Was ist Lichtbrechung? Warum wird Licht nach unten gebogen, wenn es ins Wasser eintritt, während Essstäbchen im Wasser nach oben gebogen werden?

Diese Frage stellen sich viele Menschen. Die Erklärung im Physikbuch lautet, dass Licht, wenn es in Wasser eintritt, in die normale Richtung abgelenkt wird, die Stäbchen im Wasser, die das menschliche Auge sieht, jedoch nach oben abgelenkt werden. Entspricht dies dem Prinzip der Lichtbrechung?

Um dieses Problem zu verstehen, müssen wir zunächst verstehen, was Lichtbrechung ist.

Bei der sogenannten Lichtbrechung handelt es sich um das Phänomen, dass sich bei schrägem Lichteinfall von einem Medium in ein anderes die Ausbreitungsrichtung ändert und das Licht an der Verbindungsstelle zwischen den Medien abgelenkt wird. Dieses Phänomen ist die Lichtbrechung.

Wenn Licht auf ein Objekt einwirkt, kommt es zu Brechung und Reflexion. Aufgrund der unterschiedlichen Dichten und Bilder verschiedener Objekte entstehen durch die Brechung und Reflexion des Lichts unterschiedliche Winkel und Veränderungen. Aufgrund dieses Prinzips können menschliche Augen verschiedene Objekte sehen.

Darüber hinaus ist sichtbares Licht ein zusammengesetztes Licht, das aus sieben Farben besteht: Rot, Orange, Gelb, Grün, Cyan, Blau und Violett. Verschiedene Farben haben unterschiedliche Wellenlängen. Von Rot bis Violett liegt der Wellenlängenbereich zwischen etwa 780 nm und 380 nm. Rot hat die längste Wellenlänge und Violett die kürzeste. Wenn verschiedene Objekte Licht unterschiedlicher Wellenlängen absorbieren, unterscheiden sich Absorptionsrate und Reflexionsgrad, sodass Menschen bei verschiedenen Objekten unterschiedliche Farben wahrnehmen. Dieses Prinzip geht über den Rahmen dieses Artikels hinaus, daher werde ich heute nicht näher darauf eingehen.

Der Brechungsindex des Lichts hängt mit der Lichtgeschwindigkeit im Ausbreitungsmedium zusammen.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts ist in verschiedenen Medien unterschiedlich. Die schnellste Geschwindigkeit erreicht sie im Vakuum mit einem genauen Wert von 299.792.458 m/s. Die zweitschnellste Geschwindigkeit ist in der Luft, nämlich ungefähr 299.552.816 m/s. Da beide Geschwindigkeiten nahe 300.000 Kilometern pro Sekunde liegen, wird die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und die Lichtgeschwindigkeit in der Luft im Allgemeinen mit 300.000 Kilometern pro Sekunde angegeben.

Die Lichtgeschwindigkeit beträgt in Eis 230.000 km/s, in Wasser 225.000 km/s, in Alkohol 220.000 km/s und in Glas 200.000 km/s. Der Brechungsindex des Lichts ist in verschiedenen Medien unterschiedlich und folgt dem Gesetz, umgekehrt proportional zur Lichtgeschwindigkeit zu sein. Das heißt, je höher die Lichtgeschwindigkeit im Medium, desto kleiner der Brechungsindex, und je kleiner die Lichtgeschwindigkeit im Medium, desto größer der Brechungsindex.

Die Formel zur Berechnung des Brechungsindex lautet: n=c/v. Dabei ist n der Brechungsindex, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und v die Lichtgeschwindigkeit im Medium. Beispielsweise beträgt nach dieser Formel der Brechungsindex von Licht in Wasser n=30/22,5≈1,33

Der Brechungsindex des Lichts wird auf Grundlage des „normalen“ Standards gemessen. Was ist eine „normale Leitung“? Es handelt sich um ein imaginäres Liniensegment senkrecht zur Ebene des Mediums, wenn Licht aus einem Vakuum oder Luft in ein bestimmtes Medium eintritt (siehe Abbildung oben). Wenn Licht in Wasser eindringt und wir Stäbchen im Wasser sehen, ist das Medium Wasser. Warum sieht der Brechungsindex dann anders aus?

Es stellt sich heraus, dass die Richtung des ins Wasser eintretenden Lichts der Ausbreitungsrichtung des Lichts der Stäbchen im Wasser, die wir sehen, entgegengesetzt ist.

Wenn Licht ins Wasser eintritt, geht es von der Luft ins Wasser über, wo seine Geschwindigkeit abnimmt und es in Richtung der Normalen (der Achse senkrecht zur Wasseroberfläche) gebrochen wird. Der Winkel zur Normalen wird kleiner, es scheint also, als würde es „nach unten abgelenkt“.

Die Stäbchen, die wir im Wasser sehen, sind das reflektierte Licht der Stäbchen, das vom Wasser zu unseren Augen übertragen wird. Es breitet sich von einem relativ langsameren Medium zu einem schnelleren Medium aus und verläuft daher in die entgegengesetzte Richtung des ins Wasser eindringenden Lichts. Auf diese Weise entfernt sich die Brechung von der Normalen und der Winkel wird größer. Auf diese Weise werden die Stäbchen, die wir sehen, „nach oben abgelenkt“.

Verstehst du jetzt? Es stellte sich heraus, dass wir in die falsche Richtung gingen. Wenn das Licht ins Wasser eintritt und wir die Stäbchen im Wasser sehen, ist die Ausbreitungsrichtung des Lichts genau entgegengesetzt, daher ist auch die Ablenkungsrichtung genau entgegengesetzt.

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