Licht wird reflektiert
Ebene Spiegel und Spiegel mit gekrümmter Oberfläche begegnen uns oft im Alltag. Um die Bilder, die diese Spiegel erzeugen, zu verstehen, ist das Verständnis des Reflexionsgesetzes notwendig.
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Reflexionsgesetz
Naturvorgänge werden in der Physik durch Gesetze beschrieben. Wie man zu solchen allgemein gültigen Gesetzen kommt, soll schrittweise erarbeitet werden.
Versuche die Billardkugel ins Loch zu versenken! Dabei muss die Kugel vorher die Wand berühren.
Wiederhole nun das Spiel mit einem Lichtstrahl!
So wie die Billardkugel von der Wand reflektiert wird, macht das der Spiegel mit dem Lichtstrahl.
Mit dem eingezeichneten Lot auf die Spiegelebene erkennt man das Reflexionsgesetz:
Einfallswinkel = Reflexionswinkel
Beleuchtet man mit einer Taschenlampe eine weiße Fläche, die nicht spiegelglatt ist, dann wird das Licht gestreut. Man nennt diese Art der Reflexion auch diffuse Reflexion. Betrachtet man die Reflexionsfläche durch die Lupe, dann sieht man, dass sich eine diffuse Reflexion aus sehr vielen regulären, aber in unterschiedliche Richtungen erfolgende, Reflexionen zusammensetzt.
Die meisten Oberflächen streuen Licht. Dadurch können wir ihre Oberfläche sehen.
Ebene Spiegel
Ein Spiegel besteht aus einer extrem glatten Metallschicht, die auf einer Seite durch eine Lackschicht geschützt ist.
An der Vorderseite befindet sich durchsichtiges Glas.
Als Metall verwendet man Aluminium oder Silber.
Damit eine reguläre Reflexion stattfinden kann, muss die „Rauheit“ der Metallschicht kleiner als die halbe Wellenlänge des Lichts sein.
Also der Unterschied zwischen „Berg“ und „Tal“ der Unebenheiten ist geringer als rund
Wie entsteht das Spiegelbild?
Durch einen Spiegel kann man ein Bild erzeugen. Die Lichtstrahlen, die vom Körper ausgehend zum Spiegel gelangen, werden dort gemäß des Reflexionsgesetzes ins Auge geschickt und der Sinneseindruck gelangt dann in das Sehzentrum des Gehirns.
Bewege die Person oder den Lichtstrahl vom betrachteten Punkt! Beobachte dabei, wie sich das Spiegelbild verhält!
Das Gehirn interpretiert nun den ankommenden Sinneseindruck dadurch, dass es die Lichtstrahlen gedanklich verlängert und glaubt nun, dass sich das Bild der Person hinter der Spiegelebene befindet. Das Spiegelbild ist eigentlich eine Wahrnehmungstäuschung. Weil es ein Bild ist, das eigentlich nur gedanklich entsteht, nennt man es virtuelles Bild.
Wie weit hinter dem Spiegel befindet sich das Bild?
Von jedem Punkt eines Körpers geht nicht nur ein Lichtstrahl aus, sondern immer ein Lichtbündel.
Bewege den Gegenstandspunkt und beobachte die Veränderung!
Die Bildkonstruktion zeigt, dass sich der Bildpunkt genauso weit hinter dem Spiegel befindet, wie der Gegenstandpunkt vor dem Spiegel liegt.
Ein ebener Spiegel erzeugt vom Gegenstand ein virtuelles Bild, das genau so weit hinter dem Spiegel erscheint, wie sich der Gegenstand vor dem Spiegel befindet.
Räumliche Lage von Gegenstand und Spiegelbild
Wird die räumliche Lage im Spiegelbild verändert?
Wie muss ein Gegenstand vor dem Spiegel aufgestellt sein, damit das Bild nicht dieselbe Orientierung hat?
Der Gegenstand darf nicht parallel zur Spiegelebene liegen.
