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Worum geht es?

An glatten Flächen wird Licht nach einer einzigen Regel umgelenkt: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel, beide gemessen zum Lot. Aus dieser Regel folgt konstruierbar alles Weitere: dass das Spiegelbild genau so weit hinter dem Spiegel liegt wie der Gegenstand davor, dass es virtuell ist (dort verläuft kein Licht) und dass ein halb so großer Spiegel reicht, um sich ganz zu sehen.

Warum macht man dieses Experiment?

Das Reflexionsgesetz ist nach der Geradlinigkeit die zweite Säule der Strahlenoptik und der Einstieg in den Begriff, an dem sich später alles entscheidet: das virtuelle Bild . Wer am Zwei-Kerzen-Versuch begriffen hat, dass hinter dem Spiegel ein Ort ist, von dem das Licht zu kommen scheint, ohne dass dort welches ist, hat das Werkzeug für Lupen, Wölbspiegel und Brillengläser schon in der Hand.

Die physikalische Idee

Variante 1 misst: Ein schmales Lichtbündel trifft den Spiegel im Zentrum einer Winkelscheibe, und Einfalls- und Reflexionswinkel werden für mehrere Einstellungen verglichen. Variante 2 ortet das Bild: Eine Glasscheibe spiegelt eine brennende Kerze, und eine zweite, unangezündete Kerze dahinter wird so lange verschoben, bis sie das Bild genau „trägt“. Variante 3 wendet an: Klebebandmarken am Wandspiegel beweisen die Halbe-Höhe-Regel.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Geradlinige Lichtausbreitung (Experiment)
Winkelmessung

Wissenschaftliche Einordnung

Das Reflexionsgesetz kannte schon Euklid; Heron von Alexandria zeigte um 60 n. Chr., dass es aus einem Extremalprinzip folgt: Der reflektierte Weg ist der kürzeste aller Spiegelwege: der erste Auftritt eines Denkmusters, das als Fermatsches Prinzip die ganze Optik trägt und in der modernen Physik wiederkehrt.

Versuchsziel

Was möchtest du untersuchen?

Aktuelles Versuchsziel

Das Reflexionsgesetz messen

\alpha = \alpha'

Gemessen

$α$ — Einfallswinkel (zum Lot) (in $^{\circ}$ ) $An der Leuchte eingestellt und an der Scheibe abgelesen, die unabhängige Größe.$
$α^{'}$ — Reflexionswinkel (zum Lot) (in $^{\circ}$ ) $Am reflektierten Bündel abgelesen, der Prüfwert.$

Für diese Zielsetzung brauchst du:

$α = α^{'}$ $Die geprüfte Hypothese: Beide Winkel zum Lot sind gleich.$ Zur Formelsammlung

1Aufgabenstellung

Lenke das Lichtbündel unter den Einfallswinkeln 20°, 30°, 45° und 60° auf den Spiegel im Scheibenzentrum und lies jeweils den Reflexionswinkel ab; prüfe zusätzlich den Sonderfall senkrechter Einfall.

2Vorbetrachtung

\alpha = 0

3Geräte / Stoffe

Die Spiegelkante genau auf die 90°-Linie der Scheibe stellen, den Auftreffpunkt ins Zentrum. Das Bündel flach über die Scheibe führen, damit beide Schenkel ablesbar sind.

Leuchte mit Spaltblende
$Erzeugt das schmale Bündel, dessen Weg auf der Winkelscheibe ablesbar ist.$
Spiegel auf Winkelscheibe
$Misst beide Winkel zum eingezeichneten Lot, das Messgerät des Gesetzes.$
Glasscheibe statt Spiegel (Variante 2)
$Der Trick des Versuchs: Sie spiegelt und lässt zugleich durchblicken. So kann man hinter das „Spiegelbild“ greifen.$
Zwei gleiche Kerzen
$Eine brennt davor, die kalte dahinter fängt das Bild ein. Die Deckung macht den Bildort messbar.$

4Skizze des Versuchsaufbaus

Winkelscheibe von oben: Spiegel auf der Durchmesserlinie, Lot senkrecht dazu, einfallendes und reflektiertes Bündel mit den zwei gleichen Winkeln.

Das Reflexionsgesetz : Einfallender Strahl, Lot und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene, und beide Winkel: stets zum Lot gemessen, nicht zur Spiegelfläche: sind gleich groß.

Die Bildkonstruktion: Die reflektierten Strahlen, rückwärts verlängert (gestrichelt, denn dort läuft kein Licht), treffen sich im virtuellen Bildpunkt, genauso weit hinter dem Spiegel wie der Gegenstand davor.

