Licht – Elektromagnetische Welle
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Physik: Optik<br />
<strong>Licht</strong> <strong>–</strong> <strong>Elektromagnetische</strong> <strong>Welle</strong><br />
<strong>Licht</strong> ist eine elektromagnetische <strong>Welle</strong>, wie auch Radiowellen, Infrarot-, Röntgen- und Gammastrahlen.<br />
Diese Strahlungsarten bilden das elektromagnetische Spektrum. Das uns bekannte Farbspektrum des<br />
<strong>Licht</strong>s stellt nur einen kleinen Ausschnitt aus dem gesamten elektromagnetischen Spektrum dar.<br />
Die masselosen (<strong>Licht</strong>)Quanten können Energie transportieren: Man spricht z.B. von Wärmeenergie<br />
oder <strong>Licht</strong>energie, die durch Strahlung übertragen wird..<br />
<strong>Licht</strong>ausbreitung<br />
<strong>Licht</strong> breitet sich kugelförmig mit <strong>Licht</strong>geschwindigkeit um seine Quelle aus.<br />
<strong>Licht</strong>geschwindigkeit c im Vakuum<br />
c 0 = 299'792 km/s 300'000 km/s<br />
Das Besondere an der elektromagnetischen <strong>Welle</strong> (im Gegensatz zu einer Schallwelle) ist, dass kein<br />
Träger vorhanden sein muss. Diese <strong>Welle</strong> kann sich im absolut leeren Raum ausbreiten.<br />
Welche Farbe hat <strong>Licht</strong>?<br />
Erhitzt man ein Metallstück, beginnt es nach einiger Zeit zu glühen.<br />
Bei diesem Vorgang wird Wärmeenergie in <strong>Licht</strong> umgewandelt. Je<br />
heisser das Metallstück ist, umso höher ist auch die <strong>Licht</strong>ausbeute.<br />
Das <strong>Licht</strong>spektrum der Sonne<br />
Temperatur Glühfarbe<br />
+ 700°C dunkelrot<br />
+ 900°C kirschrot<br />
+ 1'000°C hellkirschrot<br />
+ 1'100°C dunkelorange<br />
+ 1'200°C hellorange<br />
+ 1'300°C weiss<br />
Das Bild zeigt: Glühlampen geben warmes <strong>Licht</strong><br />
mit viel Rotanteil ab. Vor allem aber geben Sie<br />
Wärme ab, also Infrarotstrahlung mit <strong>Welle</strong>nlänge<br />
über 780 nm, was im Bild (als nicht mehr<br />
sichtbar) nicht gezeigt wird.<br />
Beim Laser handelt es sich um einen Rotlaser.<br />
Die Quecksilberdampflampe mit ihrem gleissend<br />
grellweissen <strong>Licht</strong> wird z.B. zur Beleuchtung<br />
von Sportplätzen eingesetzt.<br />
H. Gächter 1
Physik: Optik<br />
Reflexion am ebenen Spiegel<br />
Ein blankpoliertes Metallstück, eine ruhige Wasseroberfläche, alles was «spiegelblank» ist wirft auffallendes<br />
<strong>Licht</strong> zurück. Für den praktischen Gebrauch werden Spiegel aus einer ebenen Glasplatte hergestellt,<br />
deren Rückseite versilbert und mit einem Schutzlack versehen ist.<br />
Reflexionsgesetz<br />
1. Einfallender Strahl, Einfallslot und reflektierter<br />
Strahl liegen in einer Ebene.<br />
2. Einfalls- und Reflexionswinkel sind gleich<br />
gross.<br />
<strong>Licht</strong>strahl<br />
Spiegel<br />
In den Spiegel schauen<br />
Mehrere Betrachter schauen aus verschiedenen<br />
Standorten in den Spiegel …<br />
…und erblicken die <strong>Licht</strong>quelle als Spiegelbild,<br />
alle am gleichenOrt! Die Betrachter sehen die<br />
