Motivation	Es hat einige Zeit gedauert bis man die wahre Natur des Lichts erkannte, doch bereits 1704 stellte Newton die These auf, Licht bestehe aus kleinen Teilchen. Diese These wurde später von Fresnel wieder verworfen, er machte den Vorschlag, beobachtete Beugungsphänomene durch den Wellencharakter von Licht zu beschreiben. 1871 erklärte Maxwell Licht zu einer elektromagnetischen Welle, was 1886 von H. Hertz experimentell bestätigt werden konnte. Leider musste auch diese Gewissheit wieder verworfen werden, und zwar durch die Entdeckung des Photoeffekts, der Teilchencharakter konnte bewiesen werden. Heutzutage weiß man, dass Licht sowohl Teilchen als auch Welleneigenschaften besitzt und seine korrekte Beschreibung kompliziert ist. Teile seiner Eigenschaften folgen unter bestimmten Bedingungen aber sehr einfachen Gesetzen, die als Grenzfall in der umfassenderen Theorie enthalten sind. Auf dieser Seite soll es um einen solchen Grenzfall gehen: Die geometrische Optik beschreibt die geradlinige Ausbreitung von Lichtstrahlen.
Prinzip	Das Gesetz, welches die Reflexion von Licht an einer Grenzfläche beschreibt ist sehr einfach und gilt an jeder Grenzfläche zwischen zwei Medien. Es lautet: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel, wobei die Winkel zum Lot der Grenzfläche gemessen werden. Ist das Material, auf dessen Grenzfläche der einfallende Strahl trifft, für diesen einigermaßen transparent, so gibt es neben dem reflektierten auch einen gebrochenen Strahl. Für den Brechungswinkel gilt (Snelliussches Brechungsgesetz): Die Konstanten n, genannt Brechzahl oder Brechungsindex, setzt sich aus den optischen Materialeigenschaften beider Medien zusammen und sind mit der Phasengeschwindigkeit des Lichts im Medium verknüpft: Für Vakuum gilt dann natürlich: n(Vakuum)=1. Einzig die Brechzahlen entscheiden also darüber in welche Richtung der Strahl gebrochen wird. Man merke sich dabei: Beim Übergang vom optisch dichteren (größeres n) zum dünneren (kleineres n) Medium wird der Strahl vom Lot weggebrochen und umgekehrt. Ist der zweite Brechungsindex der größere, gibt es einen interessanten Fall, nämlich den der Totalreflexion, der gegeben ist durch die Bedingung: . Hier wird das komplette Licht reflektiert und es ergibt sich für den Grenzeinfallswinkel: Für eine detailliertere Erläuterung des Reflexions- und Brechungsgesetzes schlagen Sie beispielsweise im Buch zur Vorlesung nach. ["Ein Jahr für die Physik", C. Thomsen, H. G. Gumlich, 2.Auflage, S.140 ff]
Aufgaben	Aufgabe1 a) Aus dem Vakuum trifft ein Lichtstrahl unter einem Winkel von 30° zum Lot auf eine 10cm dicke Glasscheibe mit dem Brechungsindex n=1.5. Fertigen Sie eine Skizze des Strahlengangs an. b) Um wieviele cm ist der Strahl, der aus der Glasscheibe wieder austritt, gegenüber dem Einfallsstrahl parallel verschoben? c) Gibt es einen Winkel, bei dem der Lichtstrahl an der Grenzfläche Vakuum/Licht totalreflektiert wird und daher nicht in das Glas eindringen kann? d) Berechnen Sie den Grenzwinkel der Totalreflexion innerhalb der Glasscheibe. Unter welchem Winkel muss man den Lichtstrahl in das Glas einstrahlen, so daß es innerhalb der Glasscheibe zur Totalreflexion kommt und der Strahl nicht mehr aus der Glasscheibe austritt? Lösung Aufgabe2 Bei diesem Applet können die Brechungsindizes der Medien, sowie der Einfallswinkel des Lichtstrahls verändert werden. Der Brechungswinkel und der Totalreflektionswinkel werden berechnet und angezeigt. a) Überprüfen Sie Ihre Teilergebnisse aus Aufgabe 1 mit Hilfe des Applets. b) Berechnen Sie die Grenzwinkel der Totalreflexion für die Kombinationen von Brechungsindizes (n1=1,1 und n2=1), (n1=1,4 und n2=1,1), (n1=2 und n2=1,1) und überprüfen Sie Ihre Ergebnisse mit Hilfe des Applets. c) Überprüfen Sie bei welcher Kombination von n1 und n2 der Strahl zum Lot hingebrochen und bei welcher er vom Lot weggebrochen wird. Lösung
Quiz	Unter dem folgenden Link finden Sie ein Quiz, an dem Sie ihr Wissen über das Brechungsgesetz überprüfen können: Quiz
Links	Unter dem folgenden Link finden Sie ein weiteres Applet zu Reflexion und Brechung: http://didaktik.physik.uni-wuerzburg.de/~pkrahmer/ntnujava/propagation/propagation.html
Fragen	Für Fragen zu einer der Aufgaben oder allgemein zu diesem Thema steht das Forum zur Verfügung.