Optik

1. Strahlenmodell des Lichtes 1.1 Lichtquellen und Lichtstrahlen Licht hat für unser Leben auf der Erde eine fundamentale Bedeutung. Viele Prozesse in der Natur würden sonst nicht ablaufen. Ohne Licht könnten wir um uns herum nichts sehen. „Sehen und gesehen werden“ – heißt es in einem Alltagsspruch. Was bedeutet das in der Optik? Wir sehen Gegenstände oder Personen dadurch, dass diese auftreffendes Licht reflektieren, dieses reflektierte Licht in unser Auge gelangt und schließlich dort ein Bild entsteht. Lichtquellen erzeugen selbst Licht. Alle anderen Körper, die nur das auftreffende Licht reflektieren, heißen beleuchtete Körper. 1.2 Licht und Schatten Ein mögliches Modell der Lichtausbreitung ist das Strahlenmodell des Lichtes. Die Lichtstrahlen breiten sich von einer Lichtquelle geradlinig und allseitig aus, bis sie auf Hindernisse treffen. Wenn diese Hindernisse lichtundurchlässig sind, entsteht bei entsprechender Beleuchtung hinter diesen ein Schatten. Bei mehreren punktförmigen Lichtquellen oder einer ausgedehnten Lichtquelle, wie der Sonne oder einer Leuchtstoffröhre, können verschieden dunkle Schatten entstehen. Der Kernschatten ist das Gebiet hinter einem lichtundurchlässigen Körper, wo kein Licht hinkommt. 1.3 Mondphasen, Sonnen- und Mondfinsternisse Die verschiedenen Mondphasen, wie Neumond, zunehmender Mond, Halbmond und abnehmender Mond entstehen durch die sich ändernden Stellungen von Sonne, Erde und Mond zueinander. Sonnen- und Mondfinsternisse sind immer wieder spektakuläre Schauspiele am Himmel. Sie entstehen dadurch, dass in größeren zeitlichen Abständen Sonne, Mond und Erde annähernd in einer Linie stehen. Bei einer Sonnenfinsternis liegt ein Teil der Erdoberfläche im Schatten des Mondes. Wenn dieser Erdteil im Kernschatten liegt, handelt es sich für den Beobachter um eine totale Sonnenfinsternis. Befindet man sich auf der Erde im Halbschattenbereich ist es eine partielle Sonnenfinsternis. Bei einer Mondfinsternis befindet sich der im Vergleich sehr kleine Mond entweder teilweise oder vollständig im Kernschatten der Erde. 2. Strahlenmodell des Lichtes – Reflexionen 2.1 Gerichtete und diffuse Reflexion Helle Körper, wie zum Beispiel Glasflächen, helle Hausfassaden oder Schneefelder reflektieren sehr viel Licht. Dunkle Körper absorbieren viel Licht und reflektieren nur einen geringen Anteil. An glatten Oberflächen wird das Licht in eine bestimmte Richtung reflektiert. Diese Reflexion heißt „gerichtete“ oder „reguläre“ Reflexion. Bei einer rauen Oberfläche verläuft die Reflexion diffus, also in verschiedene Richtungen. Wenn der einfallende Lichtstrahl, das senkrecht zur Spiegelfläche stehende Einfallslot und der reflektierte Strahl in einer Ebene liegen gilt: Einfallswinkel α und Reflexionswinkel α’ sind gleich groß. Der Lichtweg ist umkehrbar. 2.2 Bildentstehung durch Reflexion am ebenen Spiegel Bei der Reflexion am ebenen Spiegel sind Gegenstand und Spiegelbild symmetrisch zueinander. Die Größe bleibt unverändert. Ein Spiegelbild kann man sehen und fotografieren. Doch Spiegelbilder kann man nicht auf einem Schirm auffangen, - es sind virtuelle Bilder. Diese Bildentstehungen kann man auch an Fensterscheiben und ruhigen Wasseroberflächen beobachten. Bei den ersten Mondlandungen wurden auf dem Mond Spiegel aufgestellt, die von der Erde kommendes Laserlicht reflektieren. So konnte man die Entfernung zwischen Erde und Mond ziemlich genau bestimmen. 