<strong>Licht</strong>quelle alle am fiktiven Punkt P'<br />
Ohne Spiegel kommt das <strong>Licht</strong> tatsächlich vom<br />
Punkt P' her.<br />
H. Gächter 2
Physik: Optik<br />
Die Brechung des <strong>Licht</strong>es<br />
Durch eine Blende mit mehreren Schlitzen fallen<br />
<strong>Licht</strong>strahlen in ein Gefäss, welches mit Wasser<br />
gefüllt ist.<br />
Die Mattscheibe zeigt den Strahlengang.<br />
Die <strong>Licht</strong>strahlen werden unterschiedlich geknickt.<br />
Das Phänomen heisst Brechung.<br />
<strong>Licht</strong>strahl von Luft ins Wasser<br />
Der <strong>Licht</strong>strahl wird gebrochen. Zur Beurteilung<br />
der Brechung wird ein Lot beim Eintritt in die<br />
Wasserzone gezeichnet.<br />
So werden die Winkel bei der Brechung gemessen<br />
1<br />
<br />
2<br />
Glaskörper<br />
Brechung<br />
Der Einfallswinkel 1 liegt hier im<br />
optisch dünneren Medium (Luft).<br />
Der Brechungswinkel 2 liegt hier im<br />
optisch dichteren Medium (Wasser).<br />
Reflexion<br />
Bei Reflexion ist der Reflexionswinkel <br />
gleich dem Einfallswinkel 1 .<br />
<strong>Licht</strong>strahlen, die senkrecht auf ein lichtdurchlässiges<br />
Medium fallen, werden nicht gebrochen.<br />
Diesen Umstand nützt der<br />
halbrunde Glaskörper im<br />
Demomodell aus. Beim Austritt<br />
aus dem Glaskörper entsteht<br />
keine Brechung<br />
H. Gächter 3
Physik: Optik<br />
Brechung des <strong>Licht</strong>es: Zusammenhang zwischen 1 und 2<br />
Winkel 1<br />
in Luft<br />
Winkel 2 in<br />
Glas<br />
Wasser<br />
Ablenkung<br />
Luft <strong>–</strong> Glas<br />
= 1 - 2<br />
Glas und Wasser sind beides dichtere Medien, als<br />
Luft.<br />
Der Brechungswinkel 2 ist deshalb kleiner als der<br />
Einfallswinkel 1 .<br />
Grenzwinkel<br />
2<br />
Grenzwinkel für Brechung<br />
Luft <strong>–</strong> dichteres Medium<br />
Dort wo 1 90° ist (Grenzfall), entsteht im<br />
optisch dichteren Stoff der Grenzwinkel G<br />
Bei Glas beträgt dieser Grenzwinkel 41.8°<br />
1<br />
Totalreflexion<br />
Lässt man den <strong>Licht</strong>strahl von Glas in die Luft<br />
übertreten, wird 2 grösser, als 1<br />
Im Versuch hier ist der Winkel 1 im Glas grösser<br />
als 41.8°, nämlich 50°.<br />
Dabei entsteht eine Totalreflexion, also kein <strong>Licht</strong>austritt<br />
von Glas in die Luft.<br />
Diese Totalreflexion verfolgt die gleiche Gesetzmässigkeit,<br />
wie die Reflexion beim Spiegel.<br />
<strong>Licht</strong>leiter<br />
Der <strong>Licht</strong>leiter (Glasfaser) beruht auf<br />
der Totalreflexion. Bei Kratzern in<br />
der Oberfläche tritt <strong>Licht</strong> aus!<br />
H. Gächter 4
Physik: Optik<br />
Brechung des <strong>Licht</strong>es: Brechung berechnen<br />
Wird ein <strong>Licht</strong>strahl bei einem Mediumsübergang gebrochen, ist der Brechungswinkel abhängig von den<br />
Brechzahlen der beiden Medien. Er wird kleiner als der Einfallswinkel, wenn das erste Medium optisch<br />
dünner ist, er ist grösser, wenn das erste Medium optisch dichter ist, als das zweite Medium.<br />
Brechungsgesetz<br />
Optisch dünneres<br />
Medium zu dichterem<br />
