Lichtquellen Körper die selbst Licht erzeugen, nennt man Lichtquellen. Die meisten Lichtquellen sind glühende Körper mit hoher Temperatur.

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1 PS - OPTIK P. Redulić 2007 LICHT STRAHLENOPTIK LICHT. Lichtquelle ud beleuchtete Körper Sichtbare Körper sede teilweise Licht aus, teilweise reflektiere sie aber auch das auf sie fallede Licht. Lichtquelle Körper die selbst Licht erzeuge, et ma Lichtquelle. Die meiste Lichtquelle sid glühede Körper mit hoher Temperatur. Usere Soe ist für die Erde ei wichtiger Eergie- ud Licht lieferat. Beleuchtete Körper Die Kerzeflamme besteht aus heiße, glühede Abgase. Ei stromdurchflosseer, glüheder Draht strahlt Licht aus (hier: Glühwedel eier Lampe). Körper, die kei Licht selbst erzeuge, soder ur auftreffedes Licht reflektiere, et ma beleuchtete Körper. Der Mod ud die Plaete (rechts: Satur, aufgeomme vo der Raumsode Voyager 2, August 98) sid vo der Soe beleuchtete Körper. Ohe Soe wäre sie für us usichtbar. Alle sichtbare Körper, die keie Lichtquelle sid, sid beleuchtete Körper..2 Ausbreitug des Lichts Vo eier Lichtquelle aus breitet sich Licht geradliig ud ach alle Seite aus. Licht breitet sich geradliig i alle Richtuge des Raums aus.

2 PS - OPTIK P. Redulić 2007 LICHT 2.2. Lichtgeschwidigkeit Die Geschwidigkeit, mit der sich das Licht ausbreitet, wird als Lichtgeschwidigkeit bezeichet. Die Lichtgeschwidigkeit ist stoffabhägig. Sie ist i materielle Medie kleier als im Vakuum (Vakuumlichtgeschwidigkeit c ,458 km/s). Medium Lichtgeschwidigkeit i km/s Luft Wasser Ethaol Quarzglas Plexiglas Kroglas Flitglas Diamat Tab. Lichtgeschwidigkeit i uterschiedliche Medie Die Vakuumlichtgeschwidigkeit ud die Lichtgeschwidigkeit i Luft werde oft gleichgesetzt mit c c km/s m/s..2.2 Schatte Hiter beleuchtete, lichtudurchlässige Körper ka kei Licht gelage. Es bilde sich dukle Gebiete aus, die ma als Schatte bezeichet. Bei mehrere puktförmige Lichtquelle oder eier ausgedehter Lichtquelle (z.b. Leuchtstoffröhre) etstehe uterschiedliche Schatte. Das Gebiet, das vom Licht keier Lichtquelle erreicht wird et ma Kerschatte. Die Gebiete, die vom Licht eier puktförmige Lichtquelle oder Teile eier ausgedehte Lichtquelle erreicht werde heiße Halbschatte. Lampe lichtudurchlässiger Körper Halbschatte heller Schirm (vo L ud L2 beleuchtet) vo L beleuchteter Schirm) Kerschatte dukler Schirm Lampe 2 Halbschatte vo L2 beleuchteter Schirm heller Schirm (vo L ud L2 beleuchtet)

3 PS - OPTIK P. Redulić 2007 LICHT 3.3 Reflexio des Lichts.3. Reflexiosgesetz am ebee Spiegel Trifft Licht auf die Oberfläche eies Spiegels (ebee, polierte Oberfläche), so wird es reflektiert (zurückgeworfe). Dafür gilt das Reflexiosgesetz. eifalleder Lichtstrahl Lot reflektierter Lichtstrahl We Licht a eiem Spiegel reflektiert wird, so ist der Eifallswikel α gleich dem Reflexioswikel α : α α' α α Spiegel Dabei liege eifalleder Lichtstrahl, Eifallslot ud reflektierter Lichtstrahl i eier Ebee. Das Reflexiosgesetz gilt auch für beliebige Oberfläche. Es köe jedoch Besoderheite auftrete..3.2 Reguläre ud diffuse Reflexio Reguläre Reflexio Diffuse Reflexio Die reguläre Reflexio tritt a glatte Oberfläche wie Spiegel oder Wasseroberfläche auf. Das Licht wird dabei i eie Richtug reflektiert. Die diffuse Reflexio tritt a raue Fläche auf. Hier wird das Licht i die uterschiedlichste Richtuge reflektiert..4 Aufgabe.4. Lichtgeschwidigkeit Die Etferug der Erde zum Mod beträgt im Durchschitt km, die zur Soe km. Wie lage braucht das Licht jeweils zur Erde?.4.2 Spiegel Ei Lichtstrahl trifft sekrecht auf eie Spiegel. a. Bestimme de Reflexioswikel ud beschreibe, wie das Licht reflektiert wird! b. Um wie viel muss der Spiegel gedreht werde, damit der Strahl um 90 abgelekt wird? Fertige dazu auch eie Zeichug a!.4.3 Modfisteris ud Soefisteris Erkläre kurz, wie eie Modfisteris ud eie Soefisteris zustade kommt! Wie müsse die 3 Himmelskörper jeweils ageordet sei?

