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Hast Du Dich jemals gefragt, wie ein Spiegel funktioniert? Wie ist es möglich, dass er Dir ein wahrheitsgetreues Abbild von Dir selbst zeigt? Dieses Phänomen lässt sich mit dem Reflexionsgesetz erklären.
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Leg kostenfrei losWas passiert bei der direkten Reflexion an einer ebenen Fläche mit den Lichtstrahlen?
Was ist ein Parabolspiegel?
Welches Material wird häufig verwendet, um Spiegel beschichtet zu machen?
Was passiert bei einer Spiegelung?
Wo sammeln sich die reflektierten Strahlen bei einem Parabolspiegel?
Warum erscheinen regennasse Straßen spiegelnd?
Was passiert mit Licht, das auf eine regennasse Straße trifft?
Welche Materialien werden typischerweise zur Beschichtung von Spiegeln verwendet?
Was passiert bei der direkten Reflexion an einer ebenen Fläche?
Was besagt das Reflexionsgesetz bezüglich der Winkel?
Welche Art von Spiegel wird oft zum Empfangen oder Aussenden von Wellen genutzt?
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Du stehst an einem Billardtisch und stößt eine der Kugeln, die in diesem Fall den Lichtstrahl darstellen soll, an den Rand des Tisches. Was passiert? So wie sich die Kugel auf den Rand des Billardtisches zubewegt, so prallt sie eine andere Richtung wieder ab.
Was genau hat das mit der Lichtreflexion zu tun? Das Verhalten der Kugel ist vergleichbar mit dem Verhalten von Licht, welches an einem Spiegel reflektiert wird.
Fällt Licht auf die Oberfläche eines beliebigen Körpers, so wird ein Teil der Lichtstrahlen reflektiert. Dieses physikalische Phänomen lässt sich mit Hilfe des Reflexionsgesetzes beschreiben.
Bei der Reflexion befinden sich der einfallende Lichtstrahl, das Einfallslot und der von der Oberfläche reflektierte Strahl in einer Ebene. Wird ein Strahl von einer Oberfläche reflektiert, ändert dieser die Ausbreitungsrichtung.
Die Ausbreitungsrichtung des reflektierten Lichts wird durch das sogenannte Reflexionsgesetz beschrieben. Dieses besagt, dass der Einfallswinkel α des Lichts genauso groß ist, wie der Ausfallswinkel α' des reflektierten Strahls
.
Das Reflexionsgesetz gilt für jede Reflexion. Die Oberfläche, an der die Reflexion stattfindet, ist jedoch eine Ebene Fläche oder ein Spiegel. Sie können genauso gut gewölbt oder uneben sein. Diese Reflexion an einer unebenen, rauen Oberfläche wird dabei diffuse Reflexion genannt. Mehr dazu später!
Die Reflexion von Licht findet an jeder beliebigen Oberfläche statt, ob diese eben, uneben oder gewölbt ist. Zunächst schaust Du Dir dabei an, was bei der Lichtreflexion an einem ebenen Spiegel passiert.
Das Reflexionsgesetz besagt, dass der Einfallswinkel genauso groß ist wie der Ausfallswinkel. Worauf es beim Reflexionsgesetz sonst noch ankommt und wodurch es bestimmt wird, ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abb. 1: Schematische Darstellung der Reflexion eines Lichtstrahls an einem Spiegel
Bei der Reflexion am ebenen Spiegel strahlt der einfallende Strahl auf die Oberfläche. Das Einfallslot befindet sich in einem rechten Winkel auf der Oberfläche, die den Strahl reflektiert. Von dem Punkt aus, an dem das einfallende Licht auf den Spiegel trifft, wird der Stahl reflektiert. Dabei ist der Einfallswinkel, welcher sich zwischen einfallenden Strahl und Lot befindet, und der Reflexionswinkel, der sich zwischen Lot und reflektiertem Strahl liegt, gleich groß.
Wenn Licht mehr oder weniger ganz reflektiert wird, wird der Vorgang Spiegelung genannt.
Was geschieht jedoch mit dem Teil des Lichts, der nicht reflektiert wird? Bei der Reflexion von einem Lichtstrahl an einer Oberfläche wird immerhin nie das gesamte Licht reflektiert.
Wenn Licht auf einen Körper jeglicher Form trifft, muss es nicht zwingend vollständig reflektiert werden. Der neben der Reflexion relevanteste Vorgang ist die sogenannte Absorption.
Es handelt sich um eine Absorption, wenn die Energie des Lichts von den kleinsten Teilchen eines Körpers, also von den Molekülen oder Atomen, aufgenommen wird.
Die absorbierte Energie des Lichts wird aufgrund der geltenden Energieerhaltung in Bewegungsenergie umgewandelt. Die zunehmende Bewegung der Moleküle erzeugt wiederum Wärme, die vom Körper in alle Richtungen abgegeben wird.
