Die Animation zeigt das Brechungsgesetz an einer gekrümmten Grenzfläche. Ein Lichtstrahl trifft auf die Oberfläche und wird reflektiert und gebrochen. Der Brechungsindex ist einstellbar. Dynamische Winkelmarkierungen zeigen die Winkelbeziehungen.
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Beschreibung der Animation
Die Animation zeigt einen Lichtstrahl, der von einer Taschenlampe ausgeht und auf eine gekrümmte Grenzfläche zwischen Luft (Brechungsindex \( n_1 = 1 \)) und einem optisch dichteren Medium trifft. Am Auftreffpunkt wird der Strahl teilweise reflektiert und teilweise in das zweite Medium gebrochen.
Die Brechung folgt dem Snellius’schen Brechungsgesetz:
\[ n_1 \sin \alpha = n_2 \sin \beta \]
- \( \alpha \) – Einfallswinkel, gemessen zur Flächennormalen
- \( \beta \) – Brechungswinkel, gemessen zur Flächennormalen
- \( n_1 \), \( n_2 \) – Brechungsindizes des ersten und zweiten Mediums
Für die Reflexion gilt das Reflexionsgesetz: Der Einfallswinkel \( \alpha \) ist gleich dem Reflexionswinkel \( \alpha‘ \).
Die Grenzfläche ist eine kubische Kurve mit zwei verschiebbaren Kontrollpunkten (grüne Kreise). An jedem Punkt wird die lokale Normale berechnet. Bei großem Einfallswinkel und Übergang zum dünneren Medium tritt Totalreflexion auf.
Interaktive Steuerung
Steuerungsmöglichkeiten:
- Brechungsindex n₂: Einstellbar von 1,0 bis 10,0. Höhere Werte führen zu stärkerer Brechung zum Lot hin. (Hinweis: Übliche Materialien liegen bei n ≈ 1,3–3,5 – z. B. Wasser 1,33; Glas 1,5; Diamant 2,42. Werte oberhalb von 4 dienen der Veranschaulichung des Prinzips.)
- Taschenlampe: Kann frei positioniert werden. Der Lichtstrahl wird automatisch zur Zielposition ausgerichtet.
- Strahlrichtung: Der rote Endpunkt des Lichtstrahls kann gezogen werden, um den Einfallswinkel zu verändern.
- Kontrollpunkte: Die beiden grünen Kreise ermöglichen die Verformung der Grenzfläche – von konkav über flach bis konvex.
Die Animation zeigt in Echtzeit den Einfallswinkel \( \alpha \), den Reflexionswinkel \( \alpha‘ \) sowie den Brechungswinkel \( \beta \) durch beschriftete Winkelbögen an. Der gelbe Kreis markiert den Auftreffpunkt auf der Grenzfläche, die gestrichelte Linie zeigt die Flächennormale.
Physikalischer Hintergrund
Die Lichtbrechung entsteht durch die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in verschiedenen Medien. Der Brechungsindex \( n \) gibt das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit im Medium an. Beim Übergang von einem optisch dünneren zu einem optisch dichteren Medium (z.B. von Luft in Glas) wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen – der Brechungswinkel ist kleiner als der Einfallswinkel.
Überblick
| Titel | Lichtbrechung an gekrümmten Grenzflächen |
| Zielgruppe | Lehrer/innen und Vortragende |
| Features | Vollbildmodus verlustfreie Vergrößerung Großbildschirme und Leinwände unterstützt |
| Lizenz | Open Source – CC BY 4.0 |
| Renderer | SVG.js |
| Hinweis zur Urheberschaft | Mit KI-Unterstützung erstellt |
