Basiswissen

Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel: Wenn Licht auf eine ebene Grenzfläche trifft, und wenn das Licht von dieser Fläche reflektiert (zurück geworfen) wird, dann sind der Einfalls- und der Ausfallswinkel gleich groß. Sinngemäß gilt dasselbe auch für Wellen, etwa im Wasser.

Das Reflexionsgesetz für Licht

FORMEL

α₁ = α₂

Legende

α₁ = gemessen zum Lot 👉 Einfallswinkel

α₂ = gemessen zum Lot 👉 Ausfallswinkel

ERKLÄRUNG

Die klassische Darstellung des Reflexionsgesetzes für Licht ist ein gerader Lichtstrahl der schräg auf eine ganz ebene und glatte Spiegelfläche trifft. Der Strahl prallt dann unter einem gleich großen Winkel von der Fläche ab, mit der er vorher aufgetroffen ist.

Ein Laserstrahl, sichtbar gemacht mit dem Qualm einer E-Zigarette, trifft unter einem gleich großen Winkel auf einen Spiegel auf, unter dem er ihn auch wieder verlässt.

Als Bezug für den Winkel verwendet man dabei aus wohl historischen Gründen nicht die spiegelnde Fläche selbst sondern ein Lot (senkrechte Linie) dazu. Andere Namen für das Lot sind Lotgerade, Senkrechte, Flächennormale oder auch Orthogonale. Alle diese Worte sagen aus, dass das Lot eine gerade Linie ist, die senkrecht, das heißt mit einem Winkel von 90° auf der Spiegelfläche steht.

Der Effekt kann auch auftreten, wenn Licht von Wasser her kommend auf die Wasseroberfläche trifft. Je nachdem unter welchem Winkel das Licht an der Wasseroberfläche ankommt, kann es dort teilweise oder ganz reflektiert werden. Ist die Oberfläche einigermaßen glatt oder sogar still und eben, dann gilt auch dort das Reflexionsgesetz.

Ab einem bestimmten Winkel, dem sogenannten Grenzwinkel, wird Licht von unter Wasser an der Oberfläche zu fast 100 % reflektiert. Bei anderen Winkeln hingegen geht ein Großteil des Lichts durch die Oberfläche hindurch. Man spricht dann von einer Transmission (Weiterleitung). Der reflektierte Anteil folgt dabei mehr oder minder gut dem Reflexionsgesetz. Die vollständige Reflexion bezeichnet man als 👉 Totalreflexion

Das Reflexionsgesetz für Wellen

Auch Wasserwellen werden nach dem Gesetz Einfallswinkel-gleich-Ausfallswinkel reflektiert. Besonders gut erkennt man das an ebenen und senkrechten Hindernissen wie Hafen- oder Schiffswänden.

In einer flachen Wanne mit Wasser kann man gut erkennen, wie Wasserwellen an einer Wand reflektiert werden.

Durch die Reflexion von Wasserwellen können komplexere Phänomene wie Interferenz, Kreuzseen oder eine sogenannte Clapotis entstehen. Mehr dazu steht im Artikel zur 👉 Reflexion (Wasserwellen)

Ausnahmen

Unterschiedliche Winkel

Reflexion heißt, dass etwas an einer Fläche zurückgeworfen wird, anschaulich gesagt "abprallt". Auf jeden Fall wird bei einer Reflexion die Grenzfläche nicht durchdrungen. Dass dabei das Reflexionsgesetz "Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel" gilt, ist aber nicht immer zwingend nötig. Es kann auch Reflexionen geben, bei denen der Einfallswinkel ein ganz anderer ist als der Ausfallswinkel. Dazu stehen hier einige Beispiele.

Diffuses Licht

Trifft Licht auf ein weißes Blatt Papier, wird es auch reflektiert. Aber das Licht wird vom Papier in sehr viele verschiedene Richtungen zurück geworfen. Strahlt man ein Blatt Papier in einem sehr dunklen Raum mit einem Lichtstrahl an, erhellt das zurück geworfene Licht weite Bereiche des vorher dunklen Raumes. Richtet man denselben Strahl aber auf einen Spiegel, wird nur ein kleiner Bereich des Raumes erhellt. Von der Richtung her ganz unregelmäßig sich ausbreitendes Licht nennt man 👉 diffus

Beugungsgitter

Richtet man Licht auf ein sogenanntes Beugungsgitter, so kann es von diesem Beugungsgitter unter sehr vielen verschiedenen Winkel reflektiert werden. Siehe auch 👉 Beugungsgitter

Dispersion

Richtet man einen dünnen weißen Strahl aus Licht auf die Oberfläche einer DVD, so wird das Licht reflektiert und gleichzeitig in seine Spektralfarben zerlegt. Das heißt aber, dass verschiedene Farben auch verschieden Ausfallswinkel haben, obwohl doch alle Farben als weißes Licht gemeinsam denselben Einfallswinkel hatten. Das tiefere physikalische Prinzip dahinter ist, dass sich Licht verschiedener Farben auch unterschiedlich verhalten kann. Man spricht von 👉 Dispersion

