PhysProf - Reflexion - Lichtreflexion - Totalreflexion - Polarisation
Fachthemen: Reflexion - Totalreflexion - Strahlen
PhysProf - Optik - Ein Programm zur Visualisierung physikalischer Sachverhalte mittels Simulationen und 2D-Animationen für die Schule, das Abitur, das Studium sowie für Lehrer, Ingenieure und alle die sich für Physik interessieren.
Online-Hilfe für das Modul
zur einfachen Veranschaulichung des Strahlenverlaufs der bei Reflexion (beim Zurückwerfen) von Licht vorherrscht.
Dieses kleine Unterprogramm unterstützt dabei ein tiefergehendes Verständnis zu diesem Themengebiet zu erlangen und kann zum Lösen vieler diesbezüglich relevanter Aufgaben eingesetzt werden.
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Themen und Stichworte zu diesem Modul:Reflexionsgesetz - Totalreflexion - Lichtreflexion - Ausfallwinkel - Reflexionswinkel - Einfallswinkel - Grenzwinkel - Grenzwinkel der Totalreflexion - Gerichtete Reflexion - Lichtstrahlen - Strahlen - Strahl - Strahlenmodell - Lichtstrahl - Lichtausbreitung - Geradlinige Lichtausbreitung - Geometrische Optik - Polarisation - Spiegelbild - Spiegelbilder - Spiegelung - Reflexion - Linear polarisiert - Lineare Polarisierung - Polarisierung - Brewstersches Gesetz - Brewster - Gesetz - Lichtpolarisation - Polarisationswinkel - Definition - Divergenz - Konvergenz - Diffusion - Divergent - Konvergent - Diffus - Schattenbildung - Schatten - Kernschatten - Halbschatten - Formel - Berechnen - Physik - Physikalisch - Erklärung - Beschreibung - Winkel - Licht - Vektoren |
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Reflexion - Totalreflexion - Lichtausbreitung
Modul Reflexion
Unter dem Programmpunkt [Optik] - [Reflexion] wird es ermöglicht, den Strahlenverlauf, welcher bei Reflexion von Licht auftritt, zu untersuchen.
Reflexion - Abbildung 1
Reflexion - Abbildung 2
Trifft eine ebene Welle an der Grenze des Mediums auf ein anderes, so tritt eine völlige oder teilweise Reflexion (Spiegelung) auf, d.h. trifft ein Lichtstrahl auf eine nicht lichtdurchlässige Fläche, so wird er von dieser zurückgeworfen.
Das Einfallslot (eintreffender Strahl) sowie der reflektierte Strahl liegen in einer Ebene. Hergeleitet werden kann dies nach dem Fermatschen Prinzip, welches besagt, dass ein Lichtstrahl stets den Weg wählt durch welchen er in kürzester Zeit von der Quelle zum Empfänger gelangt.
Das Reflexionsgesetz besagt, dass wenn der an der Grenze eines Mediums auftreffende (Licht-) Strahl reflektiert wird, der Einfallswinkel dessen gleich seinem Reflexionswinkel ist. Es gilt:
α = β
α: Einfallswinkel des Strahls
β: Ausfallwinkel des Strahls
Programmbedienung
Durch eine Benutzung der zur Verfügung stehenden Rollbalken Winkel und Punkt können Sie die Werte für den Einfallswinkel des Lichtstrahls sowie die horizontale Position des Lichteintreffpunkts einstellen und sich das Prinzip verständlich machen. Optional können Sie durch die Aktivierung der entsprechenden Kontrollkästchen wählen, ob ein Winkel und/oder ein Koordinatensystem dargestellt werden sollen.
Lichtausbreitung - Strahlenmodell
Lichtausbreitung:
Anhand des Strahlenmodells wird das Verhalten des Lichts hinsichtlich seiner Ausbreitung sowie Änderung mit Hilfe geometrischer Optik beschrieben. Strahlen (Lichtstrahlen) die sich in einem gemeinsamen Punkt sammeln sind konvergent. Als divergent bezeichnet werden Lichtstrahlen, die von einem Punkt ausgehend kreisförmig strahlen. Strahlen die keinen gemeinsamen Ausgangspunkt oder Zielpunkt besitzen werden diffus genannt.
Spiegelbild
Ein Spiegelbild ist die reflektierte Vervielfältigung eines Objekts, welches nahezu konform zum Objekt zu sein scheint, jedoch in seiner Richtung vertikal zur Spiegeloberfläche umgekehrt ist.