Optisch dichteres<br />
Medium zu dünnerem<br />
sin 1<br />
sin <br />
2<br />
<br />
Luft<br />
1<br />
Einfallswinkel<br />
2<br />
Luft<br />
Glas<br />
2<br />
Brechungswinkel<br />
1<br />
Wasser<br />
Grenzwinkel G<br />
Wenn 1 90° wird<br />
Wenn 2 90° wird<br />
Es entsteht Totalreflexion<br />
1<br />
Luft <br />
Luft<br />
2<br />
sin G<br />
<br />
Glas<br />
G<br />
G<br />
Wasser<br />
Totalreflexion<br />
Brechzahlen einiger Materialien für sichtbares <strong>Licht</strong><br />
Material<br />
Brechzahl<br />
Vakuum 1.0<br />
Luft (bodennah) 1.000292<br />
Wasser 1.33<br />
menschl. Augenlinse 1.35...1.42<br />
Quarzglas 1.46<br />
Plexiglas 1.49<br />
Kronglas * 1.51<br />
Polycarbonat 1.58<br />
Flintglas** 1.6<br />
Rubin 1.76<br />
Brillenglas (Flintglas) 1.6…1.9<br />
Schwefel 2.00<br />
Diamant 2.47<br />
Titandioxid (Rutil) 2.71<br />
*) Kronglas heisst auch Fensterglas<br />
**) Flintglas wird für Linsen (Brillen, Optik) verwendet<br />
Brechung in Luftschichten<br />
H. Gächter 5
Physik: Optik<br />
Aufgaben1: «Brechung und Reflexion des <strong>Licht</strong>es»<br />
1. Eine punktförmige <strong>Licht</strong>quelle L, von der nach allen Seiten <strong>Licht</strong>strahlen ausgehen, ist 5 cm von der<br />
ebenen Oberfläche eines Glaskörpers entfernt. Der senkrecht zur Glasoberfläche verlaufende Strahl<br />
treffe diese in P. Zeichne die von L ausgehenden <strong>Licht</strong>strahlen, die 1.8 cm; 4.2 cm bzw. 6 cm von P<br />
entfernt auf der Glasoberfläche ankommen! Wie laufen diese <strong>Licht</strong>strahlen im Glas weiter?<br />
2. Ein Wasserbehälter ist 6 cm hoch mit Wasser gefüllt; der Boden des Behälters ist verspiegelt. Auf<br />
die Wasseroberfläche fällt bei E unter dem Winkel 50° (zum Lot) ein <strong>Licht</strong>strahl. Zeichne seinen<br />
weiteren Verlauf! Wie weit ist die AustrittssteIle von E entfernt?<br />
3. Ein <strong>Licht</strong>strahl trifft unter dem Winkel l = 60° aus der Luft auf einen unbekannten Stoff Dort wird<br />
er gebrochen. so dass er unter dem Winkel 2 = 20.5° weiterläuft. Um welchen Stoff gemäss Tabelle<br />
handelt es sich!<br />
4. Warum können wir einen Glasstab in Luft und auch in Wasser sehen, obwohl Glas durchsichtig ist?<br />
5. Wie gross ist der Grenzwinkel G für Diamant?<br />
6. Eine punktförmige <strong>Licht</strong>quelle L, die nach allen Seiten <strong>Licht</strong> aussendet, befindet sich 4 cm unter<br />
Wasser. Der senkrecht zur Wasseroberfläche verlaufende <strong>Licht</strong>strahl treffe diese in P. Zeichne drei<br />
von L ausgehende <strong>Licht</strong>strahlen. die 2 cm; 4 cm; 6 cm von P entfernt auf die Wasseroberfläche treffen.<br />
Wie verlaufen diese Strahlen weiter?<br />
7. Ein Harpunenfischer schaut im Winkel 60° zum Lot auf die Wasseroberfläche und erkennt dort einen<br />
Fisch, den er in 1 m Tiefe vermutet. Konstruieren Sie, wie er die Harpune werfen muss, um den<br />
Fisch sicher zu treffen.<br />
8. Erklären Sie mit einer Skizze, warum das Spiegelbild eines Gegenstandes oder einer Schrift, wie im<br />
Muster, seitenverkehrt abgebildet wird.<br />
