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Valentin Böhme
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Optik Optik ist eine Spezialgebiet der Physik, das Eigenschaten elektromagnetischer Strahlung im

eometrische Optik (optische eräte) Typische Abmessungen D der abbildenden System (lenden, Linsen)

Wellenoptik Typische Abmessungen D der abbildenden System (lenden, Linsen) sind klein gegen die

Quantenoptik Teilchencharakter des Lichts Photon Licht Eigenschaten des Lichts Antikes Modell:

1 Optik Optik ist eine Spezialgebiet der Physik, das Eigenschaten elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren ereich behandelt. Ausschlieslich ür den Unterrichtsgebrauch 1 2 Optik 1. eometrische Optik (optische eräte) Typische Abmessungen D der abbildenden System (lenden, Linsen) sind groß gegen die Wellenlänge λ des Lichts 2. Wellenoptik Typische Abmessungen D der abbildenden System (lenden, Linsen) sind klein gegen die Wellenlänge λ des Lichts Wellencharakter des Lichts ührt zu Erscheinungen wie eugung und Intererenz 3. Quantenoptik Teilchencharakter des Lichts Photon Licht Eigenschaten des Lichts Antikes Modell: Sehstrahlen, vom Auge ausgehend, tasten die egenstände ab Heute: Teilchen- und Wellenmodell Licht kann entweder als Strahl von Teilchen oder als elektromagnetische Welle betrachtet werden 3 4

Licht Das Licht ist eine elektromagnetische Welle, das sich geradlinig mit der Lichtgeschwindigkeit c

Im Vakuum ist die eschwindigkeit ür alle elektromagnetische Wellen gleich: C 0 = (299 792,46 ± 0,018)

Aberration des Sternenlichtes 5 6 Licht Licht als elektromagnetische Welle eometrische Optik Typische

2 Licht Das Licht ist eine elektromagnetische Welle, das sich geradlinig mit der Lichtgeschwindigkeit c ausbreitet Licht Das Licht ist eine elektromagnetische Welle, das sich geradlinig mit der Lichtgeschwindigkeit c ausbreitet. Im Vakuum ist die eschwindigkeit ür alle elektromagnetische Wellen gleich: C 0 = ( ,46 ± 0,018) km/s m/s Ola Römer 1676: Verinsterungen des Jupitermondes Io c 2, m/s radley 1727: Aberration des Sternenlichtes 5 6 Licht Licht als elektromagnetische Welle eometrische Optik Typische Abmessungen D der abbildenden System (lenden, Linsen) sind groß gegen die Wellenlänge λ des Lichts D >> λ 7 8

3 ? Das Modell Lichtstrahl Das ermatsche Prinzip geradlinige Ausbreitung des Lichtes Lichtwege sind umkehrbar kreuzende Lichtstrahlen beeinlussen sich nicht Der kluge Hund schwimmt weniger? läut mehr schnellster Weg kürzester Weg v lauen> vschwimmen See Uer 9 Die Ausbreitung des Lichtes zwischen zwei Punkten verläut so, daß die verbrauchte Zeit minimal ist. Relexion und rechung Relexion des Lichtes Einallslot α β α =β Spiegelung 11 12

rechzahl rechung Relexion rechung Vakuum c 0 Medium c M optisch dünneres Medium Lut n = 1 α 1 β 1 n 1 < n 2 zum Lot hin gebrochen bei 20º C und 584 nm Material n Vakuum 1 Lut (1 atm) 1,00027 Wasser

4 rechzahl rechung Relexion rechung Vakuum c 0 Medium c M optisch dünneres Medium Lut n = 1 α 1 β 1 n 1 < n 2 zum Lot hin gebrochen bei 20º C und 584 nm Material n Vakuum 1 Lut (1 atm) 1,00027 Wasser 1,333 Augenlinse 1,34 Ethylalkohol 1,361 Quarzglas 1,459 lintglas 1,613 Diamant 2,417 Lichtgeschwindigkeit absolute rechzahl: c n = c 0 M 1 13 rechungsgesetz: sinα sinβ n = = 2 n 21 n 1 c = c 1 2 relative rechzahl optisch dichteres Medium las n=1.5 α 2 n 1 > n 2 vom Lot weg gebrochen Lut n = 1 β 2 14 Totalrelexion Totalrelexion optisch α T dichteres Medium n 1 n 1 α T n 2 n 2 optisch dünneres Medium n 1 > n 2 n 1 > n 2 α T renzwinkel α >α T Totalrelexion 15 16

5 Totalrelexion Totalrelexion & Endoskopie Anwendung: Lichtleiter Endoskopie aseroptik optische Inormationsübertragung Totalrelexion & Endoskopie 2. Skala zum Ablesen der rechzahl "Mikroskop" 1. adenkreuz zur Einstellung der renzlinie Totalrelexion & Reraktometer "Teleskop" Drehknop des Kompensators (Amici-Prismen) 2. Sichteld der Skala Okular renzlinie Okular 1. Sichteld des adenkreuzes adenkreuz eleuchtungsspiegel der Skala Skala Messprisma "Mikroskop" "Teleskop" Amici- Prismen Objektiv Drehung Drehverschluss Spiegel Einleitung des temperierten Wassers Objektiv Drehung Skala Achse Messprisma Zwischenspalt ür die zu messende Lösung weißes Licht eleuchtungsprisma eleuchtungsprisma Spiegel 19 20