4 PS - OPTIK P. Redulić 2007 BRECHUNG DES LICHTS 4 2 BRECHUNG DES LICHTS 2. Brechugsidex Der Brechugsidex (auch Brechzahl) eies Mediums ist defiiert als der Quotiet aus der Vakuum-Lichtgeschwidigkeit c 0 ud der Lichtgeschwidigkeit c im Medium c0 c Da die Lichtgeschwidigkeit i materielle Medie kleier ist als die Vakuum- Lichtgeschwidigkeit, ist der Brechugsidex immer größer als ( > ). Beispiele: Luft km/s km/s , 00, Wasser, km/s km/s Der Brechugsidex hägt ab: vo der Farbe ( Frequez oder Welleläge) des Lichts. Die Brechzahl für violettes Licht ist größer als die für rotes Licht, vo der Temperatur des Mediums (warme Luft hat z.b. eie kleiere Brechzahl als kalte Luft). Abb. - Farbspektrum Medium Lichtgeschwidigkeit i km/s Brechugsidex Luft , Wasser ,33 Ethaol ,37 Quarzglas ,46 Plexiglas ,49 Kroglas ,5 Flitglas ,60 Diamat ,42 Tab. 2 Brechugsidex uterschiedlicher Stoffe 2.2 Optische Dichte Zwei Medie uterscheide sich durch ihre optische Dichte. We der Brechugsidex vom Medium größer ist als der Brechugsidex vom Medium 2 ( > 2 ), da sagt ma, dass das Medium das optisch dichtere Medium ist. Die Lichtgeschwidigkeit ist da i diesem Medium geriger als im Medium 2 ( c < c2 ).

5 PS - OPTIK P. Redulić 2007 BRECHUNG DES LICHTS Das Brechugsgesetz Trifft ei Lichtstrahl auf die Trefläche zwische zwei Medie, so wird ei Teil des Lichts ach dem Reflexiosgesetz i dem Medium reflektiert ud ei Teil drigt i das Medium 2 ei. Der eidrigede Lichtstrahl verädert beim Übergag vom Medium is Medium 2 seie Ausbreitugsrichtug; er wird gebroche. Dieser Vorgag wird Brechug des Lichts oder Refraktio des Lichts geat. Der Eifallswikel α ist der Wikel zwische Lot ud eifalledem Lichtstrahl. Als Brechugswikel β bezeichet ma de Wikel zwische Lot ud gebrocheem Lichtstrahl. Das Lot steht sekrecht zur Grezfläche. eifalleder Lichtstrahl Medium Grezfläche Medium 2 α Lot α' β reflektierter Lichtstrahl 2 gebrocheer Lichtstrahl Abb. 2 Brechug des Lichts 2.3. Experimetelle Herleitug des Brechugsgesetzes Beim Übergag Luft Plexiglas wird für uterschiedliche Eifallswikel der dazugehörige Brechugswikel gemesse. Die Messwerte werde i eie Tabelle eigetrage. Zur Auswertug werde die Größe si α ud si β sowie dere Quotiet berechet. Die Tabelle zeigt, dass der Quotiet si α / si β kostat ist. Die Größe si α ud si β sid daher proportioal zueiader. Desweitere ka ma feststelle, dass de siα si β 2,49 2 Plexiglas Luft,49 α i β i si α si β si α / si β 0 0 0,000 0, ,342 0,225, ,643 0,438, ,866 0,588, ,940 0,643, ,985 0,669, ,996 0,682, , Tab. 3 Messwerte zur experimetelle Herleitug Formulierug des Brechugsgesetzes si α si β oder siα 2 si β (Brechugsgesetz ach Sellius) 2 Mit: α Eifallswikel im Medium β Brechugswikel im Medium 2 Brechugsidex vom Medium 2 Brechugsidex vom Medium 2

