Trifft Licht aus dem optisch dichteren Medium so flach auf die Grenzfläche zum dünneren, dass der Einfallswinkel den Grenzwinkel überschreitet, tritt es nicht mehr teilweise aus, sondern wird zu 100 % reflektiert — Totalreflexion. Der Grenzwinkel hängt von den beiden Brechzahlen ab (Wasser/Luft etwa 49°). Zwei verbreitete Fehlvorstellungen sind falsch: Totalreflexion tritt nur beim Übergang dicht → dünn auf (nicht in jede Richtung), und es entkommt kein Rest Licht (die Reflexion ist vollständig). Darauf beruhen Lichtleiter und Glasfaserkabel, medizinische Endoskope und Umkehrprismen im Fernglas. Vertieft die Brechung und steckt ihren Gültigkeitsbereich ab.
Der kleinste Einfallswinkel, ab dem Totalreflexion eintritt, heiĂźt ___.
âś“ Antwort: Grenzwinkel
Am Grenzwinkel verläuft der gebrochene Strahl genau entlang der Grenzfläche (Brechungswinkel 90°). Bei jedem größeren Winkel wird alles Licht reflektiert.
In welchem Bauteil bleibt Licht durch immer wiederkehrende Totalreflexion gefangen?
â—Ź In einer Glasfaser
â—‹ In einem Kupferdraht
â—‹ In einer GlĂĽhlampe
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 welchem medizinischen Gerät leiten Glasfasern das Licht durch Totalreflexion in den Körper und das Bild wieder heraus?
â—Ź Im Endoskop
○ Im Röntgengerät
○ Im Blutdruckmessgerät
Endoskope führen Licht über Glasfaserbündel in Körperhohlräume und das Bild zurück — ganz ohne große Operation. Röntgen und Blutdruckmessung beruhen auf ganz anderen Prinzipien.
Wie viel der Lichtenergie tritt bei einer Totalreflexion in das dĂĽnnere Medium ĂĽber?
â—Ź Gar nichts
○ Ungefähr die Hälfte
â—‹ Fast alles
„Total" heißt vollständig — bei der Totalreflexion bleibt die gesamte Lichtenergie im dichteren Medium. Nichts geht in das dünnere Medium über.
Bei welchem Ăśbergang kann ein Lichtstrahl totalreflektiert werden?
● Wasser → Luft
○ Luft → Wasser
○ Luft → Glas
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 30° zum Lot auf die Glas-Luft-Grenze. Der Grenzwinkel beträgt 42°. Was passiert?
â—Ź Er wird gebrochen und tritt teilweise aus
○ Er wird vollständig totalreflektiert
○ Er läuft ohne Richtungsänderung weiter
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.
Ein Strahl trifft im Glas unter 60° (Grenzwinkel 42°) auf die Glas-Luft-Grenze. Ein Teil des Lichts tritt in die Luft aus.
âś“ Falsch
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.
Ein Strahl trifft im Glas von innen senkrecht (0° zum Lot) auf die Glas-Luft-Grenze. Was passiert?
â—Ź Er tritt geradlinig aus dem Glas aus
â—‹ Er wird totalreflektiert
â—‹ Er wird zum Lot hin gebrochen
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?
âś“ Antwort: 55
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?
â—Ź Im Diamant
â—‹ Im Glas
â—‹ In beiden gleich
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.
Neben einem Kupferkabel und einem Glasfaserkabel läuft ein starker Elektromotor, der elektromagnetische Störfelder erzeugt. In welchem Kabel bleibt das Signal ungestört?
â—Ź im Glasfaserkabel
â—‹ im Kupferkabel
○ in beiden gleich stark gestört
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?
â—Ź Die heiĂźe Luft dicht ĂĽber dem Asphalt ist optisch dĂĽnner, und flach einfallendes Licht wird totalreflektiert
○ Dort steht tatsächlich eine Wasserpfütze
â—‹ Der heiĂźe Asphalt wirkt wie ein Spiegel aus Metall
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).