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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

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