6 PS - OPTIK P. Redulić 2007 BRECHUNG DES LICHTS Diskussio Je achdem ob ei Lichtstrahl vom optisch düere i das optisch dichtere Medium übergeht oder umgekehrt, uterscheidet ma die folgede 2 Fälle: Übergag vom optisch düere i das optisch dichtere Medium (z.b vo Luft ach Wasser) Übergag vom optisch dichtere i das optisch düere Medium (z.b vo Wasser ach Luft) α α (z.b. Luft) (z.b. Wasser) (z.b. Wasser) 2 (z.b. Luft) 2 β β < 2 α > β Der Strahl wird zum Lot hi gebroche. > 2 α < β Der Strahl wird vom Lot weg gebroche. Ei Strahl der sekrecht auf die Grezfläche auftrifft wird icht gebroche. 2.4 Totalreflexio Beim Übergag vom optisch dichtere i das optisch düere Medium beobachtet ma bei icht zu großem Eifallswikel β a der Grezfläche wiederum die Aufteilug des Strahls i eie gebrochee ud reflektierte Strahl, die dem Reflexios- bzw. dem Brechugsgesetz folge. α 2 Grezstrahl (z.b. Luft) (z.b. Wasser) β β G β β < 2 totalreflektierter Strahl Abb. 3 Lichtquelle uter Wasser Lichtquelle Abb. 4 - Totalreflektio Beim Eitritt vom dichtere i das düere Medium wird der Strahl vom Lot weg gebroche. Bei α 90 erreicht er seie Maximalwert ud der austretede Strahl läuft tagetial zur Grezfläche. Der zugehörige Eifallswikel heißt Grezwikel β G. Wird er überschritte, so beobachtet ma eie vollstädige Reflexio des Lichtstrahls, die de Name Totalreflexio trägt. I diesem Fall ka der eifallede Lichtstrahl icht aus dem optisch dichtere i das optisch düere Medium austrete. I diesem Fall gilt das Reflexiosgesetz ( β β' ).

7 PS - OPTIK P. Redulić 2007 BRECHUNG DES LICHTS Bestimmug des Grezwikels Für de Grezfall hat der Brechugswikel eie Wert vo α 90 (im düere Medium). I diesem Fall etspricht der Eifallswikel β (im dichtere Medium) dem Grezwikel β G ( β βg ). Das Brechugsgesetz ka folgedermaße ageschriebe werde: 2 si β G si si β G Der Grezwikel, ab dem beim Übergag vom optisch dichtere i das optisch düere Medium Totalreflexio eitritt, wird daher ach der folgede Formel berechet: 2 β G Arcsi 2 Es gilt < 2 2 de < 2. ( ist die Brechzahl des optisch düere Mediums, z.b Luft, ist die Brechzahl des optisch dichtere Mediums z.b. Wasser) Beispiel: Übergag Wasser Luft Luft Grezwikel für de Übergag Wasser Luft: β G Arcsi Arcsi 48, 8 Wasser 33, Techische Awedug: das Glasfaserkabel Die Totalreflexio vo Licht wird bei Glasfaserkabel geutzt, die zur optische Iformatiosübertragug eigesetzt werde. Glasfaserkabel bestehe aus eiem Ker aus klarem Glas oder Kuststoff, der vo eiem Matel aus eiem optisch düere Medium umgebe ist. Dadurch wird erreicht, dass das Licht a de Räder total reflektiert wird ud somit i der Glasfaser verbleibt ud weitergeleitet wird. I der Medizi werde biegsame Glasfaserkabel i Edoskope verwedet, um Licht is Körperiere ud umgekehrt Bilder aus dem Körper ach auße zu beförder.

