Reflexion am ebenen Spiegel: verstehen und üben

Lernschritt 1

Was bedeutet Reflexion?

Bei der Reflexion wird Licht an einer Oberfläche in den Bereich zurückgelenkt, aus dem es gekommen ist. Ein ebener Spiegel reflektiert Licht geordnet und ermöglicht ein scharfes Spiegelbild.

Für die Konstruktion brauchst du den einfallenden Strahl, den Auftreffpunkt, das Lot und den reflektierten Strahl. Das Lot ist eine gedachte Hilfslinie, die im Auftreffpunkt senkrecht zur Oberfläche steht.

Das Reflexionsgesetz lautet α = β. α ist der Winkel zwischen einfallendem Strahl und Lot, β der Winkel zwischen reflektiertem Strahl und Lot. Beide Strahlen und das Lot liegen in derselben Ebene.

Lernschritt 2

Ausprobieren: Den Einfallswinkel verändern

Beim Umschalten bleibt der Spiegel fest. Der einfallende Strahl wird schräger zum Lot. Der reflektierte Strahl besitzt auf der anderen Lotseite wieder denselben Winkel.

Bei 30° Einfallswinkel sind es auch 30° Reflexionswinkel. Zwischen den beiden vom Auftreffpunkt aus betrachteten Strahlästen liegen 60°. Bei 55° ergeben sich entsprechend 55° und insgesamt 110°.

Einfallender und reflektierter Strahl besitzen unterschiedliche Pfeilrichtungen: Der eine läuft zum Spiegel, der andere davon weg. Diese Pfeile sind nötig, damit aus einer bloßen Geraden ein Lichtweg wird.

Lernschritt 3

Einen reflektierten Strahl konstruieren

1. Zeichne die Spiegeloberfläche mit dem Lineal.
2. Markiere, wo der einfallende Strahl die Oberfläche trifft.
3. Errichte dort das Lot im rechten Winkel zur Oberfläche.
4. Miss den Einfallswinkel zwischen Strahl und Lot.
5. Trage denselben Winkel auf der anderen Seite des Lots ab.
6. Zeichne den reflektierten Strahl mit einem Pfeil vom Spiegel weg.

Bei einem schräg gezeichneten Spiegel muss auch das Lot entsprechend schräg liegen. Es ist nicht automatisch senkrecht zum Blattrand, sondern immer senkrecht zur Oberfläche.

Prüfe deine Zeichnung: Liegen beide Strahlen vor dem Spiegel? Sind die Winkel zum Lot gleich? Zeigt der einfallende Pfeil auf den Auftreffpunkt und der reflektierte davon weg?

Lernschritt 4

Winkelaufgaben sicher lösen

Beispiel 1: Ein Lichtstrahl bildet mit der Oberfläche einen Winkel von 25°. Da Oberfläche und Lot 90° einschließen, gilt:

α = 90° − 25° = 65°

β = α = 65°

Der reflektierte Strahl bildet ebenfalls 25° mit der Oberfläche. Eine Antwort „Reflexionswinkel 25°“ wäre hier falsch, weil der Fachbegriff zum Lot gehört.

Beispiel 2: Zwischen den beiden vor dem Spiegel liegenden Strahlästen ist der Winkel 80° angegeben. In dieser symmetrischen Geometrie gilt 2α = 80°, also α = β = 40°.

Senkrechter Einfall: Verläuft der einfallende Strahl entlang des Lots, sind α und β beide null. Der reflektierte Strahl läuft auf derselben Linie zur Quelle zurück. Das Reflexionsgesetz gilt auch in diesem Sonderfall.

Unterscheide den Winkel zwischen den gezeichneten Strahlästen vom Winkel zwischen den gerichteten Ausbreitungsvektoren. Lies bei ungewohnten Winkelangaben zuerst genau, welcher Winkel in der Skizze markiert ist.

Lernschritt 5

Warum scheint das Bild hinter dem Spiegel zu liegen?

