Optik


Lichtausbreitung  Spiegelung  Brechung  Linsen  optische Geräte

Lichtausbreitung

Licht breitet sich geradlinig mit einer Geschwindigkeit (in Vakuum bzw. Luft) von ca. 300000 km/s aus.
Licht selbst ist nicht sichtbar (Sonst wäre nachts der Himmel nicht dunkel, da ja das allermeiste Licht der Sonne an der Erde vorbei strahlt. Wäre es sichtbar, müsste man es nachts am Himmel "vorbeigehen" sehen.) Licht ist nur sichtbar, wenn es direkt ins Auge fällt. Der "Lichtstrahl" im Nebel ist das vom Nebel gestreute Licht. (Genau das Licht, das man als "Strahl" sieht, ist dasjenige, das nicht weiterstrahlt sondern seitlich weggestreut wurde.)
Die geradlinige Ausbreitung des Lichts ist der Grund für die Entstehung von Schatten.
Die Größe des Schattenbilds hängt von den Entfernungen zur Lichtquelle und der Größe des Gegenstands ab.
(Gehe mit der Maus auf nebenstehende Grafik, um die Entfernungen zu ändern.)

Als Regel gilt:
Wenn das Schattenbild x-mal soweit von der Lichtquelle entfernt ist wie der Gegenstand, dann ist es auch x-mal so groß wie der Gegenstand. Wenn ein 30 cm großer Gegenstand also 1 m von der Lichtquelle entfernt ist und der Schatten 4 m von der Lichtquelle entfernt ist, dann ist der Schatten 1,2 m groß.
(Obige Regel gilt nur, wenn der Gegenstand und das Schattenbild parallel liegen.)

Die geradlinige Lichtausbreitung ist auch Grundlage der Lochkamera. Hier erfährst du mehr über die Lochkamera.
Bei zwei Lichtquellen gibt es nur bis zu einem bestimmten Abstand hinter dem Gegenstand einen vollständigen Schatten. Dieser Bereich, in den von beiden Lichtquellen kein Licht stahlt, heißt Kernschatten.

Sonnen- und Mondfinsternisse sind ebenfalls Schatten. Hier erfährst du mehr darüber.
Zum Seitenanfang

Spiegelung

Wenn Licht auf einen Gegenstand trifft, ändert es seine Richtung. Je nach Gegenstand wird das Licht in alle möglichen Richtungen zurückgeworfen, das heisst dann Streuung. Oder es wird nur in eine bestimmte Richtung zurückgeworfen, das nennt man Spiegelung oder Reflexion.
Für die Reflexion am ebenen Spiegel gibt es eine einfache Regel:
Der Einfallswinkel und der Reflexionswinkel sind gleich. Wie diese Winkel gemessen werden werden, siehst du nebenan. Am Auftreffpunkt des Strahls zeichnet man das "Einfallslot" (=Senkrechte auf den Spiegel) und misst die Winkel zwischen dem Lot und den Strahlen.
Im Spiegel sieht man sein Spiegelbild genauso weit hinter dem Spiegel stehen, wie man selbst vor dem Spiegel steht.
Damit lässt sich zeichnerisch ermitteln, wie groß der Spiegel sein muss und wie hoch er hängen muss, damit man sich ganz sieht. Erstaunlich ist dabei, dass die Werte sich nicht ändern, wenn man näher oder weiter vom Spiegel entfernt steht.
(Gehe mit der Maus auf nebenstehende Grafik, um die Abstände zu ändern.)
Wenn der Spiegel gekrümmt ist, wird es komplizierter. Beim Hohlspiegel sieht der Strahlenverlauf wie nebenstehend aus. Fällt ein paralleles Lichtbündel parallel zur optischen Achse auf den Hohlspiegel, so kreuzen sich nach der Spiegelung die Lichtstahlen in einem Punkt. Dieser Punkt heisst Brennpunkt des Hohlspiegels und wird mit F bezeichnet.
(Auch andere Strahlenbündel kreuzen sich nach der Spiegelung in einem Punkt, das ist dann aber nicht der Brennpunkt.)

