Optik
Lichtausbreitung
· Ein leuchtender Punkt strahlt nach allen möglichen Richtungen Licht aus.
· Enge Lichtbündel nennt man Lichtstrahlen. Sie sind geradlinig und können sich gegenseitig ungestört durchdringen.
· Körper geben Licht, das ihre Oberfläche trifft, im allgemeinen nach allen möglichen Richtungen weiter, man sagt, sie streuen das Licht.
· Undurchsichtige Körper streuen das Licht nur zurück, durchscheinende (z.B.
Mattscheibe) streuen es auch nach vorne.
Optische Abbildung
· Für Abbildungsmaßstab A, Bildhöhe B, Gegenstandshöhe G, Bildweite b und Gegenstandsweite g gilt:
A = B/G = b/g
Optische Bilder:
· Reell - virtuell
· Aufrecht - umgekehrt
· Seitenrichtig - seitenvertauscht
· Vergrößert - verkleinert
· Die Lochkamera liefert reelle, umgekehrte, seitenvertauschte Bilder die je nach Wahl von Gegenstandweite g und Bildweite b vergrößert, verkleinert oder gleich groß sind.
· Das Bild eines Spiegels ist virtuell, aufrecht, seitenrichtig und gleichgroß wie das Original, der Gegenstand.
Schatten
· Eine punktförmige Lichtquelle erzeugt einen scharfen Schatten, bei einer ausgedehnten Lichtquelle entsteht ein Schatten mit verwaschenen Rändern.
· Nur bei einer Kugel kann es einen Kernschatten geben.
Sonne, Mond und Erde:
· Wenn sich das Aussehen des Mondes sich verändert, ändert sich die Position zur Sonne (deren Licht er reflektiert).
· Steht Sonne, Mond und Erde in einer Linie, verstellt der Mond unsere Sicht auf die Sonne und wir erleben eine Sonnenfinsternis.
· Steht die Erde zwischen Sonne und Mond, wirft sie einen Schatten auf ihn und wir sehen eine Mondfinsternis.
· Jahreszeiten entstehen durch die Bewegung der Erde und die Neigung ihrer Achse.
· Im März und September sind Tag und Nacht gleich lang.
· Die durch die Anziehungskräfte von Sonne und Mond ständig wechselnde Unterschiede des Wasserstandes in Ozeanen und Meeren werden als Gezeiten oder Tiden bezeichnet.
Lichtgeschwindigkeit c:
· c = 300 000 km/s
· mit Leserstrahlen sind Prozessionsmessungen möglich
· Lichtgeschwindigkeit im Vakuum Co ist die höchst mögliche Ausbreitungsgeschwindigkeit für Materie
Reflektion
· Licht das auf einen Spiegel fällt wird nur in eine ganz bestimmte Richtung gelenkt und nicht nach allen Richtungen gestreut.
· Alle Sachen, die eine "spiegelglatte" Oberfläche haben, reflektieren das Licht...Das heißt das Licht wird in einer Linie zurückgeworfen.
· Das Einfallslot bildet die Winkelhalbierende zwischen einfallenden und reflektiertem Strahl.
Reflektionsgesetz:
Einfallender Strahl, Einfallslot und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene, Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß (a = b).
Bei der Reflexion am Spiegel ist der Lichtweg umkehrbar.
· Der Spiegel erzeugt von einem Gegenstand ein gleich großes virtuelles Bild. Gegenstand und Bild liegen symmetrisch zur Spiegelebene.
· Ein Reflektor lenkt das Licht immer in die Richtung um aus der es gekommen ist.
Brechung des Lichts
· Geht ein Lichtstrahl von einem Stoff in einen anderen über, so wird er (im allgemeinen) gebrochen , und zwar um so stärker, je flacher er auf der Grenzfläche beider Stoffe trifft. Der Stoff, in dem der Lichtstrahl mit dem Einfallslot den kleineren Winkel (b) bildet, heißt das optisch dichtere Mittel; im optisch dünneren Mittel bildet er mit dem Lot den größeren Winkel (a).
Glas und Wasser sind optisch dichter als Luft.
Regeln für die Brechung:
· Ein Lichtstrahl wird beim Übergang vom optisch dünneren ins optisch dichtere Mittel zum Lot hin gebrochen.
· Einfallender Strahl, Einfallslot und gebrochner Strahl liegen in einer Ebene.
· Ein Teil des Lichts wird an der Grenzfläche reflektiert. Dabei gilt das Reflexionsgesetzt.
· Bei der Brechung ist der Winkel b (im dichteren Mittel) zwischen Lichtstrahl und Lot stets kleiner als 90°.
Die oberen Grenzen für den Winkel b wird Grenzwinkel bg genannt.
· Bei der Brechung ist der Lichtweg umkehrbar.
· Beim Übergang vom dichteren ins dünnere Mittel wird der Lichtstrahl vom Lot weg gebrochen.
Totalreflexion
· Trifft aus einem optisch dichteren Mittel kommendes Licht auf die Grenzfläche zu einem optischen dünneren Mittel und wird dabei der Grenzwinkel bg überschritten, so tritt Totalreflexion ein.
· Auch bei der Totalreflexion gilt das Reflexionsgesetz.
