Strahlenoptik

Folie 1: Reflexion am ebenen und gekrümmten Spiegel & Sammellinse

Die interaktive Übung zum Thema „Reflexionsgesetz“ findest du hier:

Die Folie enthält zwei Anwendungsbeispiele zum Reflexionsgesetz am Beispiel von Kraftfahrzeugen.

Zum Download der Folien-PDF bitte auf das Bild klicken.

Inhalt der Folie

Das erste Beispiel bringt den standardmäßigen abblendbaren Innenspiegel, das zweite das Funktionsprinzip des Rückstrahlers oder eventueller seitlicher Reflektoren. Dieser Teil der Folie kann kurz nach der Erarbeitung des Reflexionsgesetzes am ebenen Spiegel und ersten Erfahrungen damit im Unterricht eingesetzt werden. Diese Abbildungen sind nicht dafür konzipiert, als komplette Einheit einer motivierenden Hinführung zum Reflexionsgesetz zu dienen. Vorzugsweise sollen sie interessante Anwendungen eines Gesetzes an einem die Schüler interessierenden Beispiel aus ihrer Lebenswirklichkeit, dem Kraftfahrzeug, zeigen.

Der untere Teil der Folie soll mehrere Wochen später im Unterricht eingesetzt werden. Hier geht es sowohl um die Reflexion an gekrümmten Flächen als auch die Brechung mittels einer Sammellinse am Beispiel eines Scheinwerfers. Der Einsatz dieses Teils bietet sich daher zum einen bei der Besprechung der Reflexion des Lichtes am „normalen“ Hohlspiegel (Kugelkalotte) an. Der Scheinwerfer zeigt die Überwindung der Nachteile dieser Grundversion. (Dabei kann die eingezeichnete Linse erst vernachlässigt werden. Bei Fragen der Schüler Verweis auf die den Schülern bekannte artverwandte Lichtbündelung beim Overhead-Projektor und auf die unmittelbar bevorstehende Behandlung des Themas „Linsen“). Zum andern lässt sich dieser Teil der Folie einsetzen, wenn etwas später die Sammellinse als Anwendungsbeispiel aus der Praxis behandelt wird.

Reflexion beim abblendbaren Rückspiegel

Oben rechts:

Das obere Foto zeigt den auch Schülern bekannten Effekt der Blendung durch ein nachfolgendes Auto bei einer Nachtfahrt. Das untere Bild zeigt das gleiche Auto nach Abblenden (Klappen) des Rückspiegels.

Oben links:

Das Bild zeigt einen von hinten (im Bild: von rechts) einfallenden Lichtstrahl, der auf den Innenspiegel eines Kraftfahrzeuges trifft. Dieser Spiegel ist in der Version „abgeklappt zum Schutz vor Blendung“ dargestellt. Am Spiegel wird der einfallende Strahl sowohl an der verspiegelten Schicht im Innern des Spiegels als auch an der Glasoberfläche reflektiert. Derjenige der ausfallenden Strahlen, der an der eigentlichen verspiegelten Schicht reflektiert wird, hat die Helligkeit des einfallenden Lichtstrahls; er würde in der normalen Spiegelstellung „nicht abgeklappt“ das Auge des Fahrers treffen. Dies wäre die Standardsituation während einer Fahrt bei Tage.

In der abgeklappten Stellung des Spiegels wird dieser hellere der beiden reflektierten Strahlen jedoch am Auge des Fahrers vorbeigeleitet. Stattdessen trifft nun der ausfallende Strahl, der an der gläsernen Oberfläche des Spiegels reflektiert wird, das Auge des Fahrers. Dieser Strahl hat nur einen Bruchteil der Intensität, sodass der Fahrer nicht geblendet wird. Erreicht wird dies durch eine kleine, von der Parallelität abweichende, Winkelstellung zwischen der verspiegelten Unterseite des Glaskörpers und seiner Oberseite.

Dieses allgemein bekannte Konstruktionsprinzip zeigt eine einfache, aber sehr schöne Anwendung des Reflexionsgesetzes. Zur Verdeutlichung sind im Bild zusätzlich die Lote dargestellt, um eine größere Nähe zu den aus dem Physikbuch bekannten Darstellungen zu gewährleisten. Es dürfte bei den meisten Schülern problemlos die Hausaufgabenstellung möglich sein, dieses Grundprinzip im heimischen Fahrzeug zu überprüfen. Achtung: Bei einigen Fahrzeugen wird der Spiegel nach oben geklappt, sodass der hellere der reflektierten Strahlen nach dem Klappen nicht nach unten, sondern nach oben über den Kopf des Fahrers hinweg gelenkt wird. Bei manchen neueren Fahrzeugen muss der Fahrer den Rückspiegel nicht mehr klappen/abblenden. Bei diesen Spiegeln wird durch elektrochemische Effekte die Reflexionswirkung des Spiegels automatisch verringert, wenn von hinten blendendes Licht einfällt.