Stell Dir vor, Du trägst an einem warmen Sommertag ein schwarzes oder dunkles Oberteil. Je dunkler dabei das Shirt ist, desto mehr Sonnenlicht wird absorbiert und umso mehr kinetische Energie erhalten die Moleküle. Ergebnis ist: Das Oberteil erwärmt sich und Du bereust eventuell die Kleidungswahl des Tages.
Es gilt also: elektromagnetische Wellen wie Licht können sowohl reflektiert als auch absorbiert werden. Bei einer Reflexion werden sie von einer Oberfläche zurückgeworfen, bei der Absorption von einer Oberfläche aufgenommen und in Wärme umgewandelt. Unterschiedliche Materialien und Oberflächen reflektieren und absorbieren unterschiedlich stark.
Hast Du Dich schon einmal gefragt, warum das Sonnenlicht so stark glitzert, wenn es auf die Oberfläche eines Sees trifft? Dieses physikalische Phänomen hängt mit der diffusen Reflexion des Lichts zusammen.
Bei der diffusen Reflexion trifft ein Lichtstrahl auf eine unebene, raue Oberfläche, so wird das einfallende Licht zerstreut. Für jeden einzelnen Lichtstrahl gilt das Reflexionsgesetz – sie werden in verschiedenste Richtungen reflektiert.
Oftmals wird bei der diffusen Reflexion auch von der Streuung des Lichts gesprochen.
Ähnliches passiert übrigens bei einer regennassen Straße. Diese ist viel schlechter zu erkennen als eine trockene Straße. Hier bildet das Wasser eine Schicht auf der rauen Oberfläche und füllt alle Unebenheiten aus. Es bildet also eine ebene Reflexionsfläche. Die Straße wirkt dadurch wie ein Spiegel und die Fahrbahn ist schlecht oder nicht mehr erkennbar.
Das Ganze wäre aber kein physikalisches Phänomen, wenn Du es nicht in einer schematischen Darstellung abbilden kannst.
Abb. 2: Schematische Darstellung von: direkte Reflexion an ebener Oberfläche (links) und diffuser Reflexion an rauer Oberfläche (rechts)
In Abbildung 2 siehst Du eine Darstellung, die Dir eine bessere Vorstellung davon gibt, was genau bei der direkten (links) und diffusen Reflexion (rechts) passiert.
Bei einer direkten Reflexion an einer ebenen Fläche kommt es weitgehend zu einer regelmäßigen Einstrahlung aus der gleichen Richtung. Alle Strahlen, die auf die Oberfläche treffen, werden in dieselbe Richtung zurückgeworfen.
Bei der diffusen Reflexion trifft das Licht auf verschiedenste Unebenheiten, zum Beispiel auf eine Tapete oder auf eine Straße. Das Reflexionsgesetz gilt dann immer noch, das einfallende Licht wird jedoch in verschiedene Richtungen zurückgeworfen.
Eine Reflexion von Licht findet jedoch nicht ausschließlich an ebenen Flächen statt. Weitere Arten von Spiegeln und Oberflächen folgen im nächsten Abschnitt.
Nicht immer sind alle Dinge in der Natur eben oder uneben. Manche Oberflächen sind gewölbt oder sphärisch geformt wie eine Kugel.
Wie genau sich das Reflexionsgesetz in diesen Fällen verhält, erfährst Du im Detail in den Artikeln zum Thema Parabolspiegel und sphärische Spiegel!
Du hast bereits in vorherigen Kapiteln des Artikels gelernt, wie sich das Licht bei einer Reflexion an einem herkömmlichen Wandspiegel verhält. Nicht jeder Spiegel ist jedoch eine ebene Oberfläche. Ein weiters Beispiel ist der sogenannte Parabolspiegel.
Ein Parabolspiegel ist eine Art Hohlspiegel in Form eines Rotationsparaboloids. Der Querschnitt eines Parabolspiegels ist eine Parabel.
Bei einem Parabolspiegel, wie Du ihn in Abbildung 3 siehst, sammeln sich alle reflektierten Strahlen in einem Brennpunkt F.
Abb. 3: Schematische Darstellung einer Reflexion von licht an einem parabolischen Spiegel
In Abbildung 3 siehst Du eine schematische Darstellung eines Parabolspiegels. Lichtstrahlen, die alle aus der gleichen Richtung kommen, werden an unterschiedlichen Punkten des parabelförmigen Spiegels reflektiert. Auch hier gilt das Reflexionsgesetz, die gewölbte Spiegeloberfläche jedoch sorgt dafür, dass alle reflektierten Strahlen in einem Brennpunkt F zusammentreffen.
