Du möchtest wissen, was eine Totalreflexion ist und wie du den entsprechenden Grenzwinkel berechnen kannst? Dann schau dir unseren Beitrag oder unser Video an.
Bei der Totalreflexion wird das komplette Licht am Übergang zwischen zwei Medien reflektiert. Die beiden Medien können zum Beispiel Wasser und Luft sein. Der Lichtstrahl muss dabei aus dem optisch dichteren Medium (Wasser) auf das optisch dünnere Medium (Luft) treffen. Das Licht muss zudem in einem ausreichend flachen Winkel auf das optisch dünnere Medium treffen, damit der Lichtstrahl total reflektiert werden kann.
Wie flach der Einfallswinkel genau sein muss, gibt der sogenannte Grenzwinkel an. Er ist der flachste Winkel, bei dem das Licht noch gebrochen wird. Das bedeutet:
Totalreflexion beschreibt die vollständige Reflexion eines Lichtstrahls am Übergang von einem optisch dichteren zu einem optisch dünneren Medium. Der Grenzwinkel ist definiert als der Einfallswinkel, bei dem das Licht parallel zur Grenzfläche gebrochen wird. Bei Erhöhung des Einfallswinkel über den Grenzwinkel hinaus, wird der Lichtstrahl totalreflektiert.
Die Totalreflexion kannst du zum Beispiel unter Wasser beobachten, denn Wasser besitzt einen höheren Brechungsindex als Luft.
Beim Tauchen in einem ruhigen Gewässer, ohne Wellen, kannst du die Totalreflexion besonders gut sehen. Unter Wasser musst du die Wasseroberfläche etwas weiter weg von dir beobachten, da die Totalreflexion nur bei flachen Winkeln auftritt. Wenn du also im richtigen Winkel zur Wasseroberfläche hinauf schaust, siehst du eine Spiegelung von allem, was unter Wasser ist, gleichzeitig kannst du aber nicht sehen, was sich über dem Wasser befindet.
Damit Totalreflexion stattfinden kann, muss der eintreffende Lichtstrahl in einem flachen Winkel auf das optisch dünnere Medium eintreffen.
Wichtig: Der Winkel wird immer zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und der Senkrechten gemessen. Das heißt, ein großer Einfallswinkel trifft sozusagen flach auf die Grenzfläche der beiden Medien.
Je nach Einfallswinkel kannst du insgesamt drei Fälle unterscheiden:
1. Fall: Einfallswinkel < Grenzwinkel
2. Fall: Einfallswinkel = Grenzwinkel
3. Fall: Einfallswinkel > Grenzwinkel
Wichtig: egal ob eine Totalreflexion stattfindet oder nicht, der reflektierte Strahl verhält sich immer dem Reflexionsgesetz entsprechend. Das bedeutet, für die Reflexion gilt:
Du kannst den Grenzwinkel für den Übergang von zwei Medien auch berechnen. Die Formel lautet:
n2 ist dabei der Brechungsindex des optisch dünneren Mediums und n1 der Brechungsindex des optisch dichteren Mediums.
Die Gleichung leitet sich aus dem Brechungsgesetz her. Es lautet:
Dabei ist α der Einfallswinkel und β der Austrittswinkel des gebrochenen Lichts. Beim Grenzwinkel verläuft der gebrochene Lichtstrahl entlang der Grenzfläche zwischen den beiden Medien. Der Austrittswinkel β beträgt also 90°:
sin(β) = sin(90°) = 1
Daraus folgt, dass der Sinus des Grenzwinkel αGr gleich dem Verhältnis der beiden Brechungsindizes des optisch dünneren (n2) und optisch dichteren Mediums (n1) ist.
Wenn du wissen willst, wie du den Brechungsindex eines Mediums berechnen kannst, dann schau dir unbedingt unseren Beitrag zum Brechungsindex an.
Mit der Formel kannst du nun den Grenzwinkel für Licht, das von Wasser auf Luft trifft, berechnen. Dafür benötigst nur du die Brechungsindizes der beiden Medien.
Wasser besitzt einen Brechungsindex von n1 = 1,333 und Luft von n2 = 1. Bevor du die Werte in die Formel einsetzen kannst, musst du die Gleichung noch nach dem Grenzwinkel αGr auflösen. Dafür multiplizierst du beide Seiten mit dem Arcussinus und erhältst:
Nach Einsetzen der beiden Brechungsindizes bekommst du den Grenzwinkel von:
αGr = 48,6°
Die Totalreflexion ist nicht nur im Teilbereich Optik der Physik sehr wichtig, sie wird in vielen technischen Bereichen angewendet. Ein Beispiel sind die sogenannten Lichtleiter.
Lichtleiter, wie zum Beispiel Glasfaserkabel, verwenden die Totalreflexion, um Lichtsignale über lange Strecken zu transportieren. Glasfaserkabel bestehen aus einem Kern und einer Ummantelung. Hierbei ist der Glasfaserkern das optisch dichte Medium und die Ummantelung das optisch dünnere Medium. Aufgrund der Totalreflexion wird das Licht innerhalb des Glasfaserkabels von der Ummantelung fast vollständig reflektiert und bleibt im Kern.
Durch den großen Unterschied der beiden Brechungsindizes der beiden Medien ist der Winkelbereich für eine Totalreflexion sehr groß. Dadurch kannst du Glasfaserkabel auch um Kurven legen, ohne dass die Lichtsignale im Kabel durch Lichtbrechung verloren gehen.
Auch das bekannte Kabelinternet wird mithilfe von Glasfaserkabel übermittelt. Hierbei werden die elektrischen Signale mithilfe von elektrooptischen Wandlern in elektromagnetische Impulse umgewandelt.
Neben der Reflexion ist die Lichtbrechung ein wichtiger Vorgang beim Übergang von Licht zwischen zwei Medien. Schau dir unseren Beitrag zu Lichtbrechung an, um mehr darüber zu erfahren.
Hallo, leider nutzt du einen AdBlocker.
Auf Studyflix bieten wir dir kostenlos hochwertige Bildung an. Dies können wir nur durch die Unterstützung unserer Werbepartner tun.
Schalte bitte deinen Adblocker für Studyflix aus oder füge uns zu deinen Ausnahmen hinzu. Das tut dir nicht weh und hilft uns weiter.
Danke!
Dein Studyflix-Team
Wenn du nicht weißt, wie du deinen Adblocker deaktivierst oder Studyflix zu den Ausnahmen hinzufügst, findest du hier eine kurze Anleitung. Bitte lade anschließend die Seite neu.