Optik. Physik, 2./3. OG. Stiftsschule Engelberg, Schuljahr 2016/2017

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1 Optik Physik, 2./3. OG Stiftsschule Engelberg, Schuljahr 2016/2017

2 Einleitung Die Optik befasst sich mit der Untersuchung des Lichts und seinen Wechselwirkungen mit Materie. Sie stellt also sowohl die Frage nach der Entstehung und der Natur des Lichts selbst, als auch nach den Erscheinungen, welche durch Bestrahlung physikalischer Körper (festen, flüssigen oder gasförmigen) mit Licht hervorgerufen werden. Sie versucht Erscheinungen wie den Regenbogen, das Abendrot, die blaue Farbe des Himmels usw. zu erklären. Was ist Licht? Was ist für dich Licht? Notiere einige Stichwörter. 1

3 Was ist Licht? Eine erste Antwort: ein Strahl Die Frage, was Licht ist, lässt sich nicht so einfach klären. Aus physikalischer Sicht weiss man, dass Licht eine sehr komplizierte Erscheinung ist. Licht kann manchmal einfach als Geraden im geometrischen Sinne gesehen werden. In anderen Situationen verhält sich Licht wie eine Welle, oder manchmal sogar wie einzelne Teilchen (Photonen). Deshalb arbeitet man mit verschiedenen Modellen. Hier werden wir uns Licht vor allem als Strahlen vorstellen. Dieses Modell heisst Strahlenoptik. Ein Lichtstrahl wird im geometrischen Sinne als Gerade betrachtet. Ein Laserstrahl kommt dem Modell des Lichtstrahls sehr nahe. 2

4 3

5 Stiftsschule Engelberg Physik / Modul Optik 2./3. OG Schuljahr 2016/2017 Lichtausbreitung Die Entstehung von Licht: Lichtquellen Physikalische K orper kann man in selbstleuchtende und beleuchtete unterteilen. Selbstleuchtende K orper Selbstleuchtende K orper oder Lichtquellen sind K orper, welche Licht aussenden (emittieren). Siehe Tabelle n achste Seite. Nicht selbstleuchtende K orper Nicht selbstleuchtende K orper werden erst dann sichtbar, wenn sie mit einer Lichtquelle beleuchtet werden. Wirft ein beleuchteter K orper einen grossen Teil des eintreffenden Lichts zur uck, so erscheint er hell, wirft er nur wenig zur uck, so erscheint er dunkel. Licht kann also von einem K orper zur uckgeworfen (reflektiert) oder absorbiert werden. 4

6 Lichtquelle Wie wird das Licht erzeugt? 5

7 1.2 Der Lichtstrahl Lichtquellen strahlen in der Regel in alle Richtungen (Sonne, Glühlampe,...). Oft ist es von Vorteil, wenn man sich Licht als Lichtstrahlen vorstellt. Man erhält einen Lichtstrahl, indem man die von einer Punktlichtquelle ausgehende Strahlung mit einer Lochblende seitlich begrenzt. Dieses Lichtbündel wird umso enger, je kleiner das Loch in der Blende gemacht wird. Macht man das Loch allerdings kleiner als etwa 1 mm, so treten sog. Beugungserscheinungen auf und der Strahl wird wieder breiter. Diese Erscheinung kann mit der geometrischen Optik (Strahlenoptik), welche wir in diesem Kapitel behandeln, nicht erklärt werden. Sie beruht auf Welleneigenschaften des Lichts. Ein Lichtbündel, das man durch Ausblenden erhält, ist natürlich kein Strahl im mathematisch strengen Sinne. Es stellt lediglich die Annäherung eines mathematischen Strahls dar. Eine wichtige Eigenschaft ist die geradlinige Ausbreitung des Lichts. Erst diese Eigenschaft des Lichts gibt uns eigentlich die Berechtigung von Lichtstrahlen zu sprechen. 1.3 Die Ausbreitung des Lichts Prinzip 1 Geradlinige Ausbreitung: geradlinig aus. Im Vakuum und in homogenen Medien breitet sich das Licht In inhomogenen Medien breitet sich das Licht nicht geradlinig aus. Ein Beispiel für ein optisch inhomogenes (nicht homogenes) Medium ist die Erdatmosphäre, welche unten dichter ist als in grösserer Höhe. Dies hat zur Folge, dass sich ein von einem Stern ausgehender Lichtstrahl auf einer leicht gekrümmten Bahn durch die Lufthülle fortpflanzt. Dieser Effekt ist in der nebenstehenden Figur skizziert. Sie zeigt (stark übertrieben) den Weg eines Lichtstrahls durch die Erdatmosphäre. 6