9. Erklären Sie mit einer Skizze, warum der Stab im Wasser geknickt erscheint.<br />
10. Sie blicken schräg über die Tassenkante, die Tasse erscheint leer. Nun füllen Sie Wasser ein. Es<br />
erscheint eine Münze am Tassenboden. Erklären Sie das Phänomen mit einer Skizze.<br />
H. Gächter 6
Physik: Optik<br />
Aufgaben 2: «Brechung des <strong>Licht</strong>es»<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Zeichnen Sie in jedem Bild den Einfallswinkel α 1 und den Brechungswinkel α 2 ein.<br />
Kreuzen Sie die fehlerhaften Zeichnungen an.<br />
Zeichnen Sie mit einem farbigen Stift den (prinzipiell) richtigen Verlauf des Strahls ein.<br />
Notieren Sie im Kästchen unter der korrigierten Zeichnung die Regel, nach der Sie den gebrochenen<br />
Strahl gezeichnet haben.<br />
Zur Information: Glas ist optisch dichter als Wasser, und Wasser ist optisch dichter als Luft<br />
H. Gächter 1
Physik: Optik<br />
Brechung des <strong>Licht</strong>es: Fata Morgana (Luftspiegelung)<br />
Spiegelung nach unten: Kaltschicht über Warmschicht<br />
Von der Sonne erhitzte Strassen wirken manchmal wie ein Spiegel; sie sehen dann aus, als seien sie<br />
nass. Über dem Boden hat sich eine heisse Luftschicht gebildet, darüber liegt kältere Luft. Diese ist optisch<br />
dichter als die warme Luft. Fällt aus ihr das Tageslicht sehr flach auf die optisch dünnere Warmluftschicht,<br />
so findet eine Reflexion statt. Man kann diese Erscheinung etwas vereinfacht als Totalreflexion<br />
am optisch dünneren Medium auffassen.<br />
Spiegelungen treten auch an der Warmluftschicht<br />
über heissern Wüstensand auf. Endlose<br />
Dünenlandschaften scheinen sich in Seen zu<br />
verwandeln. Man spricht dann von einer «Fata<br />
Morgana» (Sinnestäuschung).<br />
Spiegelung nach oben: Warmschicht über Kaltschicht<br />
Erscheinungen von Bergen oder<br />
anderen Dingen an anderen Stellen:<br />
Eine Spiegelung nach oben tritt<br />
auf, wenn sich kalte, dichte Luftschichten<br />
unter wärmeren Luftschichten<br />
befinden. Hügel oder<br />
Berge werden optisch «in den<br />
Himmel gehoben».<br />
H. Gächter 1
Physik: Optik<br />
Mehrmalige Brechung<br />
<strong>Licht</strong>, das durch eine Fensterscheibe dringt, geht von einem optischen Mittel in ein anderes über, muss<br />
dabei also gebrochen werden. Blicken wir aber durch ein Fenster, so bemerken wir von einer Brechung<br />
nichts. Wie kommt das?<br />
Eine Fensterscheibe ist eine sogenannte planparallele Platte, d.h. die beiden Grenzflächen zwischen der<br />
Luft und dem Glas sind eben und zueinander parallel. Im Bild ist ein <strong>Licht</strong>strahl gezeichnet, der unter<br />
dem Winkel l aus der Luft auf die Glasfläche trifft. Wie er weiterlaufen wird, können wir vorhersagen:<br />
Luft<br />
Bei A geht der Strahl von Luft in das dichtere Mittel Glas<br />
über und wird dabei so gebrochen, dass 2 < l ist.<br />
Glas<br />
1<br />
1 = 1 '<br />
A<br />
2<br />
2<br />
B<br />
1 '<br />
x<br />
d<br />
Bei B trifft der gebrochene Strahl auf die zweite Trennfläche.<br />
Da diese parallel zur ersten ist, gilt 2 bei A<br />
