Spiegel, Winkelspiegel, Tripelspiegel - Einfache Experimente zum Reflexionsgesetz

Die Reflexion ist ein grundlegendes Konzept der Optik. Die Optik ist das Teilgebiet der Physik, das sich mit dem Licht, seiner Ausbreitung und Wechselwirkung mit Materie beschäftigt. Reflexion kennst du vor allem von Spiegeln, mit denen du auch zu Hause viele tolle Experimente machen kannst. Ein paar davon möchte ich dir hier vorstellen.

Für die Experimente benötigst du bis zu 3 Handspiegel oder Spiegelfolie, die du auf Pappe oder Holz aufkleben kannst.

• Was ist ein Spiegel?
• Reflexion im Spiegel und das Reflexionsgesetz
• Reflexion am Winkelspiegel
• Das Kaleidoskop
• Der Tripelspiegel

Was ist ein Spiegel?

Ein Spiegel ist eine Fläche, die reflektiert und glatt genug, dass man darin ein Abbild erkennen kann.

Es gibt verschiedene Arten von Spiegeln. Ebene Spiegel sind die, die du auch aus dem Badezimmer oder der Gaderobe kennst.

Dann gibt es noch gewölbte Spiegel, die keine ebene Fläche haben. Sie haben eine Wölbung, ähnlich der Oberfläche eines Löffels. Je nachdem, welche Seite der Wölbung man sieht, haben sie verschiedene Eigenschaften.

Auch blank polierte Oberflächen können spiegeln. Früher benutzten die Menschen Spiegel aus Silber oder einem anderen Metall. Heute nutzt man als Spiegl meistens Glasplatten, die von hinten mit einer Schicht Aluminium bedampft sind. Spiegel für technische Anwendungen werden auf der Vorderseite bedampft.

Eine Pfütze oder ein See kann ebenfalls spiegeln, wenn es windstill und die Oberfläche ruhig ist.

Reflexion im Spiegel und das Reflexionsgesetz

Die hier gezeigten Experimente zur Reflexion am Spiegel habe ich in meinem Buch Spannende Experimente Band 1 beschrieben.

Experiment: Reflexion im Spiegel

Du brauchst:

• Handspiegel
• kleiner Gegenstand, z.B. Spielfigur
• Lineal

Durchführung:

• Stell den Handspiegel auf.
• Leg das Lineal vor den Spiegel, wie auf dem Foto.
• Stell die Figur auf das Lineal und betrachte das Spiegelbild.
• Verschiebe die Figur auf dem Lineal und beobachte das Spiegelbild.
• Bewege dich von links nach rechts und betrachte das Spiegelbild aus verschiedenen Positionen.

Experiment: Reflexion im Doppelspiegel

Du brauchst:

• 2 Handspiegel
• kleiner Gegenstand, z.B. Spielfigur

Durchführung:

• Stell die Handspiegel parallel zueinander auf und den Gegenstand dazwischen.
• Betrachte den Gegenstand in einem der Spiegel.

Achte darauf, dass du auch die Reflexion im anderen Spiegel sehen kannst. Es sieht so aus, als würden sich die Bilder unendlich wiederholen.

Experiment: Reflexionsgesetz

Das Reflexionsgesetz ist ein grundlegendes und wichtiges Gesetz der Physik. Mit diesem Experiment kannst du es auch zu Hause nachvollziehen und ausprobieren, wie es funktioniert.

Du brauchst:

• Handspiegel
• Geodreieck
• Laserpointer
• weißes Papier

Durchführung:

• Lege das Geodreieck auf ein weißes Papier.
• Stelle den Handspiegel gegen die lange Seite des Geodreiecks, die Basis. Die Mitte des Spiegels zeigt auf 0.
• Auf die eine Seite legst du den Laserpointer, auf die andere stellst du ein weißes Blatt Papier als Projektionsschirm. Klebe es auf ein Stück Pappe oder schiebe es in die Lücke zwischen ein paar Klemmbausteinen.
• Jetzt schaltest du den Laserpointer an und richtest ihn auf die 0.
• Bewege den Laserpointer zu verschiedenen Winkeln.
• Vergleiche die Winkelangabe des Geodreiecks auf beiden Seiten.

