Warum bricht Licht?

Wir sind Landlebewesen. Unsere Augen sind darauf eingestellt, die Dinge durch die Luft zu betrachten. Wenn wir durchs Wasser schauen, sehen die Dinge plötzlich nicht „richtig“ aus. Das liegt daran, dass die Lichtstrahlen, die unser Auge erreichen, durch das Wasser „gebrochen“ werden (und unser Gehirn diese ungewohnte Brechung nicht korrigiert). Denn Licht breitet sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus, je nachdem worin es sich bewegt. Treffen die Lichtstrahlen aus der Luft auf ein anderes, dichteres Medium, zum Beispiel Wasser, werden sie gebremst.

Tritt ein Lichtstrahl von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium ein, wird er zum Lot hin abgelenkt (siehe Skizze). Tritt er von einem dichteren in ein dünneres ein, wird er umgekehrt vom Lot weg abgelenkt. Das Lot ist eine gedachte Linie, die senkrecht zur Grenzlinie zwischen den beiden Medien steht.

01 Rettungsschwimmer 

Material: Zettel, Stift 

Betrachtet die Abbildung: Das Ziel ist es, dem Ertrinkenden möglichst schnell zu Hilfe zu kommen. Welchen Weg sollte der Rettungsschwimmer nehmen, der ihn aus dem Wasser ziehen will? 

Beobachtung: Nicht die Diagonale, sondern der mittlere Weg im Bild ist der schnellste. Dabei läuft der Rettungsschwimmer schnell am Strand auf einen Punkt zu, von dem aus die Strecke durchs Wasser kurz ist. Denn Schwimmen ist langsamer als Laufen. Läuft er jedoch zu lange am Strand entlang, dann wird die Schwimmstrecke kaum noch kürzer, die Strecke an Land aber deutlich länger. 

Erklärung: Der Rettungsweg ist eine gute Analogie zum Brechungsgesetz des Lichtes. Denn auch das Licht wählt nicht den geometrisch kürzesten, sondern den zeitlich kürzesten Weg. Für das Licht ist der schnellste Weg durch ein Medium linear. An der Grenze zum dichteren Medium wird es langsamer und kürzt deshalb ab, indem es die Richtung ändert. Wie groß die Richtungsänderung ist, hängt von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes in dem jeweiligen Medium ab. 

02 Zaubertrick mit Münze 

Material: Kaffeetasse, Münze, Wasser 

Lege die Münze auf den Tassenboden und bitte jemanden, flach über den Tassenrand zu schauen, sodass die Münze gerade nicht mehr zu sehen ist. Gieße nun vorsichtig Wasser in die Tasse.

Beobachtung: Obwohl sich die Blickhöhe nicht verändert, wird von der Münze immer mehr sichtbar. Sie scheint wie von Zauberhand angehoben. 

Erklärung: Das Ganze ist keine Zauberei, sondern eine optische Täuschung. Die Hebung entsteht durch die Brechung der Lichtstrahlen an der Grenze von Luft zu Wasser. Unser Gehirn denkt nämlich, der Strahlenverlauf wäre wie immer (in der Luft) gerade. Das Bild der Münze erscheint uns deshalb in der Verlängerung des geraden Strahlenverlaufs, als wäre sie angehoben. 

03 Hauptversuch: Lichtbrechung sichtbar machen

Material: Pappkarton, durchsichtiges Plastikkästchen (z.B. von Büroklammern), Milch 

Nehmt einen Schuhkarton und schneidet dicht über dem Boden einen senkrechten Schlitz hinein (ca. 1 Millimeter breit, aber mehrere Zentimeter lang). Den Karton anschließend auf den Tisch stellen und eine Taschenlampe so hineinlegen, dass das Licht auf den Schlitz trifft. Sucht euch dafür einen sehr dunklen Raum! Probiert aus, in welcher Entfernung die Lampe liegen muss, damit der Lichtstrahl einen sehr schmalen, scharfen Streifen wirft. Jetzt füllt ihr das Plastikkästchen mit Wasser und einigen Tropfen Milch, um den Lichtstrahl sichtbar zu machen. Stellt das Kästchen in den Lichtstrahl und dreht es langsam, während ihr es von oben betrachtet. 

Beobachtung: Steht das Kästchen gerade im Lichtstrahl, geht das Licht gradlinig hindurch. Dreht ihr das Kästchen, seht ihr, dass ein Teil der Strahlen reflektiert [zurückgeworfen] wird. Vor allem aber knickt der Strahl am Kästchenrand ab, verläuft im Wasser aber wieder gerade. Wenn ihr das Kästchen noch weiter dreht, ist irgendwann gar kein Lichtstrahl mehr im Milchwasser zu sehen. 

Erklärung: Die Lichtstrahlen werden beim Übergang von einem Medium zum anderen an der ersten Kästchenwand gebrochen. Da Luft optisch weniger dicht ist als Wasser, wird der Strahl zum Lot hin abgelenkt. An der anderen Kästchenwand, beim Übergang von Wasser zu Luft, wird der Strahl vom Lot weg abgelenkt. So hat der Strahl wieder die gleiche Richtung wie vorher, ist aber um das Stückchen versetzt, das er schräg durch die Flüssigkeit gelaufen ist. Die Ablenkung des Lichts findet nur statt, wenn der Lichtstrahl schräg auf die Kästchenwand trifft. Je schräger er auftrifft, desto größer ist zunächst die Ablenkung – bis sie so groß ist, dass der Strahl nicht mehr gebrochen, sondern vollständig reflektiert wird.