Aufbau: Experimentierleuchte mit Spaltblende, ebener Aufsteckspiegel auf Winkelscheibe (Variante 1); Glasscheibe im Halter, zwei gleiche Kerzen, Maßband (Variante 2); Wandspiegel, Klebeband, Zollstock, zwei Personen (Variante 3).

5Durchführung

Zuerst den Sonderfall α = 0 prüfen. Dann für jede Einstellung den Winkel an der Leuchte setzen und beide Ablesungen notieren, jede Einstellung zweimal (Bündel von links und von rechts) zur Symmetriekontrolle.

6Beobachtung

Winkelmessreihe am ebenen Spiegel

$\alpha$	$\alpha'$
$0° (Sonderfall)$	$Bündel läuft in sich zurück$
$20°$	$20°$
$30°$	$31°$
$45°$	$45°$
$60°$	$59°$

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Das Gesetz besteht: Über den gesamten Bereich weichen die Winkelpaare höchstens ein Grad voneinander ab, das ist die Ablesegenauigkeit der Scheibe. Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel, ohne erkennbare Ausnahme, symmetrisch von beiden Seiten. Zusammen mit dem Sonderfall (Rücklauf in sich selbst) ist das Reflexionsgesetz quantitativ bestätigt. Die Reichweite der kleinen Regel: Ein Grad Spiegelverkippung lenkt das reflektierte Bündel um zwei Grad ab, denn der Einfallswinkel ändert sich um ein Grad, und der Reflexionswinkel zieht nach; zwischen den Bündeln macht das zwei Grad. Deshalb sind Spiegel so empfindliche Zeiger. Drehspiegel-Messgeräte verstärken winzige Drehungen zu großen Ausschlägen des Lichtzeigers, und die Laser-Reflektoren auf dem Mond messen die Monddistanz zentimetergenau: alles Anwendungen von α = α'. Und raue Flächen? Papier reflektiert dasselbe Licht, aber seine Oberfläche besteht aus Mikrospiegeln in allen Lagen. Jedes Flächenstück gehorcht dem Gesetz, doch die Lote zeigen kreuz und quer, und das Licht verteilt sich in alle Richtungen: Streuung. Das Gesetz gilt immer; „matt“ heißt nur: viele Lote.

8Fazit

Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel, beide zum Lot gemessen, bestätigt von 0° bis 60° auf ein Grad genau. Die zweite Grundregel der Strahlenoptik steht, samt ihrer Hebelwirkung: Eine Kippung um δ schwenkt den Strahl um 2δ.

9Fehlerbetrachtung

Bei der Winkelmessung an Lichtbündeln gibt es einige typische Grad-Fresser:

Auftreffpunkt nicht im Scheibenzentrumeher systematisch

Ursache: $Der Spiegel steht vor oder hinter der Drehachse der Skala.$
Auswirkung: $Beide Ablesungen verschieben sich gegensinnig, eine scheinbare Verletzung des Gesetzes.$
Verbesserung: $Die Spiegelfläche (nicht die Spiegelrückwand!) genau auf die Zentrumslinie stellen.$

Spiegelglas-Dickeeher systematisch

Ursache: $Beim Glasspiegel reflektiert die belegte Rückseite, und das Bündel versetzt sich in der Glasschicht.$
Auswirkung: $Ein kleiner Parallelversatz, bei flachen Winkeln bis zu einem Grad Ablesefehler.$
Verbesserung: $Einen Oberflächenspiegel mit der Metallauflage vorn verwenden.$

Breites Bündeleher zufällig

Ursache: $Ohne enge Spaltblende ist die Bündelmitte Schätzsache.$
Auswirkung: $\pm1° Streuung der Ablesungen.$
Verbesserung: $Einen schmalen Spalt einsetzen, die Bündelmitte anpeilen und doppelt ablesen.$

Das Wichtigste

Das Gesetz: $\alpha = \alpha'$
Das virtuelle Bild: $Das Spiegelbild liegt so weit hinter dem Spiegel wie der Gegenstand davor. Am Bildort verläuft kein Licht; er ist der Punkt, aus dem die reflektierten Strahlen zu kommen scheinen. Virtuell heißt: konstruierbar, aber nicht auffangbar.$
Streuung ist kein Gegenbeispiel: $Auch raue Flächen gehorchen dem Gesetz, an jedem Mikro-Flächenstück einzeln. Weil die Lote wild durcheinander stehen, wird das Licht in alle Richtungen gestreut. Darum sieht man Papier von überall, den Spiegel nur aus einer Richtung.$
Halbe Höhe genügt: $Ein Spiegel von halber Körpergröße zeigt dich komplett, unabhängig vom Abstand. Das folgt aus der Mittellage des Spiegels zwischen Auge und jedem Körperpunkt, und Variante 3 beweist es mit Klebeband.$

Reflexion am ebenen Spiegel