Liegt der Laserpointer bei 45°, so ist auch der reflektierte Punkt bei 45° zu sehen. Das gleiche bei 30°. Probiere das bei verschiedenen Winkeln aus. Du kannst auch Laserpointer und Projektionsschirm vertauschen und das Experiment wiederholen.

Hast du keinen Laserpointer, kannst du das Experiment auch mit einer starken Taschenlampe machen. Dazu brauchst du noch ein Stück Pappe, in das du einen kleinen Schlitz schneidest. Das Licht lässt du durch den Schlitz auf den Spiegel fallen.

Experiment: Spiegelbild

Du brauchst:

• Handspiegel
• weißes Papier
• Stift

Durchführung:

• Schreibe etwas auf ein Blatt Papier.
• Lege das Papier vor den Spiegel und versuche es zu lesen.

Du wirst feststellen, dass es Buchstaben gibt die leichter, und welche die schwerer zu lesen sind.

Erklärung der Experimente

Das Wort Reflexion kommt aus dem lateinischen und bedeutet „zurückbeugen“. In der Optik bezeichnet man damit das Zurückwerfen (Reflexion) von Lichtstrahlen an einer Grenzfläche (hier: dem Spiegel).

Der von einem Spiegel reflektierte Gegenstand ist gleich groß wie der reale Gegenstand und sieht im Spiegel auch genauso aus. Der Gegenstand erscheint im Spiegel kleiner, da er von deinen Augen weiter entfernt ist. Der Gegenstand ist im Spiegel gleich weit entfernt. Für den Beobachter scheint es, als befände sich der Gegenstand hinter dem Spiegel. Man nennt das ein virtuelles Abbild.

Gegenstände im Spiegel ändern also nicht ihre Größe und ihre Position. Aber sie ändern ihre Richtung. Man sagt, sie sind „Spiegelverkehrt“. Das kannst du ganz einfach überprüfen, indem du dich vor einen Spiegel stellst und die rechte Hand hebst. Dein Spiegelbild hebt die linke Hand. Besonders gut ist der Effekt sichtbar mit Buchstaben. Durch die Reflexion entsteht die „Spiegelschrift“.

Versuche einmal so zu schreiben, dass es im Spiegel lesbar ist. Das ist gar nicht so einfach.

Das Experiment mit dem Geodreieck zeigt dir das Reflexionsgesetz. Es besagt, dass der Einfallswinkel immer gleich groß ist dem Ausfallswinkel. Also ein Lichtstrahl, der in einem bestimmten Winkel auf den Spiegel trifft, im gleichen Winkel reflektiert wird. Das Reflexionsgesetz ist ein grundlegendes Gesetz der Optik. Stell dich seitlich neben einen Spiegel, so dass du gerade noch seitlich hineinschauen kannst. Jetzt kannst du sogar Dinge sehen, die sich neben dem Spiegel befinden. Und auch welche, die sich schräg hinter dir befinden.

Reflexion am Winkelspiegel

Als Winkelspiegel bezeichnet man zwei Spiegel, die sich an einer Ecke in einem Winkel berühren.

Aus zwei Handspiegeln kannst du leicht einen Winkelspiegel basteln und damit experimentieren.

Du brauchst:

• 2 Handspiegel
• Klebefilm
• kleiner Gegenstand, z.B. Spielfigur
• Buntes Bild oder Foto

Durchführung:

• Leg die beiden Handspiegel aufeinander.
• Klebe eine der schmalen Seiten mit Klebefilm zusammen
• Öffne den Winkelspiegel und stell ihn auf den Tisch.
• Stell eine Spielfigur in den Bereich zwischen den Spiegeln.
• Beobachte die Figur im Spiegel. Was ändert sich, wenn du den Winkel änderst?
• Wenn du möchtest, kannst du den Winkel mit einem Geodreieck messen.
• Leg jetzt ein Bild unter den Winkelspiegel und verändere jeweils wieder den Öffnungswinkel. Wie sieht das Spiegelbild (sehen die Spiegelbilder) aus? Bei welchen Winkeln siehst du "schöne" Bilder?

