Der Ausfallswinkel ist immer genauso viel mit dem Einfallswinkel, wenn ein Ball auf eine gerade Wand trifft oder Licht reflektiert wird. Dies liegt im Wesentlichen an der Impulserhaltung. Bei der Betrachtung des Balls der auf die Wand trifft, kann die Geschwindigkeit des Balls in zwei Komponenten zerlegt werden: eine Komponente genau zur Wand und eine Komponente senkrecht dazu. Diese Zerlegung ermöglicht die Betrachtung der beiden Impulskomponenten, eine parallel und eine senkrecht zur Wand.
Die senkrechte Impulskomponente die auf die Wand trifft, wird von der Wand abgestoßen und ändert den Impuls des Balls. Wenn wir annehmen: Dass die Wand viel massiver ist als der Ball wird diese senkrechte Impulskomponente ebendies umgedreht, also ihre Richtung invertiert. Das entspricht der Erfahrung, dass ein Ball der senkrecht ⬇️ fällt und vom Boden reflektiert wird, in dieselbe Höhe zurückspringt, aus der er losgelassen wurde (unter der Annahme, dass Reibung vernachlässigt wird). Die senkrechte Impulskomponente ändert also nur ihre Richtung, bleibt aber vom Betrag her gleich und wird nach der Reflexion zu ihrer ursprünglichen Größe freilich entgegengesetzt gerichtet (-a).
Die parallele Impulskomponente hingegen bleibt unverändert. Würde sie sich ändern, ohne dass eine Kraft auf den Ball übertragen wird, wäre dies ein Verstoß gegen das Prinzip der Impulserhaltung. Die Anfluggeschwindigkeit des Balls besteht aus der Summe dieser beiden Impulskomponenten (a + b) und nach dem Aufprall ist die Flugrichtung des Balls (-a + b).
Geometrisch betrachtet müssen der Einfallswinkel und der Ausfallswinkel symmetrisch um das Lot sein, da der Betrag der senkrechten Impulskomponente gleich bleibt und nur ihre Richtung umgedreht wird.
Dieses Prinzip gilt ebenfalls für die Reflexion von Licht. Die Geschwindigkeit des Lichts kann ähnlich wie in eine Komponente parallel zur Wand und eine senkrecht dazu zerlegt werden. Die parallele Komponente wird von der Wand nicht beeinflusst und bleibt unverändert, während die senkrechte Komponente bei einer idealen Reflexion in ihr Gegenteil gedreht wird jedoch ihre Größe beibehält.
Es ist zu beachten, dass bei realen Experimenten mit Bällen ein Teil der Energie an die Wand abgegeben wird, mittels welchem die reflektierte senkrechte Komponente etwas kleiner wird. Daher kann es in solchen Fällen vorkommen, dass der Ausfallswinkel größer wird als der Einfallswinkel.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Der Ausfallswinkel immer dem Einfallswinkel entspricht da die senkrechte Impulskomponente ihre Richtung umkehrt aber vom Betrag her gleich bleibt, während die parallele Impulskomponente unverändert bleibt. Dieses Phänomen kann durch die Impulserhaltung erklärt werden.
Warum ist der Ausfallswinkel immer gleich dem Einfallswinkel?
Warum ist der Ausfallswinkel beim Auftreffen eines Balls auf eine Wand oder bei der Reflexion von Licht immer gleich dem Einfallswinkel?