6 Dispersion und Prisma Dispersion und Prisma Kronglas Rot 656 nm n=1,514 Weißes Licht wird zerlegt Kurzwelliges Licht (violett) wird stärker gebrochen als langwelliges (rot) 21 Wellenlängenabhängigkeit der rechzahl lau 434 nm n=1, Dispersion Der rechungsindex ist ür alle läser wellenlängenabhängig, d.h. n = n(λ). ür die meisten läser nimmt n mit abnehmender Wellenlänge zu, d.h.lau wird stärker gebrochen als ROT (normale Dispersion) rechung an gekrümmten lächen 23 Ausschlieslich ür den Unterrichtsgebrauch 24

rechung an einer sphärischen läche sin sin sin sin Optische Abbildung

ergibt sich dann ür die rennweite: rechkrat (D) ür dünne,

Praktikum Optik des Auges + - - Zerstreuung - - + okussierung 25 26

(okus) n 1 C 2 n 2 C 1 optische Achse S 1 S 2 d n 1 dünne Linse d <<

7 rechung an einer sphärischen läche sin sin sin sin Optische Abbildung durch eine sphärische renzläche Abbildungsgesetz: Mit rechungsgesetz und unter der Annahme paraxialer Strahlen ergibt sich dann ür die rennweite: rechkrat (D) ür dünne, naheliegende renzlächen: okussierung Zerstreuung Siehe Praktikum Optik des Auges Zerstreuung okussierung Linsen Linsenarten sphärische Linse Krümmungsmittelpunkt rennpunkt (okus) n 1 C 2 n 2 C 1 optische Achse S 1 S 2 d n 1 dünne Linse d << R 1 und R 2 R 2 R 1 Krümmungsradius Medium 1 = Lut Medium 2 = Linsenmaterial Konvexlinse oder Sammellinse rennweite Konkavlinse oder Zerstreuunglinse 27 28

bikonvexe plankonvexe konvexkonkave bikonkave plankonkave konkavkonvexe Linsenschleierormel der

0 Hauptebene dünne bikonvexe Linse Mit Hile der Hauptebene konstruierte Strahlengänge dünne

1 1) R 1 1 + R 2 n n rel = n Linse Umgebung Hauptebene Hauptebene 29 30 1 2 D = = ( n 1) R

Aberration Önungsehler Chromatische Aberration arbabweichung Ursache: Teilnahme der achsenernen

8 bikonvexe plankonvexe konvexkonkave bikonkave plankonkave konkavkonvexe Linsenschleierormel der dünnen Linsen (Meniskus) (Meniskus) 0! 0 Hauptebene dünne bikonvexe Linse Mit Hile der Hauptebene konstruierte Strahlengänge dünne bikonkave Linse 0 R 2 R 1 wirklicher Strahlengang Krümmungsradius rennpunkt - rennpunkt 1 = ( n rel 1 1) R R 2 n n rel = n Linse Umgebung Hauptebene Hauptebene D = = ( n 1) R Linsenschleierormel symmetrischer Linsen siehe Akkomodation der Augenlinse 31 Linsenehler Spärische Aberration Önungsehler Chromatische Aberration arbabweichung Ursache: Teilnahme der achsenernen Strahlen in der ildentstehung Ergebnis: eine abweichende rennweite der nicht paraxialen Strahlen Ursache: Dispersion Ergebnis: eine etwas abweichende rennweite der verschiedenen arben 32

Abbildung mit Linsen 33 34 Abbildung durch Sammellinse g b b) egenstand bei 2 2 2 reelles, umgekehrtes, gleichgroßes ild rechkrat: D 1 = [ D] (Dioptrie)

9 Abbildung mit Linsen Abbildung durch Sammellinse g b b) egenstand bei reelles, umgekehrtes, gleichgroßes ild rechkrat: D 1 = [ D] (Dioptrie) = 1 m = dpt Abbildungsgleichung: = + Abbildungsmaßstab: g b V = = b g 35 c) 2 egenstand zwischen 2 und 2 reelles, umgekehrtes, vergrößertes ild 36

10 d) virtuelles, aurechtes, vergrößertes ild egenstand bei 2 (ild im Unendlichen) Lupe 2 egenstand ild Lage Lage Art Stellung röße g > 2 < b < 2 reell umgekehrt, seitenvertauscht g = 2 b = 2 reell umgekehrt, seitenvertauscht verkleinert < gleichgroß = e) 2 virtuelles, aurechtes, Lupe vergrößertes ild egenstand innerhalb von 2 < g < 2 b > 2 reell umgekehrt, seitenvertauscht g < au der egenstandsseite virtuell aurecht, seitenrichtig vergrößert > vergrößert > Das Lichtmikroskop Objektiv Okular ok ok ob ob V M = V ob optische Tubuslänge deutliche Sehweite (25 cm) V ok d a ob ok Zwischenbild Maximale Vergrößerung 500x! (über 500 leere Vergrößerung)? s. Wellenoptik 39 40

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