Wenn man sich im Spiegel betrachtet und zum Beispiel die rechte Hand in die Höhe hält, dann sieht man im Spiegelbild auch, dass die gehobene Hand rechts ist.
Dass man glaubt, ein Spiegel vertausche rechts mit links, ist ein Trugschluss. Das kannst du an folgendem Beispiel ausprobieren.
Wo siehst du die gehobene Hand im Spiegelbild?
Was hat es dann mit der Spiegelschrift auf sich?
Man erkennt, dass die Spiegelschrift dadurch entsteht, dass man selbst das Blatt mit dem Schriftzug umgedreht hat. Schreibt man dasselbe Wort auf eine Klarsichtfolie, dann sieht man, dass der Spiegel die Schrift nicht umdreht.
Wie sieht die Lage des Bildes im Vergleich zum Gegenstand aus, wenn der Spiegel horizontal liegt?
Wie groß muss ein Spiegel sein, in dem man sich zur Gänze sehen kann?
Ein Spiegel, in dem man sich zur Gänze sehen kann, muss maximal halb so hoch sein, wie die Länge der Person ist.
Spiegelarten und -anwendungen
Ob Garderobenspiegel oder Spiegel im Badezimmer – Spiegel sind praktisch überall. Eine wichtige Anwendung ebener Spiegel sind Periskope. Ein einfaches Periskop besteht aus einem Rohr, an dessen beiden Öffnungen Spiegel unter jeweils 45° angeordnet sind.
Alle Punkte des Apfels leuchten in alle Raumrichtungen. Das abzubilden wäre unübersichtlich. Hier kannst du einzelne Punkte nacheinander Richtung Periskop leuchten lassen!
Einwegspiegel
In Krimifilmen sieht man bei Verhören oft einen halbdurchlässigen Spiegel. Solche Spiegel, auch Einwegspiegel genannt, kann man dadurch herstellen, dass man auf das Glas eine hauchdünne Metalloxidschicht aufbringt. Diese Schicht ist so dünn, dass sie einen Teil des Lichts durchlässt. Die Wirkung dieser Spiegel beruht aber auch auf der unterschiedlichen Beleuchtung der beiden Räume. Der Verhörraum ist sehr gut beleuchtet. Dadurch gelangt etwas Licht auf die andere Seite des Spiegels, also in den Beobachterraum. Personen im Verhörraum sehen nur das eigene Spiegelbild, denn der Beobachterraum ist möglichst dunkel, sodass wenig Licht von dort in den Verhörraum gelangt.
Wölbspiegel
Ein Wölbspiegel besteht aus einer nach außen gewölbten spiegelnden Fläche. Der Fachbegriff für nach außen gewölbt ist konvex. Ein Hohlspiegel ist daher ein Konvexspiegel. Wölbspiegel sind zumeist Kugelausschnitte.
Wölbspiegel stellen die Gegenstände kleiner dar und zeigen diese auch etwas verzerrt. Wie es dazu kommt, sieht man, wenn man die Bilder konstruiert.
Wähle den Wölbspiegel aus und beantworte die folgende Frage!
Wie sieht das Bild eines aufrecht stehenden Gegenstandes aus, das der Wölbspiegel erzeugt?
Das Bild, das ein Wölbspiegel erzeugt, ist immer virtuell, aufrecht und verkleinert.
Wölbspiegel im Alltag
Verkehrspiegel an schwer einsehbaren Kreuzungen oder gegenüber von Hausausfahrten sind Wölbspiegel. Ebenso die Außenspiegel bei Kraftfahrzeugen. In manchen Geschäften befinden sich Wölbspiegel zur Überwachung der Innenräume von einem Punkt – meist von der Kassa aus. Sie bieten die Möglichkeit, dass der überwachte Bereich durch die Wölbung größer ist, als bei Flachspiegeln. Allerdings haben Wölbspiegel einen Nachteil in der Entfernungsabschätzung.
Wähle eins der Objekte und verschiebe es! Betrachte dabei die Strecken, die das Objekt zurücklegt im Vergleich zu den Strecken des Bilds!