2.3 Reflexionen an Hohlspiegel und Wölbspiegel Beim Kosmetikspiegel entsteht bei geringer Entfernung des Originales ein aufrechtes, vergrößertes und virtuelles Bild. Wenn Lichtstrahlen auf einen Hohlspiegel treffen, werden sie durch Reflexion zu Brennpunktstrahlen. Im Brennpunkt kann eine sehr hohe Temperatur erreicht werden. Bei Parabolspiegeln wird das Licht in einem kleinen Bereich gesammelt. Wenn sich die Lichtquelle im Brennpunkt befindet, wird es nach der Reflexion als paralleles Licht abgegeben. Trifft paralleles Licht auf Wölbspiegel, wird es in Form eines auseinander gehenden Lichtkegels reflektiert. Deshalb findet man Wölbspiegel als nützliche Hilfen zur Vermeidung toter Winkel im Straßenverkehr. 3. Strahlenmodell des Lichtes – Lichtbrechung 3.1 Brechungsgesetz Licht ändert an der Grenze zweier lichtdurchlässiger Stoffe seine Ausbreitungsrichtung, es wird vom geradlinigen Verlauf abgelenkt. Es gilt für die Bezugsebene das Brechungsgesetz: 3.2 Totalreflexion als Sonderfall der Lichtbrechung Die Totalreflexion ist ein Sonderfall der Lichtbrechung. Wenn Licht von einem optisch dichteren Stoff in einen optisch dünneren Stoff übergeht, wird es ab einem Grenzwinkel vollständig reflektiert Beim Aquarium ist die Totalreflexion an der Grenzfläche von Wasser zur Luft zu beobachten. Der Kern des Lichtleitkabels besteht aus einem optisch dichteren Glas, Quarz oder Kunststoff, darum liegt ein optisch dünnerer Mantel. Dadurch wird das Licht immer wieder in den Kern total reflektiert. Die bunten Lichtpunkte entstehen hier, weil sich am anderen Ende der Lichtleitkabel eine bunte Scheibe befindet. 3.3 Sammellinsen und Zerstreuungslinsen Sammellinsen sind aus optisch durchlässigen Stoffen. Von der Form her sind sie in der Mitte dicker, als am Rand. Deshalb sammelt sich das Licht nach dem Linsendurchgang und der dabei auftretenden Brechung im zunächst im Brennpunkt der Linse. Je nach Entfernung des Gegenstandes zur Linse können hier virtuelle, also scheinbare oder reelle, also wirkliche Bilder entstehen. Reelle Bilder kann man auf einem Schirm auffangen. Lupen sind Sammellinsen, bei denen sich der Gegenstand innerhalb der einfachen Brennweite befindet. Es entstehen vergrößerte, gleich gelegene, seitenrichtige und virtuelle Bilder. Zerstreuungslinsen brechen paralleles Licht in auseinander laufende Richtungen und umgekehrt. Bei Zerstreuungslinsen entsteht unabhängig von der Gegenstandsweite ein verkleinertes, aufrechtes, seitenrichtiges und virtuelles Bild. 3.4 Optische Geräte Das einfache Mikroskop besitzt zwei Sammellinsen, das Objektiv und das Okular, die als System funktionieren. Das reelle Zwischenbild, das nach der ersten Linse entsteht, wird durch die zweite Linse noch einmal vergrößert. Das Ergebnis ist ein stark vergrößertes, virtuelles Bild des Objektes. Mit astronomischen Fernrohren kann man sehr weit entfernte Objekte, wie Sterne und Planeten, gut sichtbar machen. Das Zwischenbild ist verkleinert, reell, umgekehrt und seitenvertauscht. Durch die zweite Linse entsteht ein vergrößertes, virtuelles, aufrecht stehendes und seitenrichtiges Bild. Mit Fotoapparaten kann man reelle Bilder von Gegenständen auf einem Film oder einem Halbleiterspeicher festhalten. Wenn sich das Objekt außerhalb der doppelten Brennweite befindet, sind die Bilder verkleinert, umgekehrt und seitenvertauscht. 