gleich 2 bei B (Wechselwinkel).<br />
Nun geht der Strahl vom Glas wieder in die Luft über.<br />
Der <strong>Licht</strong>weg ist umkehrbar: 1 = l '. Der <strong>Licht</strong>strahl<br />
erhält damit wieder seine ursprüngliche Richtung; er wird<br />
lediglich um eine Strecke x parallel verschoben.<br />
Luft<br />
Allgemein gilt<br />
sin( 1<br />
<br />
2<br />
)<br />
x d <br />
cos<br />
2<br />
Bei einer dünnen, planparallelen Platte (z.B. einer Fensterscheibe) ist x sehr klein, so dass man die geringfügige<br />
Parallelverschiebung der <strong>Licht</strong>strahlen kaum bemerkt. Bei dicken, planparallelen Platten kann<br />
man jedoch eine solche Parallelverschiebung sehr deutlich sehen.<br />
Aufgabe<br />
Konstruieren Sie den Strahlverlauf eines <strong>Licht</strong>strahls, der unter dem Winkel l = 30° und in einem zweiten<br />
Fall senkrecht auf ein gleichseitiges Glasprisma (Flintglas) auftritt.<br />
2<br />
1<br />
H. Gächter 2
Physik: Optik<br />
Aufgaben 3: «Brechung an Prismen»<br />
1. Wie muss ein einfarbiger <strong>Licht</strong>strahl auf das skizzierte Prisma treffen,<br />
damit er es im Punkt Q senkrecht zur Oberfläche verlässt? Konstruieren<br />
Sie ihn.<br />
Kurze Erläuterungen!<br />
30°<br />
2. Aus einem gleichschenklig-rechtwinkligen<br />
Prisma tritt ein einfarbiger<br />
<strong>Licht</strong>strahl in der gezeichneten<br />
Richtung aus. Zeichnen Sie den<br />
vollständigen Strahlverlauf im<br />
Prisma. Zeichnen Sie auch seinen<br />
Verlauf vor dem Auftreffen auf<br />
das Prisma.<br />
Kurze Erläuterungen!<br />
H. Gächter 3
Physik: Optik<br />
Aufgaben 4: «Brechung und Totalreflexion»<br />
1. Hans, Fritz und Franz sitzen an einem völlig flachen Ufer ohne jeden Bewuchs, das nur wenige Zentimeter<br />
über dem Wasserspiegel liegt.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hans: «Wenn wir uns auf den Bauch legen, sieht der Fisch uns nicht.»<br />
Fritz: «Doch er sieht uns schon, wenn er in die richtige Richtung schaut.»<br />
Hans: «Nein, wir müssen nur einen Schritt vom Ufer weg, damit wir ganz unterhalb des Totalreflexionswinkels<br />
bleiben.»<br />
Franz: «Stimmt, aber das gilt nur für Fische, die nicht zu flach schwimmen.»<br />
Fritz: «Nein, jeder Fisch kann uns sehen, wenn er nicht zu nahe am Ufer ist.»<br />
<br />
<br />
Wer hat recht und warum?<br />
Wie sieht der Fisch die Welt oberhalb des Wasserspiegels? Konstruieren Sie verschiedene Situationen.<br />
2. Schätzt der Taucher beim Blick durch seine Brille die<br />
Entfernung des Riesenhais zu kurz oder zu weit ein. Begründen<br />
Sie die Antwort mit einer schematischen Skizze.<br />
H. Gächter 4
Physik: Optik<br />
Spektralfarben<br />
Brechung des <strong>Licht</strong>es am Prisma<br />
Farbiges <strong>Licht</strong> entsteht nicht durch eine «farbige» <strong>Licht</strong>quelle, sondern dadurch, dass das <strong>Licht</strong> einer<br />
normalen weissen <strong>Licht</strong>quelle gefiltert wird.<br />
Fällt weisses <strong>Licht</strong> so auf ein Prisma, dass es zweimal gebrochen wird, dann wird es in seine Bestandteile<br />
zerlegt:<br />