8 Vertauscht man Lichtquelle und Beobachter, so bleibt der Lichtweg derselbe, d.h.: Prinzip 2 Umkehrbarkeit des Lichtweges: Der Lichtweg ist umkehrbar. 1.4 Wie sehen wir? In welcher der Skizzen wird der Sehvorgang richtig dargestellt? 1.5 Die Lichtgeschwindigkeit ist endlich Im Altertum glaubte man, dass sich Licht unendlich schnell fortpflanzt. Erst G. Galilei hat vermutet, dass Licht zu seiner Ausbreitung eine bestimmte Zeit braucht Erste Messung der Lichtgeschwindigkeit Dem Dänen Olaf Römer ( ) ist es als erstem gelungen, näherungsweise diejenige Zeit zu bestimmen, die das Licht zum Durchlaufen einer bestimmten Strecke benötigt. Die Methode Römers zur Messung der Lichtgeschwindigkeit ging von der Beobachtung eines Mondes des Planeten Jupiter aus. Man kann von der Erde aus beobachten, wie dieser Mond bei seinem Umlauf auf- und untergeht, d.h. aus dem Jupiterschatten auftaucht und nach einiger Zeit wieder eintaucht. Die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Untergängen (Verfinsterungen) oder Aufgängen kann man leicht messen. Römer hat diese Zeit im Januar und im Juli gemessen und festgestellt, dass es zwischen den gemessenen Zeiten eine Differenz gibt. Diese Differenz konnte nur einen Grund haben: 7

9 Das Licht vom Jupitermond legt in der Stellung E 2 einen kürzeren Weg zurück. Zum Durchlaufen dieser Strecke benötigt das Licht offensichtlich eine bestimmt Zeit. Daraus lässt sich die Lichtgeschwindigkeit berechnen Heutiger Wert der Lichtgeschwindigkeit Heute kennt man viel exaktere Methoden zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit. Der aktuelle Wert beträgt: c = ( ± 1.2) m s Aufgaben 1. Link: Studiere Der Vorschlag von Galilei Die astronomische Methode von Römer Die moderne Laufzeitmethode 1.6 Die Lochkamera oder Camera Obscura: eine erste Anwendung Eine mit einer Lampe hell beleuchtete F-förmige Blende befindet sich vor einer Lochblende; hinter der Lochblende ist eine Mattscheibe (Schirm) angeordnet (siehe Figur). Auf dem Schirm entsteht eine Abbildung (optisches Bild) der F-Blende. Das Bild ist umgekehrt, seitenvertauscht und je nach Abstandsverhältnis vergrössert oder verkleinert. Vergrössert man das Loch der Blende, so wird das Bild zwar heller aber unschärfer. Begründe dies! 8