Reflexion bei Rückstrahlern und Seitenstrahlern

Mitte links:

Die hier angesprochenen Strahler (Volksmund: Katzenaugen) haben die Eigenschaft, in einem beliebigen Winkel auftreffende Lichtstrahlen genau in die Richtung zurückzureflektieren, aus der sie gekommen sind. Erreicht wird dies durch eine in der Realität dreidimensionale, auf der Folie zur klareren Darstellung zweidimensional wiedergegebene, Anordnung von spiegelnden Oberflächenstücken, die zueinander jeweils im rechten Winkel stehen. In einem weiten Bereich (±45º gemessen zur Senkrechten) durchlaufen von der Seite auf eine solche Oberfläche auftreffende Lichtstrahlen an der Oberfläche eine zweimalige Reflexion. Sie werden insgesamt um 180 Grad abgelenkt und verlassen den Strahler in derselben Richtung, aus der sie eingefallen sind.
Das mittlere Foto zeigt, dass solche Strahler in Wirklichkeit eine dreidimensionale Reflektorfläche haben. In diesem Lehrerbegleittext wird mehrmals dazu angeregt, Kontakte zu Kfz-Werkstätten zu knüpfen. Unter anderem können dort interessante gebrauchte Teile aus Schrottfahrzeugen zur Anschauung im Unterricht beschafft werden. In diesem Fall bietet sich die Beschaffung eines gebrauchten Rückstrahlers oder einer sonstigen Strahlerfläche mit den gleichen Eigenschaften (Seitenpfosten der Landstraßen (Straßenmeisterei!)) an. Es bietet sich aber auch an, die Reflektoren an verschiedenen Fahrrädern zu betrachten, da fast jeder Schüler ein Fahrrad besitzt und den Rückstrahler daran gut beobachten kann.

Mitte rechts:

Das Foto zeigt ein beeindruckendes Beispiel der Reflektoren an einem LKW-Auflieger. Beachtenswert ist, dass sowohl die seitlichen als auch die rückwärtigen Reflektoren in Richtung des Beobachters (Fahrzeug mit Scheinwerfern) reflektiert werden. Das zeigt, dass der Winkel, unter dem sie auf die Strahler auftreffen, ohne Bedeutung ist! Die Strahlen kehren in die Richtung zurück, aus der sie gekommen sind. Eventuell bedarf es für eine Schülergruppe – je nach deren Äußerungen zum Bildinhalt – einer kurzen Klarstellung, dass der Rückstrahler kein eingeschaltes Rück- oder Bremslicht ist.

Beispiel einer Scheinwerferkonstruktion

Die hier dargestellte Scheinwerferkonstruktion zeigt gleich zwei Prinzipien der Lichttechnik am Fahrzeug.

Unten links:

Statt der früher üblichen Paraboloidform der Reflektorfläche bei Scheinwerfern (als Ganzes oder in mehreren Teilen) finden sich im Scheinwerfer mit Computerunterstützung gestaltete „Freiformflächen“ aus verspiegeltem Kunststoffmaterial als Reflektoren. Die Form dieser Flächen ist völlig frei zu gestalten. Dank Computerunterstützung ist so bei Designvorgaben des Scheinwerfers eine optimale Formgebung für eine optimale Lichtverteilung möglich. Zum zweiten zeigt dieser Scheinwerfer eine Fortentwicklung des sogenannten „Ellipsoid-Reflektors“. Diese Form war auch schon zur Zeit metallener Reflektorflächen herstellbar, allerdings mit streng ellipsoidförmigen Metallkörpern.

Ein solcher Ellipsoid hat zwei Brennpunkte. In einem dieser Brennpunkte befindet sich der Glühfaden (oder bei Weiterentwicklungen die helle Mitte der Xenon-Gasentladungslampen). Das von dort ausgehende Licht wird im zweiten Brennpunkt wieder vereinigt. Eine Sammellinse bildet diesen sehr hellen „Punkt“ nach vorne auf der Fahrbahn ab. Dabei werden die zur Blendvermeidung geforderten Hell-Dunkel-Grenzen durch eine Blende im Scheinwerfer erreicht. Dieser Einsatz einer Sammellinse ähnelt stark dem Prinzip beim Diaprojektor. Bei dem hier gezeigten Modell eines sogenannten „PES-Scheinwerfers“ ist nun sowohl dieses Projektionsprinzip verwirklicht als auch die bewusst nicht regelmäßige ellipsoidartige Formgebung des zugehörigen Reflektors (PES = Poly-Ellipsoid-Scheinwerfer), die mit Computerunterstützung berechnet worden ist. Eine solche Konstruktion ermöglicht bei nur 28 cm² vorderer Austrittsfläche Lichtausbeuten wie bisher nur mit großflächigen Scheinwerfern. Dies ist für die Designmöglichkeiten der Autos wichtig.

Unten rechts:

Das Foto zeigt als Realbild einen solchen Scheinwerfer. In der Mitte ist die Sammellinse deutlich zu erkennen. Der Scheinwerfer links davon ist ebenfalls eine Konstruktion mit Freiformflächen. Er hat keine Linse, sondern lenkt das Licht ausschließlich durch die computerberechneten Reflexionsflächen. Ein solcher Scheinwerfer braucht auch keine herkömmliche Streuscheibe, sondern kann mit einem klaren Frontglas (Abschlussscheibe) versehen werden. Bei diesen Scheinwerfern wurde das herkömmliche Glas durch Kunststoff z. B. Polycarbonat ersetzt.

Vielen Schülern sind gewiss schon vergleichbare Scheinwerfertypen im Straßenbild aufgefallen. Deshalb werden sie den Vorteil der Freiformscheinwerfer schnell verstehen.

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