Wenn du die spezielle Strahlen sehen willst, musst du mit der Maus auf die fettgedruckten Satzteile gehen:
Strahlen durch den Brennpunkt verlaufen nach der Spiegelung parallel zur optischen Achse.
Strahlen parallel zur optischen Achse verlaufen nach der Spiegelung durch den Brennpunkt.
Beim Scheinwerfer steht die Lichtquelle im Brennpunkt, deshalb wird das Licht parallel zurückgespiegelt und reicht somit sehr weit. Die Hohlspiegel bei Scheinwerfern sind meistens Parabolspiegel.
Zum Seitenanfang

Brechung

Ein Lichtstrahl ändert ebenfalls seine Richtung wenn er von einem durchsichtigen Material (wie Luft) in ein anderes (wie Wasser oder Glas) geht. Diesen Vorgang nennt man Brechung. Eigentlich geschehen mit dem Strahl zwei Sachen, er wird teilweise gebrochen und teilweise reflektiert.
(Gehe dazu mit der Maus auf nebenstehende Grafik.)
Der Grund für die Lichtbrechung liegt in der unterschiedlichen Lichtgeschwindigkeit in den beiden Materialien. Im Material mit der kleineren Lichtgeschwindigkeit verläuft der Lichtstrahl näher am Einfallslot.
Das Material mit der kleineren Lichtgeschwindigkeit heisst optisch dichter.
Wenn der Lichtstrahl aus dem optisch dichteren Material (wie Wasser) kommt, dann wird er vom Einfallslot weg gebrochen. Wenn der Einfallswinkel dabei zu groß wird, wird der gesamte Strahl wieder zurückgespiegelt. Dies nennt man Totalreflexion.
(Gehe dazu mit der Maus auf nebenstehende Grafik.)

Aus diesem Grund spiegeln manchmal die Seitenwände in einem Aquarium obwohl sie eigentlich durchsichtig sind.
Glasprismen eignen sich gut als Spiegel, das wird in Feldstechern ("Prismenfeldstecher") oder bei Rückstrahlern ("Katzenaugen") ausgenutzt.
In Glasfaserkabeln (in welchen Licht geleitet wird) wird ebenfalls von der Totalreflexion Gebrauch gemacht.

Wenn du wissen willst, was ein Regenbogen mit der Lichtbrechung zu tun hat, erfährst du hier mehr.
Zum Seitenanfang

Linsen

Optische Linsen sind Glaskörper, die meistens von kugelförmigen Oberflächen begrenzt sind. Je nachdem, ob die Linse in der Mitte dicker als am Rand ist oder umgekehrt, wirkt die Linse als Sammel- oder Zerstreuungslinse.
(Sammellinsen heissen auch Konvexlinsen, Zerstreuungslinsen heissen auch Konkavlinsen.)
Fällt ein achsenparalles Lichtbündel auf die Konvexlinse (=in der Mitte dicker), dann geht es nach der Linse durch den Brennpunkt.
Da das Lichtbündel auch von der anderen Seite kommen könnte, hat diese Linse zwei Brennpunkte. Der Abstand eines Brennpunkts von der Linsenmitte heisst Brennweite und wird mit f abgekürzt.
Fällt ein achsenparalles Lichtbündel auf die Konkavlinse (=in der Mitte dünner), dann läuft es nach der Linse auseinander. Die auseinanderlaufenden Strahlen scheinen von einem Punkt auf der anderen Seite der Linse herzukommen. Diesen Punkt nennt man Brennpunkt der Linse. Da das Licht nur scheinbar durch diesen Brennpunkt geht, nennt man diesen Brennpunkt virtuell (=scheinbar).
Da das Lichtbündel auch von der anderen Seite kommen könnte, hat diese Linse zwei Brennpunkte. Der Abstand eines Brennpunkts von der Linsenmitte heisst Brennweite und wird mit f abgekürzt.
(Bei Konkavlinsen wird die Brennweite mit einer negativen Zahl angegeben.)
Bei Konvexlinsen gibt es einige Strahlen, deren Verlauf man vorhersagen kann:
Wenn du die spezielle Strahlen sehen willst, musst du mit der Maus auf die fettgedruckten Satzteile gehen:
Strahlen durch den Brennpunkt verlaufen nach der Brechung parallel zur optischen Achse.
Strahlen parallel zur optischen Achse verlaufen nach der Brechung durch den Brennpunkt.
Mit diesem Wissen lässt sich bei Konvexlinsen das Bild eines Gegenstands konstruieren:

