Klasse 7 › Physik › Optik: Linsen, Auge und Schatten
Wie kommt Licht durch ein Glasfaserkabel um die Kurve?
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Licht biegt nicht ab, es läuft immer gerade. Trifft es in der Glasfaser flacher als der Grenzwinkel auf die Wand, kommt nichts hinaus: Die Wand spiegelt alles zurück, das heißt Totalreflexion. So läuft das Licht im Zickzack durch jede sanfte Kurve. Der Grenzwinkel liegt bei Glas zu Luft bei etwa 42°.
Das Wichtigste zum Nachlesen
1 Min. Lesen
Gespiegelt statt gebogen
Geht Licht von einem optisch dichteren Stoff wie Glas oder Wasser in einen dünneren wie Luft, wird es vom Lot weg gebrochen. Je flacher es auf die Grenzfläche trifft, desto stärker. Ab einem bestimmten Einfallswinkel, dem Grenzwinkel, kommt gar kein Licht mehr hinaus: Die Grenzfläche wirft alles zurück wie ein perfekter Spiegel. Das heißt Totalreflexion. Für Glas zu Luft liegt der Grenzwinkel bei etwa 42°, für Wasser zu Luft bei etwa 49°.
Totalreflexion an der Grenzfläche Glas–Luft
45° ist mehr als der Grenzwinkel von 42°: Das Licht bleibt ganz im Glas.
Die Glasfaser
- Eine Glasfaser ist dünner als ein Haar.
- Das Licht trifft immer flach auf die Wand und wird im Zickzack total reflektiert.
- So folgt es jeder sanften Kurve, fast ohne Verlust.
- Anwendungen: schnelles Internet (Daten als Lichtblitze) und Endoskope, mit denen Ärztinnen in den Körper schauen.
Typische Falle
- Falsch: Licht geht um Ecken, wenn das Kabel biegsam ist.
- Richtig: Licht läuft immer gerade – es wird nur immer wieder an der Wand gespiegelt.
- Knickt man die Faser zu stark, trifft das Licht zu steil auf und tritt aus.
Zwei Bedingungen
Totalreflexion gibt es nur, wenn beides stimmt: Das Licht geht vom dichteren in den dünneren Stoff, und der Einfallswinkel ist größer als der Grenzwinkel.
Üben
2 Aufgaben
Brechung oder Totalreflexion? Der Grenzwinkel für Glas–Luft ist 42°.
- Glas → Luft, Einfallswinkel 30°:
- Glas → Luft, Einfallswinkel 50°:
- Glas → Luft, Einfallswinkel 70°:
- Luft → Glas, Einfallswinkel 60°:
Schau dir die Glasfaser an. Stimmt das? Kreuz an.
- Das Licht folgt in der Faser einer gebogenen Bahn.
- Das Licht wird an der Wand der Faser immer wieder total reflektiert.
- Totalreflexion gibt es auch, wenn Licht von Luft in Glas geht.
- Ein Endoskop nutzt Lichtleiter.
- Knickt man die Faser zu stark, kann Licht austreten.
Was im Video gesagt wird
Abschrift
Einstieg
Licht biegt um die Kurve? Falsch. Es läuft immer gerade.
Erklärung
Licht läuft immer geradeaus. Von allein biegt es nie ab. Der Trick passiert an der Grenze zwischen Glas und Luft. Trifft Licht steil auf, geht es hinaus, vom Lot weg gebrochen. Je flacher es auftrifft, desto stärker knickt es ab.
Bei etwa zweiundvierzig Grad läuft es nur noch an der Wand entlang. Noch flacher: Kein Licht kommt mehr hinaus, die Wand spiegelt alles. Das heißt Totalreflexion: ein perfekter Spiegel ohne Spiegel. Zwei Bedingungen: von Glas in Luft, und flacher als der Grenzwinkel.
Grenzwinkel: bei Glas etwa zweiundvierzig Grad, bei Wasser etwa neunundvierzig. In der Glasfaser trifft das Licht immer flach auf die Wand. Jedes Mal wird es total reflektiert und läuft im Zickzack weiter. In einer sanften Kurve bleibt der Winkel flach: Das Licht folgt.
Bei einem scharfen Knick trifft es zu steil auf und tritt aus.
Beispiele
Probier es mit Wasser: Leuchte schräg von unten in ein Glas. Steil von unten kommt fast alles Licht oben heraus. Kippst du die Lampe flacher, kippt der Strahl immer weiter zur Oberfläche. Ab etwa neunundvierzig Grad glänzt die Oberfläche von unten wie ein Spiegel.
Das siehst du auch beim Tauchen: Von unten glänzt die Wasseroberfläche. Nimm eine Taschenlampe, nie einen Laserpointer: Der kann die Augen verletzen. Glasfasern bringen so Daten als Lichtblitze ins Haus: schnelles Internet. Und mit einem Endoskop aus Lichtleitern schauen Ärztinnen in den Magen.
Gegenprobe: Bog das Licht wirklich mit, käme es durch jeden scharfen Knick.
Dein Zug
Dein Zug: Licht trifft in Glas unter sechzig Grad auf Luft. Was passiert? Totalreflexion, denn sechzig ist mehr als zweiundvierzig.
Zum Schluss
Steiler als der Grenzwinkel: Brechung. Flacher: Totalreflexion. Merk dir: Licht läuft gerade, die Faserwand spiegelt es im Zickzack. Zum Üben: Leuchte schräg von unten in ein Wasserglas. Ab wann spiegelt die Oberfläche? Nächste Frage: Wie entsteht ein Regenbogen?
Danach