Die unterschiedliche Brechung<br />
heisst «Dispersion»<br />
Spektralfarben<br />
Die <strong>Licht</strong>farben nennt man Spektralfarben. Normalerweise werden sechs von ihnen besonders hervorgehoben:<br />
Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett. Die verschiedenen Farbanteile des weissen <strong>Licht</strong>s<br />
werden wegen den unterschiedlichen <strong>Welle</strong>nlängen verschieden stark gebrochen und dadurch getrennt.<br />
Die unterschiedliche Brechung der Farbanteile heisst «Dispersion». Rot wird am schwächsten, Violett<br />
am stärksten gebrochen.<br />
Wenn alle farbigen <strong>Licht</strong>er zusammen von einer Konvexlinse (Sammellinse) gebrochen werden, wird<br />
aus ihnen wieder weisses <strong>Licht</strong>.<br />
Diamanten funkeln<br />
Das Funkeln der Diamanten beruht auf der Tatsache, dass das<br />
auftreffende <strong>Licht</strong> im Diamanten sehr oft totalreflekiert wird.<br />
Hierfür sind zwei Fakten massgebend:<br />
<br />
<br />
Die hohe Brechzahl von Diamant.<br />
Der gekonnte Schliff (cut) des Diamanten.<br />
Durch die Mehrfachbrechung wird auch das weisse <strong>Licht</strong> in Farben<br />
zerlegt, so dass Diamanten in allen Spektralfarben funkeln.<br />
Aufgaben<br />
1. Was bedeutet die hohe Brechzahl des Diamanten beim Übergang von Luft zum Diamanten?<br />
2. Bestimmen Sie den Grenzwinkel der Totalreflexion für den Übergang von Diamant nach Luft.<br />
3. Im Bild oben sind 3 einfallende <strong>Licht</strong>strahlen gezeichnet; einer zeigt den weiteren Verlauf. Konstruieren<br />
Sie den Verlauf der weiteren Strahlen.<br />
H. Gächter 5
Physik: Optik<br />
Farbmischungen<br />
Die additive Farbmischung<br />
Die additive Farbmischung erfolgt bei Mischung von <strong>Licht</strong>ern. Wenn sich z.B. in der Disko drei verschiedene<br />
Farbstrahler in den Farben rot, grün und blau überlagenern, dann resultiert in der Schnittmenge<br />
weisses <strong>Licht</strong>. Dieses Farbmischen wird bei Fernseh- und Computermonitoren angewendet (RGB-<br />
Bildschirm, TFT-Display).<br />
RGB-Prinzip<br />
RGB-Monitor (Computer, TV)<br />
TFT-Display<br />
Die subtraktive Farbmischung<br />
Die subtraktive Farbmischung erfolgt durch Pigmentmischung, z.B. bei Malfarben. Die Pigmente reflektieren<br />
nur bestimmte <strong>Welle</strong>nlängen und absorbieren die restlichen. Sind mehrere Pigmente gemischt,<br />
absorbieren sie zunehmend mehr <strong>Welle</strong>nlängen. Theoretisch ist es so, dass sich zyan (cyan/C), purpur<br />
(magenta/M) und gelb (yellow/Y) zu schwarz mischen. Versucht man dies mit dem Wasserfarbenkasten<br />
nachzuvollziehen, entsteht meistens ein hässliches Matschbraun. Um die Helligkeit ohne Verluste bei<br />
der Brillanz besser darstellen zu können kommt deshalb auch Schwarz (black/K) in der Form verschiedener<br />
Grautöne (Transparenzen) zum Einsatz. Das subtraktive Farbmischen wird bei Druck-Erzeugnissen<br />
(Druckerei, Farbdrucker) angewendet. Dieses System wird auch CMYK genannt (cyan, magenta,<br />
yellow, black). Demzufolge besitzen Farbdrucker diese vier Farben als Tonerkassetten oder Tintenkartuschen.<br />
