung, in der Einfalls- und Ausfallswinkel zur Spiegeloberfläche gemessen wurden, und korrigiere sie.
- Spiegelgröße: Erkläre mit einer Strahlenskizze, warum der Abstand zur Spiegelfläche die notwendige Mindesthöhe eines Ganzkörperspiegels nicht verändert.
- Oberflächenwahl: Entscheide, welche Oberfläche für einen Badezimmerspiegel, eine Kinoleinwand und eine Warnweste geeignet ist, und begründe die unterschiedlichen Reflexionsarten.
- Periskop-Transfer: Erkläre, wie sich das Bild verändert, wenn in einem Periskop ein Spiegel entfernt oder verdreht wird.
- Spiegelvergleich: Wähle für einen Rasierspiegel und einen Verkehrsspiegel jeweils eine geeignete Spiegelart und begründe Deine Entscheidung über die Bildeigenschaften.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis zu Spiegelbildern solltest Du zeigen, dass Du:
- das Reflexionsgesetz mit Fachbegriffen und Winkelbezug erklären kannst,
- ein virtuelles Bild am ebenen Spiegel konstruieren kannst,
- Gegenstandsweite, Bildweite und Bildgröße richtig vergleichst,
- gerichtete und diffuse Reflexion unterscheidest,
- Messdaten eines Reflexionsversuchs auswertest,
- Anwendungen von Plan-, Hohl- und Wölbspiegeln begründet zuordnest.
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