Eigenschaften des Bildes eines ebenen Spiegels:
Das Spiegelbild eines ebenen Spiegels besitzt exakt die Größe des Gegenstands.
Es besitzt den gleichen Abstand zum Originalgegenstand wie zum Spiegel.
Gegenstand und Spiegelbild sind bezüglich der Spiegelebene symmetrisch.
Es ist virtuell und scheint sich für Betrachter in derselben Entfernung hinter der Spiegeleben zu befinden.
Schattenbildung - Kernschatten - Halbschatten
Der lichtfreie Bereich hinter einem Gegenstand wird als Schatten bezeichnet. Bei einer punktförmigen Lichtquelle entsteht hinter dem Gegenstand ein Kernschatten. Besitzt die Lichtquelle eine flächenhafte Ausdehnung, oder sind zwei oder mehrere Lichtquellen vorhanden, so entsteht ein Kernschatten K sowie ein Halbschatten H.
Abb. 1 - Kernschatten
Abb. 2 - Halbschatten - Kernschatten
Totalreflexion
Hinsichtlich des Einfallens eines Lichtstrahls aus einem dichteren Medium auf ein dünneres Medium sind drei Fälle zu unterschieden. Der Winkel ab welchem eine Totalreflexion auftritt wird als Grenzwinkel bezeichnet.
Fall 1:
Ist der Einfallswinkel des Lichts kleiner dem Grenzwinkel des Lichts, so wird ein Teil des Lichts reflektiert, der andere Teil wird gebrochen.
Fall 2:
Entspricht der Einfallswinkel des Lichts dem Grenzwinkel des Lichts, so wird ein Teil des Lichts reflektiert, der andere Teil wird gebrochen. Der gebrochene Teil des Lichts verläuft an der Grenzfläche der Medien.
Fall 3:
Ist der Einfallswinkel des Lichts größer als der Grenzwinkel des Lichts, so wird der Lichtstrahl vollständig reflektiert und es findet keine Brechung des Lichts statt. Dieser Fall wird als Totalreflexion bezeichnet.
Definition der Totalreflexion:
Beim Übergang von einem dichteren Medium 1 in ein dünneres Medium 2 kann der Einfallswinkel des Lichtstrahls α den Grenzwinkel (größten Winkel) αG nicht überschreiten. Ist α > αG, so tritt eine sogenannte Totalreflexion ein. Er wird in das dichtere Medium 2 reflektiert.
Bei der Totalreflexion gilt:
αG: Grenzwinkel der Totalreflexion
c1: Lichtgeschwindigkeit im Medium 1 (dichteres Medium)
c2: Lichtgeschwindigkeit im Medium 2 (dünneres Medium)
n1: Brechzahl des Mediums 1
n2: Brechzahl des Mediums 2
Hinweis:
Die Brechzahlen einiger Medien sind zu finden unter Lichtbrechung.
Polarisation durch Reflexion
Licht kann polarisiert werden. Von Polarisierung wird gesprochen, wenn bestimmte Schwingungsrichtungen des Lichts bevorzugt werden. Polarisiert werden können lediglich Transversalwellen des Lichts. Das Licht natürlicher Quellen ist im Normalfall nicht polarisiert. Eine Polarisation dessen kann jedoch durch seine Reflexion oder Brechung an bestimmten Grenzflächen zweier verschiedener Medien erfolgen. Bei einer Polarisation durch Reflexion an einer derartigen Grenzfläche wird ein bestimmter Teil eines Strahlenbündels teilweise reflektiert, der andere Teil wird gebrochen. Reflektiertes Licht schwingt größtenteils vertikal zur Einfallsebene, das gebrochene Licht schwingt hingegen in dieser.
Unter bestimmten Voraussetzungen tritt jedoch eine vollständige Polarisation dessen auf.