Parabolspiegel werden oftmals zum Empfangen oder Aussenden von Wellen genutzt. Ein Beispiel sind hier Satellitenschüsseln. Diese sind aufgebaut wie ein Parabolspiegel. In einem bestimmten Abstand zum Mittelpunkt der Oberfläche befindet sich ein Empfänger, welcher Wellen oder Strahlen, die auf den Spiegel treffen, aufnehmen kann. Von dort aus können die Wellen gerichtet ausgesandt werden.
Wenn Dich das Thema der Reflexion an Parabolspiegeln interessiert, dann schau doch im dazugehörigen Artikel vorbei!
Das Reflexionsgesetz gilt also auch an Spiegeln mit gekrümmten Oberflächen. Neben den Parabolspiegeln gibt es die sogenannten sphärischen Spiegel.
Abb. 4: Schematische Darstellung der Form eines sphärischen Spiegels
Die Form eines sphärischen Spiegels (siehe Abbildung 4) lässt sich als einen Teil einer Kugel darstellen. Wie ein sphärischer Spiegel das Licht reflektiert, wird hier durch den sogenannten Wölbungsradius bestimmt.
Stell Dir vor, Du platzierst in dem Mittelpunkt der Kugel eine punktförmige Lichtquelle. Der Spiegel reflektiert das Licht daraufhin so, dass es zurück auf die Quelle trifft.
Wenn Du genaueres zur Reflexion des Lichts an einem sphärischen Spiegel wissen möchtest, dann schau auch hier im dazugehörigen Artikel vorbei.
Zum Schluss folgt eine kurze Übungsaufgabe, die Dir hilft, neu gelerntes anzuwenden.
Aufgabe
Der Lichtstrahl eines Leuchtturms (Höhe) trifft unter dem Einfallswinkel α auf die Wasseroberfläche. Von dort aus wird er unter gleich großem Winkel reflektiert und trifft anschließend auf einen Beobachter (Höhe ). Der Punkt, an dem die Reflexion stattfindet, liegt etwa vom Beobachter entfernt.
Wie weit ist der Leuchtturm vom Punkt der Reflexion entfernt?
Abb. 5: Grafische Darstellung der Aufgabenstellung
Lösung
Es gilt: Der Einfallswinkel α ist genauso groß wie der Ausfallswinkel α'. Damit ist auch der Tangens dieser Winkel gleich. Da der Tangens als Quotient aus Gegenkathete und Ankathete definiert ist, folgt
Das Umstellen dieser Gleichung liefert
Der Reflexionspunkt ist also etwa x = 752,6 Meter vom Leuchtturm entfernt.
Jetzt bleibt jedoch noch eines zu klären – Wie funktioniert nun ein Spiegel?
Bei einem Spiegel handelt es sich um eine ebene Oberfläche, welche mit Aluminium oder Silber beschichtet ist. Diese Metallschicht ist extrem glatt und in der Lage, einfallendes Licht geordnet zurückzuwerfen. Stellst Du Dich also morgens in aller Frühe vor den Badezimmerspiegel, trifft das Licht aus einer Richtung auf den Spiegel. Es wird nach dem Reflexionsgesetz reflektiert und Dein Spiegelbild wird sichtbar.
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Was ist Reflexion und Absorption?
Bei einer Reflexion trifft ein Lichtstrahl auf eine Oberfläche. Von dort aus wird der Strahl in einem Winkel in eine andere Richtung reflektiert.
Bei der Absorption wird das einfallende Licht von den Molekülen des Körpers absorbiert. Das heißt, die Energie des Lichts wandelt sich in kinetische Energie um, und anschließend in Wärme.
Was ist eine diffuse Reflexion?
Bei einer diffusen Reflexion trifft das Licht nicht auf eine ebene Oberfläche, sondern auf eine raue, unebene Oberfläche. Das Reflexionsgesetz gilt auch in diesem Fall, jedoch variieren die Einfallswinkel und das Licht wird in unterschiedlichste Richtungen reflektiert.
Welche Oberflächen reflektieren das Licht besonders gut?
Eine Reflexion ist besonders gut zu erkennen, wenn Licht an einer ebenen Oberfläche reflektiert wird. Bei diesem Vorgang hat das Licht den gleichen Einfallswinkel und wird dementsprechend in die gleiche Richtung reflektiert.
Wie lautet das Reflexionsgesetz?
Das Reflexionsgesetz besagt, dass der Einfallswinkel eines einfallenden Lichtstrahls auf eine Oberfläche genau so groß ist wie der Ausfallswinkel.
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Lily Hulatt ist Digital Content Specialist mit über drei Jahren Erfahrung in Content-Strategie und Curriculum-Design. Sie hat 2022 ihren Doktortitel in Englischer Literatur an der Durham University erhalten, dort auch im Fachbereich Englische Studien unterrichtet und an verschiedenen Veröffentlichungen mitgewirkt. Lily ist Expertin für Englische Literatur, Englische Sprache, Geschichte und Philosophie.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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