Man erkennt, dass die gesamte Strecke, die das Objekt bis zum Wölbspiegel zurücklegt, im Bild nur zwischen dem Brennpunkt und dem Spiegel zusammenschrumpft. Daher scheinen Autos durch einen Verkehrsspiegel betrachtet zunächst nur langsam näher zu kommen, je näher sie aber beim Spiegel sind, desto schneller wandert auch das Bild.
Hohlspiegel
Ein Hohlspiegel ist ein nach innen gewölbter Spiegel. Der Fachbegriff dafür lautet Konkavspiegel.
Es gibt mehrere Formen. Gebräuchlich sind Hohlspiegel in Form eines Kugelausschnitts oder eines Paraboloids.
Reflexionen am Hohlspiegel
Es fällt auf, dass die Spielfigur im Hohlspiegel auf dem Kopf steht, also verkehrt zur Lage des Gegenstandes ist. Warum das so ist, und ob es immer so ist, dazu muss man sich die Bildentstehung ansehen.
Wähle den Hohlspiegel aus und beantworte die folgenden Fragen!
Welches Bild entsteht vom Gegenstand, wenn dieser innerhalb der Brennweite steht?
Befindet sich ein Gegenstand innerhalb einfacher Brennweite, dann erzeugt ein Hohlspiegel ein virtuelles, aufrechtes und vergrößertes Bild.
Welches Bild entsteht vom Gegenstand, wenn dieser in doppelter Brennweite steht?
Befindet sich ein Gegenstand genau in doppelter Brennweite, dann erzeugt dieser ein reelles, verkehrtes und gleich großes Bild.
Welches Bild entsteht vom Gegenstand, der zwischen einfacher und doppelter Brennweite steht?
Befindet sich ein Gegenstand zwischen einfacher und doppelter Brennweite eines Hohlspiegels, dann erzeugt dieser ein reelles, verkehrtes und vergrößertes Bild.
Welches Bild entsteht vom Gegenstand, der sich außerhalb der doppelten Brennweite befindet?
Befindet sich ein Gegenstand außerhalb doppelter Brennweite, dann erzeugt ein Hohlspiegel ein reelles, verkehrtes und verkleinertes Bild.
Anders als beim Wölbspiegel schneiden sich die Lichtstrahlen vor dem Hohlspiegel. Da man nicht die Lichtstrahlen gedanklich verlängern muss, entsteht kein virtuelles sondern ein reelles, also „wirkliches“ Bild.
Eine Besonderheit bietet der Hohlspiegel zur Bündelung, aber auch zur Aussendung von parallelen Strahlen.
Funktionsweise von Satellitenschüsseln
Da die Fernsehsignale mittels elektromagnetischer Wellen übertragen werden, gelten die gleichen Gesetze der Reflexion des Lichts auch für diese. Deshalb sind auch die Satelliteschüsseln Hohlspiegel für diese Art von Wellen.
Hier sieht man die Funktionsweise von Satellitenschüsseln. Die Strahlen laufen im Brennpunkt zusammen. Dort sammelt sich die gesamte Energie und dort befindet sich auch die Empfangsantenne.
Umgekehrt ist es bei der Sendeanlage. Dort befindet sich der Sender im Brennpunkt eines Hohlspiegels, der die Strahlen parallel gerichtet aussendet.
Hohlspiegel im Alltag
Rasier- bzw. Kosmetikspiegel sind Hohlspiegel mit großer Brennweite, weil sie ein vergrößertes und aufrechtes Bild liefern.
In Erlebnisparks und in Klosterbibliotheken findet man manchmal zwei gegenüberliegende Hohlspiegel. Wenn man im Brennpunkt des einen sitzt und flüstert, dann kann eine zweite Person, die beim anderen Spiegel im Brennpunkt sitzt, die geflüsterten Worte verstehen, auch dann, wenn beide Spiegel mehrere Meter voneinander entfernt sind.
