Zwei Aufgaben zur Lichtbrechung: der Fisch am scheinbaren Ort und die Münze, die durch Wasser wieder sichtbar wird.
Nils steht am Teich und sieht deutlich einen Fisch im Wasser. Sein Opa, der früher geangelt hat, warnt ihn: „Wenn du mit einem Speer genau auf den Fisch zielst, den du siehst, triffst du garantiert daneben." Material M1 zeigt, warum.
An der Wasseroberfläche knickt der Lichtstrahl. Das Auge verlängert den ankommenden Strahl gerade nach hinten — dort vermutet es den Fisch.
Vom Fisch geht Licht in alle Richtungen aus (er streut das Sonnenlicht). Ein Teil davon läuft schräg nach oben durch das Wasser und trifft die Wasseroberfläche. Dort wird der Strahl gebrochen, das heißt, er knickt ab: Beim Übergang von Wasser in Luft wird er vom Lot weg gebrochen und läuft flacher weiter. Erst dieser geknickte Strahl erreicht Nils’ Auge.
Das Auge kann nicht „sehen", dass der Strahl unterwegs geknickt ist. Es geht immer davon aus, dass Licht geradlinig läuft, und verlängert den ankommenden Strahl einfach geradeaus nach hinten (in M1 die violett gestrichelte Linie).
Dieser rückwärts verlängerte Strahl trifft nicht den wirklichen Fisch, sondern einen Punkt darüber und weiter vorn. Genau dort erscheint der Fisch — man nennt das den scheinbaren Ort. Aus demselben Grund wirkt ein Schwimmbecken flacher, als es ist.
Nils müsste unter den sichtbaren Fisch zielen — also tiefer und ein Stück weiter vom Ufer entfernt.
Begründung: Der wirkliche Fisch liegt tiefer im Wasser als sein scheinbares Bild. Zielt man auf das Bild, geht der Speer darüber hinweg. (Ein Laserstrahl hätte übrigens dasselbe Problem — er wird an der Wasseroberfläche genauso gebrochen.)
Frau Ott legt eine Münze auf den Boden einer undurchsichtigen Tasse. Mia rückt so weit zurück, bis die Münze gerade hinter dem Tassenrand verschwindet — sie darf sich danach nicht mehr bewegen. Nun gießt Frau Ott vorsichtig Wasser in die Tasse. Mia ruft: „Jetzt sehe ich sie wieder!"
Tim vermutet: „Das Wasser hat die Münze angehoben."
Vorher: Mia sieht nur den Tassenboden vor der Münze; die Münze selbst ist hinter dem Tassenrand verborgen, weil der gerade Blickweg dorthin blockiert ist.
Nachher: Die Münze ist wieder zu sehen, obwohl weder Mia noch die Tasse noch die Münze bewegt wurden.
Tim irrt. Die Münze liegt unverändert am Tassenboden — man kann das prüfen, indem man von oben in die Tasse schaut oder das Wasser wieder abgießt: Sie liegt genau an derselben Stelle.
Verändert hat sich nur der Lichtweg. Das Licht der Münze läuft jetzt schräg zur Wasseroberfläche, wird dort vom Lot weg gebrochen und läuft flacher über den Tassenrand hinweg zu Mias Auge. Mias Auge verlängert diesen Strahl geradeaus nach hinten und sieht die Münze deshalb an einem höheren scheinbaren Ort — so, als wäre sie angehoben worden.
Versuch: Stelle einen Bleistift schräg in ein durchsichtiges Glas mit Wasser und betrachte ihn von der Seite.
Erwartung: Genau an der Wasseroberfläche scheint der Stift zu knicken; der Teil im Wasser wirkt versetzt und etwas dicker.
Kontrolle: Nimm den Stift heraus — er ist unbeschädigt und gerade. Damit ist klar, dass nicht der Stift, sondern das Licht seine Richtung ändert. Wiederholt man den Versuch mit einem senkrecht eingetauchten Stift, sieht man keinen Knick — ein Strahl, der genau längs des Lots einfällt, wird nämlich nicht gebrochen.