alpha Lernen - Physik

Reflexion und Brechung Reflexion am ebenen Spiegel

Von: Christian Döllinger, Jonathan Schulenburg

Stand: 25.08.2017

Schau dir zunächst das Video auf die folgenden Fragen hin an:

  • Welche Gemeinsamkeit besteht zwischen einer Billardkugel, die auf eine Bande trifft, und einem Lichtstrahl, der auf eine ebene Fläche auftrifft?
  • Was versteht man bei der Reflexion unter dem Einfalls- und dem Reflexionswinkel?
  • Nach welcher Gesetzmäßigkeit wird Licht beim Auftreffen auf eine ebene Fläche reflektiert?

Unter dem Video findest du die Antworten auf die Fragen und vertiefende Informationen.

Lerncheck: Reflexion am ebenen Spiegel

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Welche Gemeinsamkeit besteht zwischen einer Billardkugel, die auf eine Bande trifft, und einem Lichtstrahl, der auf eine ebene Fläche auftrifft?

Antwort

Für die Reflexion eines Lichtstrahls an einer ebenen Fläche gelten dieselben Gesetzmäßigkeiten wie für eine Billardkugel, die (ohne Rotation) auf die Bande trifft.

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Was versteht man bei der Reflexion unter dem Einfalls- und dem Reflexionswinkel?

Antwort

Unter dem Einfallswinkel versteht man den Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und dem Einfallslot, also der Senkrechten auf die reflektierende Fläche im Auftreffpunkt des einfallenden Strahls. Demnach ist einem senkrecht auf die Fläche auftreffenden Lichtstrahl der Einfallswinkel α = 0° zugeordnet. Der Reflexionswinkel ist in entsprechender Weise definiert.

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Nach welcher Gesetzmäßigkeit wird Licht beim Auftreffen auf eine ebene Fläche reflektiert?

Antwort

Für die Reflexion des Lichtes gilt das Reflexionsgesetz: Der Reflexionswinkel ist gleich dem Einfallswinkel; der reflektierte Strahl liegt in der vom einfallenden Strahl und dem Einfallslot aufgespannten Ebene, d. h. er wird weder nach "vorne" noch nach "hinten" reflektiert.

Reflexionsgesetz

Im Film wird das Phänomen der Reflexion anhand von Billardkugeln demonstriert: Trifft eine Billardkugel ohne Effet auf die Bande, so ist der Winkel, unter dem die Kugel von der Bande abprallt, gleich dem Winkel, unter dem sie auf die Bande auftraf. Dabei versteht man unter dem Einfallswinkel α den Winkel, den die Bahn der Billardkugel mit der Senkrechten auf die Bande im Auftreffpunkt einschließt. Entsprechendes gilt für den Reflexionswinkel β.

Dieser Festlegung gemäß entspricht einem senkrechten Aufprall auf die Bande ein Einfallswinkel von 0 °. In diesem Fall prallt die Kugel in derselben Richtung zurück, d. h. auch der Reflexionswinkel ß beträgt dabei 0 °. Aber auch für den Fall, dass die Billardkugel nicht senkrecht aufprallt, stimmen Reflexionswinkel und Einfallswinkel überein.

Für das Licht gilt eine analoge Gesetzmäßigkeit: Der Reflexionswinkel ist gleich dem Einfallswinkel. Beide Winkel werden in Bezug auf die Senkrechte zur reflektierenden Ebene, das sogenannte Einfallslot, gemessen. Außerdem liegt der reflektierte Lichtstrahl auf der vom einfallenden Strahl und dem Einfallslot aufgespannten Ebene.

Verändert man die Lage der Lichtquelle so, dass der von ihr ausgehende Lichtstrahl in Richtung des zuvor reflektierten Strahles auf die reflektierende Fläche fällt, dann bleibt der Strahlengang unverändert, da das Licht dann in Richtung des zuvor einfallenden Strahls reflektiert wird. Das bedeutet, dass der Lichtweg bei der Reflexion umkehrbar ist.

Reguläre Reflexion des Lichts

Trifft ein paralleles Lichtbündel auf eine glatte, ebene Fläche, so wird es wieder als paralleles Lichtbündel reflektiert, denn für jeden Strahl des parallelen Lichtbündels hat das zugehörige Einfallslot dieselbe Richtung. Somit stimmen auch die Reflexionswinkel überein und alle Strahlen verlaufen auch nach der Reflexion parallel zueinander. Man spricht in diesem Falle von einer "regulären" Reflexion.

