Optik 01 (Einführung und Wiederholung)

7. Optik
Im Kapitel „Elektromagnetische Schwingungen und Wellen“ wurden die Entstehung und die
Eigenschaften von elektromagnetischen Wellen im Radio- und Mikrowellenbereich untersucht.
Dieser Bereich des elektromagnetischen Spektrums ist erst seit ca. 150 Jahren bekannt und wird
heutzutage durch unzählige technische Anwendungen genutzt. Ein weitaus länger bekannter Bereich
des elektromagnetischen Spektrums ist der Bereich des für den Menschen sichtbaren Lichts.
[32] Lasershow
Bereits in der Antike machten sich berühmte Physiker und Naturphilosophen Gedanken über die
Natur des Lichts. Erst seit ca. 100 Jahren ist es der Menschheit jedoch gelungen experimentell und
theoretisch wichtige physikalische Eigenschaften des Lichts zu verstehen und physikalisch mit
Modellen zu beschreiben.
7.1 Strahlenoptik
Die älteste sinnvolle Beschreibung des sichtbaren Lichts liefert die sog. Strahlenoptik. Mit dem
Modell des Lichts als Lichtstrahl gelang es vor 400 Jahren zu Zeiten von Galileo Galilei erste Fernrohre
und Mikroskope herzustellen, die zu den wohl wichtigsten wissenschaftlichen Messinstrumenten der
gesamten Naturwissenschaften gehören. Die Strahlenoptik ist eine in sich geschlossenen Theorie und
besitzt auch in der heutigen Zeit noch Gültigkeit. Weiterentwickelte Theorien des Lichts, wie sie in
den nachfolgenden Kapiteln thematisiert werden, widersprechen der Strahlenoptik nicht, ergänzen
© M.Brennscheidt
diese jedoch bei mikroskopischen Betrachtungen. Da die Strahlenoptik Unterrichtsinhalt der
Sekundarstufe 1 ist sollen nur die wichtigsten Begriffe und Zusammenhänge stichpunktartig
wiederholt werden:
1. Licht und Schatten
-
Wir sehen Gegenstände nur, wenn das von ihnen ausgehende oder an ihnen reflektierte
Licht in unser Auge trifft.
-
Licht breitet sich von einer Lichtquelle ausgehend geradlinig im Raum aus. Der Weg des
Lichts wird mit Hilfe von Lichtstrahlen dargestellt.
-
Wird ein undurchsichtiger Gegenstand von einer Lichtquelle beleuchtet, so entsteht hinter
dem Gegenstand ein Bereich in den kein Licht gelangt, der Schatten. Bei mehreren
Lichtquellen kann es zu Kern-, Halb- und Übergangsschatten kommen.
2. Reflexion
An rauen Oberflächen wird das Licht ungerichtet (diffus) reflektiert. An spiegelnden Oberflächen wird
das Licht gerichtet reflektiert. Es gilt das Reflexionsgesetz: „Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel“.
Bei gerichteten Reflexionen ist der Lichtweg umkehrbar. An Hohlspiegeln wird paralleles Licht im sog.
Brennpunkt gebündelt (Spiegelteleskop).
3. Brechung
Beim Übergang von einem Medium in ein anderes wird das Licht gebrochen, d.h. es ändert seine
Richtung. Beim Übergang von einem optisch dünnen in ein optisch dichtes Medium wird ein
Lichtstrahl zum Einfallslot hin gebrochen.
© M.Brennscheidt
Beim Übergang von einem optisch dichten in ein optisch dünnes Medium wird das Licht vom
Einfallslot weg gebrochen. Es gilt das Snelliussche Brechungsgesetz:
Dabei sind
und
die Brechungsindizes der jeweiligen Medien. Diese sind materialabhängig und
geben an, wie stark das Licht beim Übergang von einem Medium in das andere gebrochen wird. Beim
Übergang vom optisch dünnen zum optisch dichten Medium tritt ab einem Grenzwinkel sog.
Totalreflexion ein, d.h. der Lichtstrahl kann das Material nicht verlassen (Lichtleiter).
4. Dispersion
Weißes Licht wird bei der Brechung in seine Spektralfarben zerlegt. Dieser Effekt wird mit Dispersion
bezeichnet. Der blaue Anteil des weißen Lichts wird dabei stärker gebrochen, als der rote Anteil
(„Wer blau ist bricht stärker“).
5 Abbildungen mit Linsen:
An Sammellinsen werden parallel zur optischen Achse verlaufende Lichtstrahlen in einem gemeinsamen Brennpunkt (Fokus) gebündelt. Je stärker die Krümmung der Linse ist, desto kürzer wird die
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Brennweite der Linse (Abstand zwischen Linse und Brennpunkt). Für die Abbildung von Gegenständen mit Linsen gelten drei Regeln:
1. Lichtstrahlen durch die Linsenmitte ändern ihre Richtung nicht (Mittelpunktsstrahlen).
2. Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse verlaufen hinter der Linse durch den Brennpunkt
3. Lichtstrahlen durch den Brennpunkt vor der Linse verlaufen hinter der Linse parallel zur
optischen Achse
Es gilt das Abbildungsgesetz und das Linsengesetz:
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