Von einem Gegenstandspunkt können verschiedene Strahlen auf den Spiegel treffen. Nach der Reflexion laufen sie vor dem Spiegel weiter. Gelangen solche Strahlen ins Auge, erscheint der Punkt in der Richtung, aus der die Strahlen zu kommen scheinen.

Verlängert man die reflektierten Strahlen gedanklich hinter den Spiegel, schneiden sich ihre Rückverlängerungen im virtuellen Bildpunkt. Virtuell heißt hier: Die realen Strahlen treffen sich dort nicht.

Deshalb kann das Bild eines gewöhnlichen Gegenstands im ebenen Spiegel nicht durch einen Schirm am scheinbaren Bildort aufgefangen werden. Eine Kamera vor dem Spiegel kann es trotzdem fotografieren, weil sie die tatsächlich reflektierten Strahlen empfängt und mit ihrem Objektiv ein eigenes Bild erzeugt.

Der Bildpunkt liegt auf der Senkrechten durch den Gegenstandspunkt und hat denselben Abstand zur Spiegelebene. Zum Konstruieren darfst du ihn daher direkt geometrisch spiegeln.

Lernschritt 6

Abstände und Eigenschaften des Spiegelbilds

Beim idealen ebenen Spiegel ist das Bild gleich groß wie der Gegenstand, aufrecht und virtuell. Es liegt genauso weit hinter dem Spiegel wie der Gegenstand davor. Diese Aussagen gelten nicht allgemein für gewölbte Spiegel.

Beispiel: Ein Gegenstand steht 0,80 m vor dem Spiegel. Sein Bild liegt 0,80 m hinter der Spiegelebene. Der Abstand zwischen Gegenstand und Bild beträgt 1,60 m.

Rückt der Gegenstand 0,20 m zum feststehenden Spiegel, beträgt sein Abstand nur noch 0,60 m. Das Bild liegt dann ebenfalls 0,60 m hinter dem Spiegel. Der Gegenstand-Bild-Abstand sinkt auf 1,20 m, also um 0,40 m.

„Der Spiegel vertauscht links und rechts“ ist als räumliche Beschreibung ungenau. Gespiegelt wird die Koordinate senkrecht zur Spiegelfläche: vorne und hinten. Dass Schrift im Vergleich zu einer umgedrehten Vorlage seitenverkehrt wirkt, hängt mit dieser räumlichen Spiegelung zusammen.

Lernschritt 7

Warum zeigt eine weiße Wand kein Spiegelbild?

Auch eine weiße Wand reflektiert Licht. Ihre Oberfläche ist auf kleiner Skala aber uneben. Verschiedene kleine Flächen besitzen verschiedene Lote und lenken das Licht deshalb in viele Richtungen.

Das nennt man diffuse Reflexion. Das Reflexionsgesetz gilt weiterhin lokal an den jeweiligen kleinen Oberflächenstellen. Die unterschiedlichen Orientierungen verhindern jedoch ein geordnetes scharfes Bild wie beim ebenen Spiegel.

Bei parallelem einfallendem Licht liefert eine ideale ebene Fläche parallele reflektierte Strahlen. Eine raue Fläche verteilt die Reflexion über verschiedene Richtungen. So ist beispielsweise eine Buchseite aus mehreren Blickrichtungen sichtbar.

Lernschritt 8

Vom Spiegelversuch zum Periskop

Der Lichtweg ist umkehrbar: Läuft ein Strahl von A über den Spiegel nach B, kann Licht auch von B über denselben Auftreffpunkt nach A laufen. Das hilft, bei Sichtaufgaben mögliche Lichtwege zu finden.

Ein einfaches Periskop lenkt Licht nacheinander an zwei ebenen Spiegeln um. Zeichne an jedem Auftreffpunkt ein eigenes Lot und wende das Reflexionsgesetz zweimal an. Ein globales Lot für beide Spiegel reicht bei beliebigen Anordnungen nicht aus.

Für einen Versuch eignen sich ein Schulspiegel und eine geeignete Strahlenleuchte. Zeichne zunächst die vermutete Richtung ein, prüfe sie mit dem Lichtbündel und miss beide Winkel. Verwende keine direkte Sonnenbeobachtung als Spiegelversuch.

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