10 Verändert man den Abstand der F-Blende oder der Mattscheibe von der Lochblende, so verändert sich die Grösse des Bildes. Diese kann auf einfache Weise berechnet werden, wenn man die Abstände von F-Blende und Schirm von der Lochblende sowie die Grösse der F-Blende kennt. Die nebenstehende Figur zeigt die Abbildung einer leuchtenden Strecke (Gegenstand G) mit einer Lochkamera: Da die beiden schraffierten Dreiecke ähnlich sind (d.h. drei gleich grosse Winkel haben), gilt B G = b g Dies ist das Abbildungsgesetz der Lochkamera. Bemerkungen: Im Bereich des Lochs einer Lochkamera kreuzen sich zahlreiche Lichtstrahlen, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Daher ist die Bildkonstruktion so einfach. Das optische Bild, das mit einer Lochkamera erzeugt wird, kann mit einer Mattscheibe aufgefangen werden. Solche Bilder heissen reelle (wirkliche) Bilder. Gegenüber allen anderen Kameras (mit Linsen) hat die Lochkamera den Vorteil, dass sie völlig unverzerrte Bilder liefert. Allerdings sind die Bilder nie ganz scharf und lichtschwach. Experiment 1 (Wie funktioniert eine Lochkamera?). Seiten Aufgaben 2. Der Baum habe eine Höhe von 15 m, er ist 20 m von Loch der Kamera entfernt. Wie muss man die Entfernung b zwischen Loch und Mattscheibe (Höhe h = 20 cm) wählen, damit der Baum die Mattscheibe in der Höhe ganz ausfüllt? 9

11 1.7 Schatten Wie muss eine Lichtquelle beschaffen sein, damit sie von deiner Hand oder irgend einem Gegenstand ein möglichst scharfes Schattenbild erzeugt? Schatten bei einer punktförmigen Lichtquelle Beleuchtest du wie in der Abbildung mit einer punktförmigen Lichtquelle (z.b. einer Kerze) einen Schirm und stellst zwischen Lichtquelle und Schirm einen undurchsichtigen Gegenstand, so entsteht hinter diesem Hindernis ein lichtfreier Raum. Man bezeichnet diesen unbelichteten Bereich als Schatten des Gegenstandes. Aufgrund der geradlinigen Lichtausbreitung siehst du auf dem Schirm als Schatten die vergrösserten Umrisse des undurchsichtigen Gegenstandes. Blickst du vom Schatten in Richtung der Kerze, so kannst du diese nicht sehen. Von allen anderen Punkten des Schirms aus ist die Kerze sichtbar. In der Ansicht von oben oder von der Seite vereinfacht sich die Darstellung. Beachte die neu definierten Grössen. Für das Verhältnis von Bildgrösse zu Gegenstandsgrösse gilt (Strahlensatz) B G = b g 10

12 mit dem Verhältnis von Bildweite zu Gegenstandsweite. Man kann auch den Vergrösserungsfaktor v angeben (er soll angeben, um welches Vielfache das Schattenbild grösser ist als der Gegenstand): v = B G = b g Schatten bei zwei punktförmigen Lichtquellen Beleuchtest du wie in der Abbildung den Gegenstand mit zwei punktförmigen Lichtquellen, so gelangt z.b. das Licht von der linken Kerze teilweise in den Schatten der rechten Kerze. Es entsteht ein sogenannter Teillichtbereich oder Halbschatten. Blickst du vom Halbschatten aus in Richtung der Kerzen, so kannst du nur eine Kerze sehen. Stellst du die Kerzen nahe genug aneinander, so gibt es einen Bereich in den weder Licht von der linken noch Licht von der rechten Kerze dringt. Man nennt diesen Bereich den Kernschatten. Blickst du vom Kernschatten aus in Richtung der Kerzen, so kannst du keine der beiden Kerzen sehen. Schatten bei einer ausgedehnten Lichtquelle Beleuchtest du den Gegenstand mit einer ausgedehnten Lichtquelle, so gibt es einen fliessenden Übergang zwischen dem Kernschatten und den ganzen hellen Bereichen. Man spricht vom sogenannten Übergangsschatten. 11

13 Experiment 2 (Wo Licht ist, ist auch Schatten!). Seiten Lösungen Aus h b = folgt b = 20 h 15 = 26.67cm 12

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