Malen<br />
Farbdrucker<br />
CMYK-Prinzip<br />
H. Gächter 6
Physik: Optik<br />
Sammellinsen<br />
Mit einer Sammellinse lässt sich ein Streichholz<br />
anzünden. Die Anwendung heisst «Brennglas».<br />
Sammellinsen besitzen einen Brennpunkt<br />
Konvexe Form<br />
Sammellinsen sind sphärisch (kugelige Form) und<br />
in der Mitte dicker als aussen (konvex). Sie können<br />
<strong>Licht</strong>strahlen, die parallel einfallen, im Brennpunkt<br />
sammeln.<br />
Strahlengang einer Sammellinse<br />
Vereinfacht wird nur eine Brechung aus der Mittellinie gezeichnet. Für dünne Linsen (die Regel) bedeutet<br />
das genügende Genauigkeit.<br />
Achsenparallele <strong>Licht</strong>strahlen<br />
Sie werden an einer Sammellinse so gebrochen,<br />
dass sie sich in einem Punkt F der optischen Achse<br />
schneiden. Der Mittelpunktsstrahl wird nicht<br />
gebrochen.<br />
F wird Brennpunkt genannt; seine Entfernung<br />
vom optischen Mittelpunkt bezeichnet man als<br />
Brennweite f der Linse.<br />
Schiefparallele Strahlen<br />
Sie schneiden sich alle nach der Brechung in einem<br />
Punkt P. Nun ist aber ein Punkt schon durch den<br />
Schnitt zweier Geraden festgelegt; also genügt es.<br />
zur Konstruktion von P zwei beliebige Strahlen<br />
herauszugreifen.<br />
Wir wählen den Mittelpunktsstrahl, der nicht<br />
gebrochen wird, und den Brennstrahl durch F 1 , der<br />
achsparallel auf die Brennebene trifft. Der Schnittpunkt<br />
ergibt den Punkt P, der im Abstand f<br />
(Brennweite) von der Mittelebene liegt.<br />
H. Gächter 7
Physik: Optik<br />
Die wichtigste Eigenschaft einer Sammellinse<br />
<strong>Licht</strong> geht meistens von Punkten aus, die nicht in der Brennebene einer Linse liegen. Wir konstruieren<br />
nun einen Bildpunkt aus einem <strong>Licht</strong>punkt.<br />
Eine punktförmige<strong>Licht</strong>quelle P sendet aus einer<br />
bestimmten Entfernung von der Linse <strong>Licht</strong>strahlen<br />
aus. Wir konstruieren den Abbildungspunkt P' mit<br />
Hilfe des Mittelpunktsstrahls und dem Brennstrahl,<br />
der achsparallel auf die Linse tritt, und durch den<br />
Brennpunkt F verläuft.<br />
Abbildungen durch Sammellinsen<br />
Linsen machen Bilder<br />
Die Bildpunkte P. Q. R werden auf einer definierten<br />
Bildebene scharf abgebildet als P'. Q'. R'.<br />
Das Bild (Pfeil) erscheint auf den Kopf gestellt.<br />
Das Bild ist grösser, als der Gegenstand.<br />
Mit Hilfe von Proportionen lässt sich die Bilddarstellung<br />
eines Gegenstandes erklären:<br />
Von einem Gegenstand der Höhe G, der sich in<br />
der Gegenstandsweite g > f vor einer Sammellinse<br />
der Brennweite f befindet, entsteht in der<br />
Bildweite b ein optisches Bild der Höhe B.<br />
Dabei beträgt der Abbildungsmassstab<br />
A <br />
B<br />
G<br />
<br />
b<br />
g<br />
Ausserdem gilt die Linsengleichung<br />
1<br />
g<br />
<br />
1<br />
b<br />
<br />
1<br />
f<br />
Aufgaben<br />
1. Einen Meter vor einer Sammellinse mit der Brennweite 200 mm befindet sich ein Gegenstand von<br />
1 cm Höhe. Wie gross wird dieser auf der Bildebene abgebildet?<br />
