Brechung des Lichts

Beim Übergang zwischen zwei durchsichtigen Stoffen knickt der Lichtweg an der Grenzfläche: Brechung. Die Richtung des Knicks ist geregelt (ins dichtere Medium zum Lot hin, heraus vom Lot weg), und sein Ausmaß auch: Das Verhältnis $\frac{\sin\alpha}{\sin\beta}$ ist für ein Stoffpaar konstant, es ist die Brechzahl $n$. Die Regel hat eine dramatische Konsequenz: Oberhalb eines Grenzwinkels kommt Licht aus dem dichteren Stoff gar nicht mehr heraus. Diese Totalreflexion ist das Funktionsprinzip jeder Glasfaser.

Brechung ist die dritte und letzte Grundregel der Strahlenoptik. Mit ihr sind Linsen, Auge, Brille, Regenbogen und Fata Morgana erklärbar. Und die Totalreflexion trägt buchstäblich das Internet: Fast der gesamte Datenverkehr der Welt läuft als gefangenes Licht durch Glasfasern. Der Wasserstrahl-Versuch von 1841 ist ihr direkter Vorfahr.

Ptolemäus vermaß Brechungswinkel schon um 150 n. Chr., fand aber kein Gesetz, denn er suchte es in den Winkeln statt in ihren Sinus-Werten. Snellius (1621) und Descartes formulierten es richtig; Fermat leitete es 1662 aus seinem Prinzip der schnellsten Ankunft her. Colladons Wasserstrahl-Demonstration von 1841 wurde 125 Jahre später zur Glasfaser, und Kao erhielt 2009 den Nobelpreis dafür.

Stelle einen Bleistift schräg ins Wasserglas und beschreibe sein Aussehen von der Seite. Lege dann eine Münze in den leeren Becher, tritt zurück, bis sie gerade hinter dem Rand verschwindet, und lass Wasser eingießen.

Die Deutungsidee vorab: Wir sehen Gegenstände dort, woher ihr Licht ins Auge einläuft. Das Auge verlängert die letzten Zentimeter des Lichtwegs geradlinig rückwärts, das ist die Lektion vom virtuellen Bild. Knickt der Lichtweg an der Wasseroberfläche, zeigt die Rückverlängerung an eine falsche Stelle. Der Unterwasserteil des Bleistifts müsste also verschoben erscheinen, und die Münze könnte hinter dem Becherrand „hervorgehoben“ werden, sobald Wasser den Lichtweg zu ihr verbiegt.

Ein Glas mit glatter Wand verwenden und von der Seite knapp über der Wasserlinie beobachten. Beim Münzversuch den Kopf absolut still halten, denn der Effekt hängt an der festen Blickrichtung.

Becher mit Münze und Auge: ein geknickter Lichtweg von der Münze über die Wasseroberfläche zum Auge, die geradlinige Rückverlängerung endet oberhalb der echten Münzlage.

Aufbau: Winkelscheibe mit Halbkreis-Wasserkammer (oder Halbkreis-Glaskörper), Leuchte mit Spaltblende; Wasserglas mit Bleistift, undurchsichtiger Becher mit Münze; PET-Flasche mit seitlichem Loch, Laserpointer (Klasse 1/2), Wanne; Glasfaser-Demonstrationsstück.

Beim Bleistift die Ansicht von der Seite und schräg von oben skizzieren, dann den Stift bewegen: Wo sitzt der Knick? Bei der Münze die Position halten, während eine zweite Person langsam Wasser eingießt, und Moment sowie Aussehen des Auftauchens festhalten.

Beide Phänomene, eine Ursache: Licht aus dem Wasser knickt beim Austritt vom Lot weg. Das Auge verlängert die geknickten Strahlen geradlinig zurück und verortet alles Unterwasser-Geschehen zu hoch und zu nah. Der Stift „bricht“ (in Wahrheit bricht nur das Licht), die Münze wird über den Becherrand gehoben. Das ist kein Trick, sondern die Rückverlängerungs-Logik des Sehens, angewandt auf einen geknickten Weg.

Die Kontrollbeobachtungen tragen die Deutung: Der Knick klebt an der Wasserlinie, nicht am Stift, es ist also ein Grenzflächen-Effekt. Und senkrecht von oben verschwindet er, denn beim Einfall entlang des Lots wird nicht gebrochen. Beide Details passen genau zur Richtungsregel und werden in der nächsten Variante zur Messvorschrift.

Die Folgen im Alltag: Gewässer wirken von oben flacher, als sie sind, was beim Kopfsprung gefährlich werden kann: Der Grund liegt tiefer, als er scheint. Fischreiher und Speerfischer müssen unter die scheinbare Fischposition zielen. Wer die Hebung kennt, korrigiert sie.

Bleistift-Knick und Münzen-Hebung sind Sehfehler mit System: Das Auge verlängert die an der Wasseroberfläche geknickten Lichtwege geradlinig zurück. Der Knick gehört zur Grenzfläche und verschwindet längs des Lots. Damit steht der Fahrplan für die Messvariante.

Bei einer qualitativen Beobachtung sind die Fallen vor allem Wahrnehmungsfallen: