Verändere die Richtung des Laserstrahls! Wann wird die Wasseroberfläche zum vollständigen Spiegel?
WORUM GEHT ES?
Bei diesem Versuch kann der Besucher ausprobieren, wie sich Licht an der Grenze zwischen Wasser und Luft verhält.Er kann dazu den Winkel verändern, mit dem das grüne Laserlichtbündel auf diese Grenzfläche fällt und ausprobieren, wann das Lichtbündel das Wasser verlassen kann und wann nicht.
WESHALB IST DAS SO?
Wenn Licht von Wasser in Luft fällt (allgemein von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium) zeigt es folgendes Verhalten: Bei senkrechtem Einfall geht es ungebrochen durch die Grenzschicht. Fällt es leicht schräg auf die Grenzfläche, wird es in zwei Lichtbündel aufgeteilt, eines davon tritt in die Luft aus, eines wird in das Wasser zurückgeworfen.
Denkt man sich am Auftreffpunkt des Lichtbündels an der Wasseroberfläche eine Linie senkrecht zur Wasseroberfläche (das so genannte Lot), erkennt man, dass einfallendes Bündel und reflektiertes Bündel im Wasser den gleichen Winkel zu Lot bilden. Hier gilt also das Reflexionsgesetz, kurz: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel.
Das in die Luft austretende Bündel macht an der Wasseroberfläche einen Knick, man sagt, es wird gebrochen, und zwar vom Lot weg. Der (zum Lot gemessene) Brechungswinkel ist größer als der Einfallswinkel.
Ändert man systematisch den Einfallswinkel, so dass das Licht immer schräger auf die Wasseroberfläche trifft, wird der reflektierte Anteil immer heller auf Kosten des Bündels, das in die Luft übertritt. Auch der Brechungswinkel wird immer größer bis das Lichtbündel die Wasseroberfläche streift. Dann wird der so genannten Grenzwinkel der Totalreflexion überschritten, das Lichtbündel tritt nicht mehr in die Luft aus, sondern wird vollständig (total) gemäß Reflexionsgesetz ins Wasser zurückgeworfen. Die Wasseroberfläche wirkt – mit schrägem Blick von unten betrachtet – wie ein Spiegel, was jeder Taucher bestätigen kann.
Alltagsbezug
Totalreflexion findet immer statt, wenn Licht genügend flach von einem optisch dichteren auf ein optisch dünneres Medium fällt. Sind diese Medien z.B. wärmere und kühlere Luftschichten über Wüstensand, die sich wegen der Temperaturunterschiede auch optisch unterscheiden, dann wird z.B. das Bild einer Oase über weite Strecken zwischen den Luftschichten hin und her totalreflektiert und erscheint als Fata Morgana.
Bei Glasfaserkabeln werden zwei optisch verschiedene Glassorten verwendet, eine optisch dichtere im Kern und eine optisch dünnere im umgebenden Mantel. Damit wird das Licht durch Totalreflexion im Kabelkern über weite Strecken verlustarm geführt.