4. Auge und scharfes Sehen Wenn von einem Gegenstand Licht auf das Auge fällt, wird dieses Licht an Hornhaut und Augenlinse gebrochen. In der Netzhaut entsteht ein reelles, umgekehrtes, verkleinertes Bild. Die Augenlinse ist eine flexible Sammellinse. Sie befindet sich hinter der Hornhaut und vor dem Glaskörper. Direkt am Glaskörper liegt die Netzhaut an, dann folgt die gut durchblutete Aderhaut und außen die Lederhaut. Nach dem Lichtdurchgang durch die Augenlinse entsteht auf der Netzhaut ein umgekehrtes, seitenvertauschtes und reelles Bild. Die Lichtsinneszellen registrieren dieses und übertragen es über den Sehnerv zum Gehirn. Die Pupille als Öffnung reguliert den Lichteinfall. Bei starkem Licht zieht sie sich zusammen. Das bewirkt, dass eine optimale Lichtstärke auf die Augenlinse fällt. Sehfehler sind die Folge von Abweichungen im Bau oder in der Funktion des Auges. Die Sehfehler führen zur Entstehung unscharfer Bilder in der Netzhaut. Viele Sehfehler können durch die Anpassung von Brillen korrigiert werden. 5. Wellen- und Quantenmodell des Lichtes 5.1 Dispersion des Lichtes Die Spektralzerlegung des weißen Lichtes ist mit dem Wellenmodell erklärbar. Lichtwellen sind elektromagnetische Wellen und Licht besitzt Welleneigenschaften, wie Wellenlänge, Beugung und Interferenz. Am Prisma entsteht durch Brechung die Dispersion des Lichtes. Die Oberfläche einer CD besteht aus Pits, also den Vertiefungen, und Lands. Infolge dessen wird das Licht diffus reflektiert und anschließend treten Interferenzen auf. Ein Beugungsspektrum entsteht. An den sichtbaren Bereich schließen sich die Bereiche des infraroten und ultravioletten Lichtes an. Ultraviolettes Licht kann zur Überprüfung der Echtheit von Geldscheinen genutzt werden. 5.2 Beugungsspektrum Lässt man das einfarbige Licht eines Lasers auf ein optisches Gitter fallen, sieht man nicht, wie vielleicht zu erwarten, die Gitterstäbe, sondern einzelne helle Streifen. Diese Maxima entstehen dadurch, dass das Licht um die feinen Hindernisse gebeugt wird und die Wellen sich dann überlagern. 5.3 Solarzelle Die Funktion einer Solarzelle ist nur mit einem dritten Modell des Lichtes, dem Quantenmodell erklärbar. Die Photonen des auftreffenden Lichtes stoßen die im Halbleiter befindlichen Elektronen auf ein höheres Niveau, auf ein Leitungsband. Dazu müssen die Photonen einen bestimmten Energiewert auf die Elektronen übertragen. Zwischen p und n-Gebiet kann nun ein Strom fließen. 5.4 Solar-Radiometer Im Innern der Glaskugel befindet sich zur Verringerung des Luftwiderstandes ein Teilvakuum. Das Licht wird von der schwarzen Seite der Metallplättchen stärker absorbiert. An den schwarzen Flächen entsteht in Wechselwirkung mit den Luftmolekülen ein höherer Druck als an den hellen Flächen. Durch einen Druckimpuls wird die Rotation des Flügelrädchens bewirkt. Licht ist Energie. Ohne Licht ist ein Alltag, wie wir ihn kennen, nicht möglich. Ohne Licht gäbe es kein Leben auf unserem Planeten.