Totalreflexion
Bei welchem Ăśbergang kann ein Lichtstrahl totalreflektiert werden?
Erklärung: Totalreflexion gibt es nur beim Übergang vom optisch dichteren ins dünnere Medium (hier Wasser → Luft). Von dünn nach dicht (Luft → Wasser, Luft → Glas) wird immer gebrochen, nie totalreflektiert.
Ein Strahl trifft im Glas von innen unter 70° zum Lot auf die Glas-Luft-Grenze. Der Grenzwinkel beträgt 42°. Was passiert?
Erklärung: Der Einfallswinkel (70°) ist größer als der Grenzwinkel (42°), also wird der Strahl vollständig ins Glas zurückgeworfen und tritt nicht aus.
Ein Strahl trifft im Glas von innen unter 30° zum Lot auf die Glas-Luft-Grenze. Der Grenzwinkel beträgt 42°. Was passiert?
Erklärung: Der Einfallswinkel (30°) ist kleiner als der Grenzwinkel (42°). Totalreflexion tritt erst oberhalb des Grenzwinkels ein — hier wird der Strahl gebrochen und verlässt das Glas.
Der kleinste Einfallswinkel, ab dem Totalreflexion eintritt, heiĂźt ___.
Erklärung: Am Grenzwinkel verläuft der gebrochene Strahl genau entlang der Grenzfläche (Brechungswinkel 90°). Bei jedem größeren Winkel wird alles Licht reflektiert.
Ein Strahl trifft im Glas unter 60° (Grenzwinkel 42°) auf die Glas-Luft-Grenze. Ein Teil des Lichts tritt in die Luft aus.
Erklärung: Der Einfallswinkel (60°) ist größer als der Grenzwinkel (42°), also tritt Totalreflexion ein: Das Licht wird zu 100 % ins Glas zurückgeworfen, kein Anteil geht in die Luft über. Genau das unterscheidet die Totalreflexion von der Reflexion an einem gewöhnlichen Spiegel.
Totalreflexion kann auch beim Ăśbergang von Luft in Glas auftreten.
Erklärung: Nein — nur beim Weg vom dichteren ins dünnere Medium (Glas → Luft). Von Luft in Glas (dünn → dicht) wird der Strahl immer gebrochen.
Ein Strahl trifft im Glas von innen senkrecht (0° zum Lot) auf die Glas-Luft-Grenze. Was passiert?
Erklärung: Bei senkrechtem Einfall (0°) gibt es weder Brechung noch Totalreflexion — der Strahl geht gerade hindurch. Totalreflexion braucht einen Winkel über dem Grenzwinkel.
Ein Strahl trifft im Glas unter 55° zum Lot auf die Grenzfläche (Grenzwinkel 42°) und wird totalreflektiert. Unter welchem Winkel zum Lot läuft er zurück, in Grad?
Erklärung: Auch die Totalreflexion gehorcht dem Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Ausfallswinkel. Der zurücklaufende Strahl bildet wieder 55° mit dem Lot.
Zwei Steine — Glas (Grenzwinkel 42°) und Diamant (Grenzwinkel 24°). In welchem wird Licht schon bei kleineren Winkeln totalreflektiert?
Erklärung: Je kleiner der Grenzwinkel, desto mehr Strahlen liegen darüber und werden totalreflektiert. Der kleine Grenzwinkel des Diamants (24°) lässt kaum Licht entkommen — daher sein starkes Funkeln.
In welchem Bauteil bleibt Licht durch immer wiederkehrende Totalreflexion gefangen?
Erklärung: In der Glasfaser trifft das Licht immer wieder über dem Grenzwinkel auf die Grenze zwischen Kern und Mantel und wird totalreflektiert — so läuft es kilometerweit im Kern weiter.
In einem Glasfaserkabel hat der innere Kern einen ___ Brechungsindex als der äußere Mantel.
Erklärung: Der Kern ist optisch dichter als der Mantel. Nur so trifft das Licht von innen (dicht → dünn) auf die Grenze und kann totalreflektiert werden.
In welchem medizinischen Gerät leiten Glasfasern das Licht durch Totalreflexion in den Körper und das Bild wieder heraus?
Erklärung: Endoskope führen Licht über Glasfaserbündel in Körperhohlräume und das Bild zurück — ganz ohne große Operation. Röntgen und Blutdruckmessung beruhen auf ganz anderen Prinzipien.
Neben einem Kupferkabel und einem Glasfaserkabel läuft ein starker Elektromotor, der elektromagnetische Störfelder erzeugt. In welchem Kabel bleibt das Signal ungestört?
Erklärung: Glasfasern übertragen Daten als Lichtsignale statt als elektrischen Strom — das Lichtsignal ist immun gegen elektromagnetische Störfelder. Im Kupferkabel fließt ein elektrischer Strom, in den das Störfeld einkoppeln kann; das Glasfasersignal bleibt davon unberührt.
An heißen Tagen sieht man auf der Straße vor sich eine spiegelnde Fläche, die nie näher kommt. Woran liegt das?
Erklärung: Die heiße Luftschicht am Boden ist dünner als die kühlere darüber. Sehr flach einfallendes Himmelslicht wird an ihr totalreflektiert — man sieht den gespiegelten Himmel als scheinbare Wasserfläche (Fata Morgana).
Wie viel der Lichtenergie tritt bei einer Totalreflexion in das dĂĽnnere Medium ĂĽber?
Erklärung: „Total" heißt vollständig — bei der Totalreflexion bleibt die gesamte Lichtenergie im dichteren Medium. Nichts geht in das dünnere Medium über.