Reflexion und optische Wahrnehmung (1)

Wir können einen Gegenstand nur dann wahrnehmen, wenn ein Teil des von ihm ausgehenden oder von ihm reflektierten Lichtes in unser Auge gelangt.

Bei einer ebenen reflektierenden Fläche wird das Licht eines parallel auftreffenden Lichtbündels regulär, d. h. in eine bestimmte, durch das Reflexionsgsetz festgelegte Richtung reflektiert.

Ein Beobachter kann daher das Licht und somit die reflektierende Fläche nur dann sehen, wenn er so positioniert ist, dass er in das reflektierte Lichtbündel blickt. Andernfalls kann er das Licht und damit die spiegelnde Fläche nicht sehen.

Dies spielt z. B. bei Neubauten eine Rolle: Die neuen Fenster und Glastüren weisen dann i.a. noch keine Kratzer auf, an denen das Licht gestreut werden könnte. Bei schrägem Auftreffen der parallelen Sonnenstrahlen (die Sonne als Lichtquelle befindet sich ja in sehr großer Entfernung) auf eine frisch eingebaute Glastür im Inneren eines Raumes kommt es dann zu einer weitgehend regulären Reflexion, d. h. die reflektierten Strahlen verlaufen nach der Reflexion am unversehrten Glas annähernd parallel, so dass man die Glastür, also die reflektierende Fläche, nicht überall im Raum wahrnehmen kann.

Absorption von Licht

Trifft Licht auf einen undurchsichtigen Körper, so wird nur ein von der Art der Oberfläche abhängender, mehr oder weniger großer Prozentsatz der auftreffenden Lichtintensität reflektiert, der restliche Anteil wird absorbiert ("verschluckt"). Da das Licht eine Energieform darstellt, kann die Energie, die im absorbierten Lichtanteil steckt, nicht einfach verschwinden: Vielmehr führt sie durch Umwandlung in thermische Energie zu einer Erwärmung des betreffenden Körpers.

Zusätzlich zur Erwärmung können bei einer Absorption von Licht weitere energetische Prozesse wie etwa die Umwandlung eines Teils der absorbierten Strahlungsenergie in elektrische Energie ablaufen; dies ist die Grundlage für die Funktionsweise von Solarzellen. Das Verhältnis der Anteile des reflektierten und des absorbierten Lichts hängt von der Art der Oberfläche ab und wird durch die sogenannte "Albedo", das Rückstrahlungsvermögen des Körpers, beschrieben.

Die Erde als Ganzes, also einschließlich ihrer Atmosphäre, hat für sichtbares Licht eine Albedo von ca. 30 %, wobei die Reflexion an den Wolken den Hauptanteil ausmacht. Ein Körper mit einer hohen Albedo wie etwa frisch gefallener Schnee mit einer Albedo von ca. 90 % erscheint uns grell weiß, Oberflächen mit sehr kleiner Albedo – sie absorbieren den größten Teil des auffallenden Lichts – erscheinen uns schwarz, etwa schwarzer Samt. Ein Körper, der das gesamte auffallende Licht absorbieren würde, wäre für uns unsichtbar. Allerdings ist auch dies ein Extremzustand, der in der Realität nicht zu verwirklichen ist.

Illusionen mit Spiegeln

Zu den beeindruckendsten Vorführungen der Magier gehört das Verschwindenlassen von Menschen und Tieren auf der Bühne: Eben noch war dort in einem Käfig ein furchterregender Löwe zu sehen; dann verhüllt der Magier kurzzeitig den Käfig mit einem schwarzen Tuch – beim Entfernen des Tuches ist der Käfig leer.

In Wirklichkeit ist der Löwe nach wie vor im Käfig, die Zuschauer können ihn aber nicht sehen, da während der kurzen Zeit der Verhüllung seitlich rasch zwei Spiegel hereingeschoben wurden, die zu den Zuschauern hin einen 90° Winkel bilden. Die Zuschauer können daher die Bühne selbst nicht sehen; stattdessen sehen sie das Spiegelbild der Seitenwände der Bühne. Diese sind so gestaltet, dass ihr Spiegelbild mit dem Hintergrund der Bühne übereinstimmt, die Zuschauer haben daher die Illusion, den rückwärtigen Bühnenabschnitt zu sehen. Mit Hilfe von stroboskopischer Beleuchtung lässt sich das Einschieben der Spiegel sogar ohne Verhüllung vertuschen.

Man kann die Illusion noch steigern, indem der Löwe – vom Publikum durch die lichtundurchlässigen Spiegel unbemerkt – hinausgeführt und an dessen Stelle eine Assistentin nach dem Entfernen der Spiegel zu sehen ist.