Optik (Lehre vom Sichtbaren)

(Im Lehrplan für die Stufen 7. I und 8. II)

1. Ausbreitung des Lichts2. Reflexion, Brechung und Dispersion des Lichts3. Optische Linsen4. Optische Instrumente

Ausbreitung des Lichts

Ausbreitung des Lichtsgeometrische Optik = Licht folgt genau dem geometrischen Strahlengang

(keine Beugungs-Effekte, Wellennatur)

1) Licht breitet sich geradlinig aus.2) Licht kommt von einer Lichtquelle.

(selbstleuchtend oder angeleuchtet)3) Das Lichtbündel (Lichtkegel) einer Lichtquelle besteht aus unendlich vielen,

unendlich dicht liegenden Lichtstrahlen.4) Gegenstände sind nur sichtbar, wenn Licht von ihnen in unser Auge fällt.

(Auge sendet kein Licht aus, wie Aristoteles vermutet hatte)5) Der Lichtweg ist umkehrbar.6) Wo kein Licht ist, ist Schatten.

(grundsätzlich gilt: ohne Licht kein Schatten, Höhlengleichnis von Platon)7) Licht breitet sich mit konstanter Geschwindigkeit aus.

(im Vakuum: c = 300.000 km/s)

Ausbreitung des Lichts

1. Licht breitet sich geradlinig ausLichtweg von einem leuchtendenObjekt zum Betrachter: „geradlinig“

Hindernisse absorbieren Licht:Licht kann von Materialien (z.B. Plastik, Metall) vollständig absorbiert werden,aber auch durch sie hindurchgehen (z.B. Glas, Wasser).

Hindernisse streuen Licht:Licht geht z.B. durch Wasser, aber je mehr Wasserdampf inder Luft ist, um so schlechter ist die Sicht (Nebel <=> Föhn).

Ausbreitung des Lichts

2. Licht kommt von einer Lichtquelle

• Lichtstrahlen breiten sich von einer Anfangsstelle in alle Richtungen geradlinig aus

• wir unterscheiden Lichtquellen nach:

selbstleuchtend:• Licht wird erzeugt durch

elektrische oder chemische Vorgänge, hohe Temperaturen

angeleuchtet:• Lichtquellen senden von sich aus

kein Licht aus• werden von einer Lichtquelle

angeleuchtet und streuen das Licht

Ausbreitung des Lichts

3. Das Lichtbündel besteht aus unendlich vielen Lichtstrahlen

• Aus der Öffnung einer Lichtquelle kommen unendlich viele Lichtstrahlen

• Wahrnehmung: Lichtkegel, divergentes Lichtbündel

• Begrenzung des Lichtbündels durch Randstrahlen• Draufsicht in weiter Entfernung: gibt es Lücken?

=> Modell: Strahlen verlaufen „unendlich dicht“ • Idealisierung: punktförmige Lichtquelle

Ausbreitung des Lichts

4. Gegenstände sind nur sichtbar, wenn Licht von ihnen ins Auge fällt

• umgangssprachlich: „ein Auge drauf werfen“

• aktive Tätigkeit des Beobachters gegenüber einem passiven Objekt?

• physikalisch: es fällt ein Lichtstrahl vom Gegenstand ins Auge des Betrachters

• aktiver Einfluss eines Objekts auf den passiven Beobachter

• Auge als Lichtempfänger

Wie funktioniert der Sehvorgang?

Ausbreitung des Lichts

5. Der Lichtweg ist umkehrbar

• Bildkonstruktionen bei

Spiegeln (Reflexion)

Linsen (Brechung)

• Gegenstand (G) und Bild (B) können ausgetauscht werden.

Ausbreitung des Lichts

6. Wo kein Licht ist, ist Schatten.Begriffsbildung:

• Licht“farbe“: weiß• Schatten“farbe“: schwarz• je nach

1) Anzahl und2) Art (punktförmig, ausgedehnt)der Lichtquelle entstehen verschiedene Arten von Schatten: Kernschatten, Halbschatten, Übergangsschatten

Schatten

Kernschatten

Kernschatten

Übergangsschatten

Halbschatten

Ausbreitung des Lichts

7. Licht breitet sich mit konstanter Geschwindigkeit c aus

Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: c = 300.000 km/svorstellbar?

• in einer Sekunde vom Mond (Astronauten 3 Tage)• in 8 Minuten von der Sonne• in einer Sekunde 7,5 - mal um die Erde

• Messung:1676 Olaf Römer (1644-1710), Beobachtung des

Jupitermonds Io1849 Anton Fizeau (1819-1896), Lichtstrahl durch

rotierendes Zahnrad1862 J.L. Foucault (1819-1866), Drehspiegelanordnung

Drehspiegel S rotiert mit Winkelgeschwindigkeit).

Zeit t des Lichtstrahls für den Weg von S zu H und zurück :

In dieser Zeit dreht sich der Spiegel S um Winkel :

Ablenkung um 2:

Ausbreitung des Lichts

1862 J.L. Foucault (1819-1866), Drehspiegelanordnung

2 /t r c

2 /t r c

2 4 / /r c d l

4 /c rl d und ca. 12.5 m

= 6 mm

/2 = 450 U/s (elektr. Küchenmixer)

r l

d

Ausbreitung des Lichts

Anwendung: Lochkamera

B/G = b/g ! nur in dieser Form, da nur B/G = k (Abbildungsmaßstab) zu den aus der Geographie bekannten maßstäblichen Abbildungen passt (z.B. 1 : 200 000, deutsche Generalkarte).

G

g b

B

Ausbreitung des Lichts

Anwendung: ScheinwerferkegelVerkehrserziehung:

Nur Objekte im Scheinwerferkegel werden angeleuchtet und können Licht ins Auge des Fahrers abstrahlen.

Nur Objekte und Personen im Scheinwerferkegel sind für den Fahrer sichtbar!

Ausbreitung des Lichts

Anwendung: Planetenbahn

Äußerer Planet und Erde bewegen sich beide gegn denUhrzeigersinn um die Sonne:Planetenbahn kann aber als Schlaufe erscheinen !

Ausbreitung des Lichts

Anwendung: Mond-/Sonnenfinsternis

Mondfinsternis:

Sonnenfinsternis:

Ausbreitung des Lichts

Anwendung: Mondphasen

SONNE