Streuung

Trifft das Licht einer Laserstrahls oder von der Sonne auf Staub, Qualm oder Nebel, wird es plötzlich in viele verschiedene Richtungen umgelenkt. Wer mit einem sehr hellen Scheinwerfer mit einem Fahrrad in dichten Nebel eintaucht, wird plötzlich von von allen Richtungen her geblendet. Die tiefere Ursache ist, dass das Licht irgendwie mit einem einzelnen kleinen Teilchen des Störmediums wechselwirkt und dabei ganz zufällig oder zumindest schwer vorhersagbar seine Richtung ändert. Siehe dazu mehr unter 👉 Streuung

Reflexion nur teilweise

Das Reflexionsgesetz in der Sprechweise "Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel" darf nicht so gedeutet werden, dass alles Licht, das unter einem bestimmten Winkel einfällt, überhaupt reflektiert wird. Manchmal gibt es überhaupt gar keinen Ausfallswinkel im Sinne einer Reflexion. Stattdessen dringt Licht ganz oder teilweise^[2] durch die Grenzfläche (z. B. Wasser nach Luft) durch und in das andere Medium ein. Dieses Eindringen bezeichnet man auch als Transmission, auf Deutsch etwa so viel wie ein Durchlassen. Der Effekt tritt bei Licht^[3] wie auch bei Wasserwellen^[4] auf. Wenn eine Reflexion nur teilweise ist, bezeichnet man sie auch als 👉 partielle Reflexion

Rückstrahler

An Fahrrädern sind heute fast immer mehrere Rückstrahler angebracht, oft in roter oder oranger Farbe. In der Physik bezeichnet man sie auch als Retroreflektor. Durch eine geschickte Bauweise werfen sie Lichtstrahlen in ziemlich genau dieselbe Richtung wieder zurück, aus der sie auch gekommen sind. Damit würde auch das Gesetz "Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel" gelten, aber die Strahlen werden nicht auf die andere Seite eines Lotes umgelenkt. Sie laufen vielmehr dieselbe Strecke wieder zurück, von der sie gekommen sind. Siehe auch 👉 Rückstrahler

Fußnoten

[1] Siehe auch 👉 Reflexion (Wasserwellen)

[2] Bestrahlt man einen Spiegel mit Sonnenlicht, so kann man einerseits ein Bild der Sonne in dem Spiegel erkennen. Das ist das Ergebnis einer Reflexion. Gleichzeitig wird sich der Spiegel durch das Sonnenlicht auch erwärmen. Das ist das Ergebnis einer Absorption, eines Auffangens oder "Schluckens" der Sonnenstrahlen. Siehe mehr unter 👉 Absorption

[3] Die Transmission von Licht durch Glas kann man gut beobachten, wenn es draußen dunkel ist. Man macht dann in eine Zimmer eine Lampe an und blickt von außen in den Raum. Man wird die Gegenstände in dem Raum erkennen. Das ist eine Folge des Lichts, das durch die Fensterscheibe nach außen gelangte, also der Transmission. Geht man dann in den Raum kann man von innen auf die Fensterscheibe blicken. Man wird dort Spiegelungen genau der Gegenstände sehen, die man vorher auch von außen erkannte. Die Spiegelung sind ein Ergebnis der reflektierten Wellen. Siehe auch 👉 partielle Reflexion

[4] Für Wasserwellen spielt das Eindringen von Wellenenergie in Hindernisse zum Beispiel im Küstenschutz eine Rolle, etwa beim Bau von Deichen. Das wird zum Beispiel behandelt in: Fritz Büsching: Komplexe Reflexionskoeffizienten für Wasserwellen zur Klassifizierung von Brandungseffekten an Küstenschutzbauwerken. In: Die Küste, 78 (2011), 235-258.

[5] Das Reflexionsgesetz für Licht aus dem Jahr 1833, formuliert über eine Normale: "it was very early perceived that in appearances connected with mirrors, flat or curved, the luminous or visual communication is effected in bent lines. When we look into a flat mirror, and seem to see an object, such as a candle, behind it, we should err if we were to extend to this new case the rules of our more familiar experience. We should not now come to touch the candle by continuing the straight line from the eye to a hand or other obstacle, so placed between the eye and the mirror as to hide the candle; this line continued would meet the mirror in a certain place from which it would be necessary to draw a new and different straight line, if we wished to reach the real or tangible candle: and the whole bent line, made up of these two straight parts, is found to be now the line of visual communication, and is to be regarded now as the linear path of the light. An opaque obstacle, placed any where on either part of this bent line, is found to hide the reflected candle from the eye; but an obstacle, placed any where else, produces no such interruption. And the law was very early discovered, that for every such bent line of luminous or visual communication, the angle between any two successive straight parts is bisected by the normal, or perpendicular, to the mirror at the point of bending." In: Hamilton, William Rowan, Sir (1833). On a general method of expressing the paths of light, & of the planets, by the coefficients of a characteristic function. Printed by P.D. Hardy.