Wann entstehen jetzt "schöne" Bilder? Mit schönen Bildern meine ich, dass die Bilder exakt aufeinander passen. Du kannst mit dem Winkelspiegel überprüfen, dass das immer dann der Fall ist, wenn die Winkelstücke (der Öffnungswinkel und die gespiegelten Winkel) alle gleich groß sind. In der Mathematik spricht man von Winkeln, die Teiler von 180 sind: 180, 90, 60, 45, 36, 30 und so weiter.

Das Kaleidoskop

Ein Kaleidoskop ist ein Winkelspiegel aus drei Spiegeln, die sich so berühren, dass ein geschlossenes Dreieck entsteht. Die Funktionsweise eines Kaleidoskops kannst du mit drei einfachen Handspiegeln erforschen.

Du brauchst:

• 3 Handspiegel
• Klebefilm
• kleiner Gegenstand, z.B. Spielfigur
• Buntes Bild oder Foto
• Geodreieck

Durchführung:

• Klebe die drei Spiegel mit Klebefilm an den schmalen Seiten zusammen.
• Stell die Spiegel so auf, dass ein geschlossenes Dreieck entsteht. Achte darauf, dass alle Ecken gleich groß sind (jede Ecke hat dann einen Winkel von 60°).
• Du kannst kleine Gegenstände oder ein Foto unter die Spiegel legen
• Schau von oben in dein Kaleidoskop. Den besten Effekt bekommst du, wenn du dein Auge möglichst nah über die Spiegel hältst.

Gekaufte Kaleidoskope stecken in Röhren, so dass man den Aufbau nicht sehen kann. In diesen Kaleidoskopen befindet sich ein gleichwinkliges Dreieck (Alle Winkel 60°) aus drei Spiegeln und kleinen bunten Glasstückchen. Hält man es ins Licht und schaut auf der anderen Seite durch eine kleine Öffnung kann man bunte Bilder sehen. Durch drehen des Kaleidoskops verändert sich die Position der Glasstückchen, so dass immer wieder neue Bilder entstehen.

Der Tripelspiegel

Ein Tripelspiegel besteht wie ein Kaleidoskop aus drei Spiegeln. Hier stehen alls drei Spiegel aber senkrecht aufeinander. Du bastelst ihn entweder aus drei Handspiegeln oder mit Spiegelfolie und Pappe oder Holz. Mein Tripelspiegel ist eine Konstruktion aus Holz und Spiegelfolie. Nachteil der Folie ist, dass die Spiegelbilder nicht so klar sind wie bei einem Glasspiegel.

Die Besonderheit des Tripelspiegels ist, dass man sich selbst immer sieht, egal aus welcher Richtung man in den Spiegel hineinschaut. Anders ausgedrückt: Licht, das in einen Tripelspiegel hineinstrahlt, wird immer wieder zum Ausgangspunkt zurück reflektiert. Bei meinem Foto oben sieht du in der Mitte einen dunklen Schatten. Das ist mein Spiegelbild während des Fotografierens.

Diese Besonderheit machen wir uns unter anderem im Straßenverkehr zunutze. Reflektoren an Fahrrädern, Leitpfosten oder Anhängern für Ranzen bestehen aus vielen kleinen Tripelspiegeln. Diese sind angeordnet wie die optische Täuschung mit den Würfeln, bei denen man nicht sicher ist, welche Seite oben und welche unten ist. Die Tripelspiegel im Reflektor sind so gebaut, dass sie das Licht auch ein wenig streuen. So kann zum Beispiel ein Autofahrer das reflektierte Licht wahrnahmen. Ohne Streuung würde das Licht nur zurück zu seiner Quelle, also dem Scheinwerfer, reflektiert werden.