8 PS - OPTIK P. Redulić 2007 BRECHUNG DES LICHTS Das Prisma Prisme sid Körper aus lichtdurchlässige Stoffe, die vo zwei sich scheidede Ebee begrezt sid. Die Schittkate dieser beide Ebee wird Brechugskate oder brechede Kate geat. Der Wikel γ a der brechede Kate wird brecheder Wikel oder Prismewikel geat Strahlegag beim Prisma Trifft ei moochromatischer Lichtstrahl auf eie Seite eies Prismas, so wird er im Regelfall zweimal gebroche ud tritt somit auf der zweite Seite i eie eue Richtug aus. Isgesamt wird das Licht durch die zweimalige Brechug stärker abgelekt als bei eimaliger Brechug. Der Wikel zwische de Richtuge des eifallede Lichtstrahles ud des austretede Lichtstrahles wird Ablekugswikel δ geat. Moochromatisches Licht ist Licht eier eizige Welleläge, das heißt Licht eier eizige Farbe (siehe auch Tab. 4 Zugehörigkeit vo Farbe ud Welleläge). Brechugskate δ weißes Licht γ Farbspektrum Abb. 5 Lichtbrechug am Prisma Farbzerlegug des Lichts Die Abbildug (Abb. 5) zeigt, dass weißes Licht beim Durchgag durch das Prisma aufgefächert ud dabei i farbige Bestadteile zerlegt wird. Weißes Licht ist aus farbige Ateile zusammegesetzt. Diese Ateile köe mithilfe eies Prismas voeiader getret werde. Das etstehede Farbbad heißt Spektrum (siehe auch Abb. - Farbspektrum). Die Zerlegug des Lichts am Prisma kommt dadurch zustade, dass violettes Licht stärker gebroche wird als rotes das heißt, dass die Brechzahl für violettes Licht größer ist als für rotes Licht (siehe auch 2. Brechugsidex). Ursache dafür ist, dass die Lichtgeschwidigkeit, ud somit auch die Brechzahl vo der Farbe abhägt (siehe Tab. 5) Welleläge Ultraviolett Violett Blau Grü Gelb Orage Rot Ifrarot m m m m m m Tab. 4 Zugehörigkeit vo Farbe ud Welleläge m 0,75-00 µm

9 PS - OPTIK P. Redulić 2007 BRECHUNG DES LICHTS Lichtgeschwidigkeit i km/s für verschiedee Farbe Awedug für Prisme Umlekprisme Medium Kroglas Wasser Rot Orage Gelb Grü Blau Violett Tab. 5 - Lichtgeschwidigkeit i uterschiedliche Medie Prisme, bei dee das Licht i eie adere Richtug gelekt wird, et ma Umlekprisme. Durch zweifache Brechug erfolgt eie Umlekug des Lichts Umkehrprisme Durch Totalreflexio wird das Licht um 90 umgelekt. Prisme, bei dee die Lage vo eifallede ud reflektierte Strahle gerade umgekehrt wird, et ma Umkehrprisme. Durch zweifache Totalreflexio erfolgt eie Umkehrug des Lichts. Durch zweifache Brechug ud Totalreflexio erfolgt eie Umkehrug des Lichts. 2.6 Aufgabe 2.6. Brechug Licht trifft uter eiem Wikel vo 40 auf Wasser, Glas bzw. Diamat. Gib die Brechugswikel i de eizele Medie a!

10 PS - OPTIK P. Redulić 2007 BRECHUNG DES LICHTS Prisma Ei Lichtstrahl trifft vo Luft kommed auf ei gleichseitiges Prisma aus Flitglas (siehe Figur). Bereche die Ablekuge a beide Grezfläche! Wie groß ist die Gesamtablekug? Plaparallele Platte Kostruiere ud bereche die seitliche Verschiebug beim Blick durch eie cm dicke Glasplatte! Der Eifallswikel des Lichts soll 70 betrage Lichtstrahl im Aquarium Ei schmales Lichtbüdel trifft die Wasseroberfläche eies Aquariums uter dem Eifallswikel vo 45. Ei Teil des Lichts wird a der Oberfläche reflektiert. Der gebrochee Lichtstrahl fällt auf de Bode des Aquariums, trifft dort auf eie horizotal liegede Spiegel, wird zurück zur Oberfläche reflektiert ud a der Grezfläche zur Luft gebroche. c. Wie groß ist der Wikel zwische dem eifallede Strahl ud der Richtug, uter der das Licht die Wasseroberfläche wieder verlässt? d. We das Wasser 5cm tief ist, wie groß ist da der Abstad zwische de beide Pukte, i welche der eifallede ud der reflektierte Lichtstrahl durch die Wasseroberfläche stoße? e. Bestimme de Abstad zwische beide parallel austretede Lichtstrahle! Totalreflexio im Glasfaserkabel 2 Welche Brechzahl muss ei zylidrisches, vo Luft umgebees Glasfaserkabel midestes habe, damit alle durch seie Stirfläche eitretede Strahle durch Totalreflexio weitergeleitet werde? Luft β G Glasfaserkabel Glasprisma Ei Glasprisma aus Flitglas ist vo Luft umgebe. Sei brecheder Wikel beträgt 60. a. Uter welchem Wikel muss der Lichtstrahl für symmetrische Durchgag auffalle, ud wie groß ist da die Ablekug? b. Uter welchem Wikel muss der Lichtstrahl auffalle, damit er streifed aus dem Prisma tritt? * c. Was geschieht, we der Eifallswikel och kleier wird? *