Mehrmalige Brechung
· Lichtstrahlen haben nach der Brechung an einer planparallelen Platte wieder ihre alte Richtung.
Sie werden nur parallel verschoben, und zwar um so stärker, ja dicker die platte ist.
Optisches Prisma
· Ein Lichtstrahl wird an einem optischen Prisma so gebrochen, dass er zu dessen dickerem Ende hin abgelenkt wird. Der Ablenkungswinkel wächst mit dem Keilwinkel des Prismas.
Linsen
· Achsennahe, achsenparallele Lichtstrahlen werden an einer Sammellinse so gebrochen, dass sie die optische Achse alle in demselben Punkt F schneiden. F wird Brennpunkt genannt; seine Entfernung vom optischen Mittelpunkt bezeichnet man als Brennweite f der Linse.
· Durch den Brennpunkt F gehende Lichtstrahlen nennt man Brennstrahlen.
Sie verlaufen nach der Brechung an einer Sammellinse achsenparallel.
· Ein Mittelpunktstrahl geht ununterbrochen durch eine dünne Sammellinse hindurch.
· Schiefparallele Lichtstrahlen werden an einer Sammellinse so gebrochen, dass sie sich in einem Punkt der Brennebene schneiden. Von einem Punkt der Brennebene ausgehende Strahlen sind nach der Brechung schiefparallel.
· Für alle Punkte P, deren Abstand von der Linse größer als die Brennweite ist, gilt:
Von einem Punkt P ausgehende Lichtstrahlen werden durch eine Sammellinse wieder in einem Punkt P' vereinigt.
Linsengleichung:
· Von einem Gegenstand der Höhe G, der sich in der Gegenstandsweite g > f vor einer Sammellinse der Brennweite f befindet, entsteht in der Bildweite b ein optisches Bild der Höhe B.
Dabei beträgt der Abbildungsmaßstab:
A = B/G = b/g
Außerdem gilt die Linsengleichung:
1/g + 1/b = 1/f
Das Auge
· Je näher ein Gegenstand dem Auge rückt, desto größer werden Sehwinkel und Netzhautbild, desto größer erscheint und dann auch der Gegenstand.
Hilfen für das Auge
· Unter der Vergrößerung V durch ein optisches Instrument versteht man den Quotienten
Höhe des Netzhautbildes mit Instrument Bm/
Höhe des Netzhautbildes ohne Instrument B0
V = Bm/ B0
· Die Vergrößerung durch die Lupe beträgt V = Bm/ B0 = s/fL
Dabei ist s = 25cm die deutliche Sehweite und fL die Brennweite der Lupe.
· Vergrößerung durch das Mikroskop
Das Objektiv des Mikroskops erzeugt von einem kleineren Objekt durch optische Abbildung ein vergrößertes Zwischenbild. Dieses wird durch eine Lupe (das Okular) betrachtet und dabei nochmals vergrößert.
Die Vergrößerung der Mikroskops ist gleich dem Produkt aus dem Abbildungsmaßstab A des Objektivs und der Vergrößerung V0 durch das Okular: V = A*V0.
· Vergrößerung durch das Fernrohr
Beim astronomischen Fernrohr erzeugt das Objektiv (f1) von einem fernen Gegenstand ein Zwischenbild.
Dieses wir durch das Okular (f2) wie mit der Lupe betrachtet.
Die Vergrößerung ist V = f1/ f2
Lichter
· Es gibt verschiedene Lichtarten. Dem Auge geben sie sich durch verschiedene Farben zu erkennen; physikalisch unterscheiden sie sich durch verschieden starke Brechung.
· Weißes Glühlicht wird bei der Brechung an einem Prisma in die verschiedenen farbigen Lichter des Spektrums aufgespalten. Licht, das sich bei der Brechung in keine weiteren Farben mehr aufspaltet, nennt man spektralrein.
· Das weiße Glühlicht enthält alle farbigen Lichter des Spektrums.
Sie werden bei der Brechung durch ein Prisma verschieden stark abgelenkt.
Man hebt sechs Spektralfarben namentlich hervor: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violette. Rot wird am schwächsten, Violett am stärksten gebrochen.
· Leuchtende Gase erzeugen im allgemeinen Linienspektren, die man zur Spektralanalyse verwenden kann.
· Glühende Körper senden nicht nur unsichtbares Licht aus. Dem Spektrum des Glühlichts schließt sich auf der einen Seite ultraviolett, auf der anderen infrarot Strahlung an.
Farbenwahrnehmung:
· Zwei Komplementärfarben ergeben zusammen weiß.
· Addiert man Lichter deren Farbe
a) sich im Farbenkreis gegenüberliegen (Komplementärfarben), so erhält man weiß,
b) im Farbenkreis näher beieinander liegen, so empfindet man eine dazwischen liegende Farbe.
Diese Gesetzte er additiven Farbmischung sind unabhängig davon, ob man spektralreines Licht oder Mischlicht verwendet.
In der Netzhaut des menschlichen Auges sind drei Arten farbenempfindlicher Zapfen. Sie lösen im Gehirn jeweils die Empfindung Rot, Grün und Blau aus.
Durch additive Mischung der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau lassen sich alle Lichter des Farbenkreises herstellen.
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