2. 15 cm vor einer Sammellinse mit Brennweite 10 cm befindet sich ein 3 cm grosser Gegenstand. In<br />
welchem Abstand von der Linsenmitte entsteht das Bild? Wie gross ist es?<br />
H. Gächter 8
Physik: Optik<br />
Zerstreuungslinsen<br />
Konkave Form<br />
Zerstreuungslinsen sind in der Mitte dünner als<br />
aussen (konkav). Sie können <strong>Licht</strong>strahlen, die<br />
parallel einfallen, zerstreuen (nach aussen öffnen).<br />
Strahlengang einer Zerstreuungslinse<br />
Achsenparallele <strong>Licht</strong>strahlen<br />
Die achsenparallelen <strong>Licht</strong>strahlen werden so<br />
gebrochen, dass sich die Strahlen ausweiten und<br />
nicht in einem Punkt sammeln, wie bei der Sammellinse.<br />
Zerstreuungslinsen werden für Objektive und<br />
für Brillen verwendet.<br />
Linsen-Kombinationen<br />
Die Kombination einer konvexen und einer konkaven<br />
Linse vergrössert die ursprüngliche Brennweite<br />
der Sammellinse. Bei Fotoapparaten werden<br />
solche Kombinationen eingesetzt, um verschiedene<br />
Objektiv-Eigenschaften zu erhalten.<br />
Objektive<br />
Die Linsenkombinationen bewirken Korrekturen<br />
von Verzerrungen in den Randbereichen.<br />
Ausserdem lassen sich Brennweite und Aufnahmewinkel<br />
verändern.<br />
Objektive von Fotoapparaten wie auch von<br />
Projektoren und Beamern sind komplexe Gebilde<br />
mit mehreren Linsen, die zum Teil zusammengekittet<br />
sind.<br />
Teleobjektiv<br />
Weitwinkel-Objektiv<br />
H. Gächter 9
Physik: Optik<br />
Das Auge, eine Fotokamera<br />
Durch die Iris (Blende) fallen die <strong>Licht</strong>strahlen<br />
auf die Linse, werden dort fokussiert und bilden<br />
auf dem gelben Fleck ein scharfes Abbild des<br />
Originalbildes, welches der Mensch betrachtet.<br />
Wozu braucht man eine Brille?<br />
Normalsichtigkeit<br />
Die Fokussierung der Linse stimmt mit der Augenlänge überein. Die Augenlinse passt sich der Sehdistanz<br />
an. Eine Brille wird nicht benötigt.<br />
Fernbereich<br />
Die Linse wird dünner, die Brechung geht zurück.<br />
Nahbereich<br />
Die Linse wird dicker und erhöht die Brechung<br />
(kleinere Brennweite)<br />
Kurzsichtigkeit<br />
Weitsichtigkeit<br />
Die Sehschärfe ist nur auf kurze Distanz ausreichend<br />
(z.B. beim Buchlesen). Die Zerstreuungslinse<br />
(Konkav) fokussiert das Bild so, dass es dem zu<br />
langen Auge entspricht.<br />
Das Auge ist zu kurz. Der Weitsichtige kann<br />
zwar entfernte Bilder scharf wahrnehmen,<br />
beim Zeitungslesen hat er aber Mühe. Die<br />
Sammellinse (konvex) fokussiert das Bild entsprechend<br />
auf den gekürzten Augapfel.<br />
Brillengläser<br />
Bei starken Brillen werden die Gläser entsprechend dick. Um das Brillengewicht klein zu halten (Tragkomfort),<br />
werden entweder Kunststoffgläser verwendet, oder Gläser mit hoher Brechkraft (bis 1.9). Damit<br />
fallen dann die Gläser entsprechend dünner aus, sie sind aber ziemlich teuer. Kunststoffgläser haben<br />
den Nachteil, dass sie leicht verkratzen, die Lebensdauer ist viel kleiner als diejenige von Hartgläsern.<br />
H. Gächter 10