Das Brewstersche Gesetz besagt, dass eine vollständige Polarisation an einer Grenzfläche dann auftritt, wenn der Tangens des Einfallswinkels dem Wert der Brechzahl des Mediums ist. Es gilt:
tan αp = n
αp: Polarisationswinkel
n: Brechzahl
Die Werte für Polarisationwinkel einiger Stoffe sind in nachfolgender Tabelle aufgeführt.
| Medium | Polarisationwinkel αp |
| Luft | 57° |
| Ammoniak | 52,96° |
| Ethanol | 53,71° |
| Plexiglas | 58,12° |
| Polystyrol | 57,8° |
| Quarzglas | 55,57° |
| Steinsalz | 57,07° |
| Wasser | 53,12° |
Eine kleine Übersicht in Form von Bildern und kurzen Beschreibungen über einige zu den einzelnen Fachthemengebieten dieses Programms implementierte Unterprogramme finden Sie unter Kurzbeschreibungen von Modulen zum Themengebiet Mechanik - Kurzbeschreibungen von Modulen zum Themengebiet Elektrotechnik - Kurzbeschreibungen von Modulen zum Themengebiet Optik - Kurzinfos zum Themengebiet Thermodynamik sowie unter Kurzbeschreibungen von Modulen zu sonstigen Themengebieten.
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Lichtbrechung - Zerstreuungslinse - Sammellinse - Hohlspiegel - Reflexion am Spiegel - Beugung am Spalt - Plancksches Strahlungsgesetz
Unterprogramm Reflexion
PhysProf 1.1 - Unterprogramm RLC-Kreis
MathProf 5.0 - Unterprogramm Kurven in Parameterform
SimPlot 1.0 - Grafik- und Animationsprogramm für unterschiedlichste Anwendungszwecke
Physik interaktiv
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Es eignet sich insbesondere dafür, um interaktive grafische Untersuchungen sowie numerische Berechnungen zu entsprechenden Fachthemen durchführen zu lassen. Mehr als 300 verschiedene Unterprogramme decken die mathematischen Themenbereiche Analysis, Geometrie, Trigonometrie, Algebra, Stochastik, 3D-Mathematik und Vektoralgebra großflächig ab.
Durch die Nutzbarkeit vieler implementierter grafischer Features bestehen vielseitige gestaltungstechnische Möglichkeiten, ausgegebene Grafiken in entsprechenden Unterprogrammen auf individuelle Anforderungen anzupassen. Durch die freie Veränderbarkeit von Parametern und Koordinatenwerten bei der Ausgabe grafischer Darstellungen, besteht in vielen Modulen zudem die Möglichkeit, Veränderungen an dargestellten Gebilden und Zusammenhängen manuell oder durch die Verwendung automatisch ablaufender Simulationsprozesse in Echtzeit zu steuern und zu analysieren.
Es verfügt über eine umfangreiche Programmhilfe mit ca. 1600 Seiten.
Eine Übersicht aller in MathProf 5.0 zur Verfügung stehender Programmteile finden Sie im MathProf - Inhaltsverzeichnis, oder durch einen Klick auf die nachfolgend dargestellte Schaltfläche.
- Kurzinfos zum Themengebiet Analysis
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Visualisierung und Simulation interaktiv
SimPlot 1.0 ist eine Anwendung, welche es unter anderem durch interaktiv erstellbare Präsentationen ermöglicht, sich Sachverhalte aus vielen technischen, wissenschaftlichen und anderen Bereichen grafisch darstellen und diese multifunktional sowohl statisch, wie auch in Form bewegter Grafiken ausgeben zu lassen. Das Programm erlaubt die Erstellung von Gebilden mit zweidimensionalen grafischen Objekten, welche als geometrische Figuren und Bilder zur Verfügung stehen.
Es bietet zudem die Möglichkeit, Zusammenhänge im Bereich der Planimetrie auf einfache Weise interaktiv zu analysieren. Unter anderem wird es ermöglicht, mit erzeugten Gebilden geometrische Transformationen durchzuführen und diesen automatisch ablaufende Bewegungs- und Verformungsprozesse zuzuweisen.
SimPlot kann sowohl zur Erstellung von Infografiken, zur dynamischen Datenvisualisierung, zur Auswertung technisch-wissenschaftlicher Zusammenhänge sowie zur Erzeugung bewegter Bilder für verschiedenste Anwendungsbereiche eingesetzt werden. Neben der Bereitstellung vieler mathematischer Hilfsmittel und zusätzlicher Unterprogramme erlaubt es auch die Einblendung von Hilfslinien zur Echtzeit, welche dienlich sind, um sich relevante Sachverhalte und Zusammenhänge unmittelbar begreiflich zu machen.
Dieses Programm verfügt über eine umfangreiche Programmhilfe mit ca. 900 Seiten.
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