Bildentstehung heisst ja, dass alle Lichtstrahlen die von einem Punkt des Gegenstands weglaufen, sich im Bild wieder in einem Punkt treffen. Es genügt jetzt, wenn man den Verlauf von zwei Lichstrahlen kennt. (Ein Punkt ist ja durch den Schnitt zweier Geraden festgelegt.)
Dazu zeichnen wir von einem Punkt des Gegenstands den Lichtstrahl, der parallel zur optischen Achse verläuft. Von dem wissen wir, dass er nach der Brechung durch den Brennpunkt geht.
Als nächstes zeichnen wir von dem Punkt des Gegenstands den Lichtstrahl, der durch den Brennpunkt verläuft. Von ihm wissen wir, dass er nach der Brechung parallel zur optischen Achse verläuft.
Am Schnittpunkt dieser beiden Strahlen muss der Bildpunkt liegen.
Zeichne dir eine Konvexlinse und nimm den Brennpunkt bei 3 cm an. Zeichne einen ca 2 cm großen Gegenstand in der Entfernung....
....8 cm
....6 cm
....5 cm
und konstruiere für jeden dieser Fälle das Bild!
Beschreibe Größe und Lage des Bilds!
(Die Lösungen findest du hier.)
Mit Hilfe von Konvexlinsen lassen sich sehr gut parallele weit reichende Lichtbündel erzeugen, indem man die Lichtquelle in den Brennpunkt der Linse stellt.
Dies wird z.B. bei Leuchttürmen so gemacht.
(Auch wir haben bei unseren Versuchen auf diese Art und Weise paralleles Licht erzeugt. Wenn wir schmälere Lichtbündel benötigten, haben wir noch einen Spalt nach der Linse eingebaut.)
Zum Seitenanfang

Optische Geräte

Ein vom Prinzip einfaches Gerät ist der Diaprojektor. Hier wird mit einer Linse einfach ein vergrößertes Bild an die Wand geworfen. Da das Bild seitenverkehrt und auf dem Kopf entsteht, muss das Dia entsprechend "falsch" herum eingelegt werden.
(Zum Beleuchten des Dias wird vor die Lampe eine Linse gestellt, so dass das Dia mit parallelem Licht beleuchtet wird.)
Ein Overheadprojektor macht das genauso. Du hast sicher schon bemerkt, dass du die Folien anders verschieben musst als es auf der Leinwand aussieht.
Auch ein Beamer funktioniert nach diesem Prinzip, anstatt des Dias ist es hier ein kleiner PC-Bildschirm, der abgebildet wird.
(Der kleine Bildschirm ist natürlich "falsch" herum eingebaut.)

Im Prinzip genauso einfach funktioniert ein Fotoapparat. Wenn du über ihn mehr wissen willst, klickst du hier.
Die Lupe ist ebenfalls ein sehr einfaches Gerät, aber etwas schwerer zu verstehen.
Hier wird der Gegenstand näher als der Brennpunkt an die Linse gebracht. Die Lichtstrahlen verlaufen jetzt so, dass der Betrachter glaubt, sie kämen von einem größeren Gegenstand. Das Bild der Lupe kann man nicht auf einem Bildschirm auffangen, es ist nur ein scheinbares (=virtuelles) Bild, das im Auge erscheint.
Das Fernrohr ist etwas komlizierter. Es benötigt zwei Linsen, sie heissen Objektiv und Okular.
Das Objektiv bildet den entfernten Gegenstand in einem Bild ab. (Ähnlich wie ein Fotoapparat.) Dieses "Zwischenbild" wird nicht auf einen Bildschirm geworfen sondern es entsteht "in der Luft". Dieses Zwischenbild wird mit dem Okular als Lupe betrachtet.

Ganz ähnlich funktioniert das Mikroskop. Auch es benötigt zwei Linsen: Objektiv und Okular.
Das Objektiv bildet den kleinen Gegenstand in einem Bild ab. (Ähnlich wie der Diaprojektor.) Dieses Zwischenbild wird mit dem Okular als Lupe betrachtet.

Natürlich kann man auch Brillen zu den optischen Geräten zählen. Hier wird die Stärke der Linse nicht mit der Brennweite angegeben sondern durch Dioptrien. Der Zusammenhang ist ganz einfach: Der Kehrwert der Brennweite (gemessen in Meter) ergibt die Dioptrienzahl. Eine Linse mit der Brennweite 0,5 m hat 1 geteilt durch 0,5 gleich 2 Dioptrien.
Bei Konkavlinsen wird die Dioptrienzahl (wie auch die Brennweite) mit negativen Zahlen angegeben.
Wer also eine Brille mit der Stärke -5 Dioptrien (das ist schon sehr viel) hat, hat eine Brille mit Konkavlinsen, deren Brennweite 1 geteilt -5 gleich -0,2 m ist.
Wenn du mehr über das Auge erfahren willst, kannst du hier klicken.
Zum Seitenanfang