Der gebrochene Lichtstrahl

Transkript

1 Der gebrochene Lichtstrahl L.W. TARASSOW und A.N.TARASSOWA Mit 120 Abbildungen LEIPZIC Verlag MIR, Moskau BSB B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig 1988

2 Kleine Naturwissenschaftliche Bibliothek. Band 63 ISSN X Autoren: Professor Lew Wassiljewitsch Tarassow, Lehrstuhlinhaber an der Moskauer pädagogischen Hochschule Oberlehrer Albina Nikolajewna Tarassowa, Moskauer Forschungsinstitut rur elektronischen Maschinenbau Titel der Originalausgabe: EeCe,L\bI 0 npejiomjiehhh CBeTa Verlag NAUKA, Moskau 1982 Deutsche übersetzung: Dr. Helfried und Natalja Börner, Leipzig Wissenschaftliche Redaktion: Oberlehrer Siegfried Anders, Leipzig Tarasov, Lev Vasil'evic: Der gebrochene Lichtstrahl/Lew Wassiljewitsch Tarassow; Albina Nikolajewna Tarassowa. [Dt. übers.: Helfried Börner].-1. Aufl.-Moskau: Mir; Leipzig: BSB Teubner, S. 168: 120 Abb., I Tab. (Kleine Naturwissenschaftliche Bibliothek; 63) EST: Besedy 0 prelomlenii sveta < dt. > NE: Tarasova, Albina Nikolaevna: GT ISBN ISBN (ebook) DOI / Gemeinschaftsausgabe des Verlages MIR, Moskau, und des BSB B. G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig 113,L\areJIbCTBO «HaYKa», 1982 Verlag MIR, Moskau, und BSB B. G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig, Auflage VLN /91/88.LSV 1169 Lektor: Dipl.-Met. Christine Dietrich Best.-Nr

3 Vorwort zur russischen Ausgabe Warum ändert sich die Richtung eines Lichtstrahls an der Grenze zweier verschiedener Medien? Warum scheint die untergehende Sonne in der Vertikalen abgeflacht zu sein? Warum entstehen Luftspiegelungen? Warum zerlegt ein Prisma das Sonnenlicht in verschiedene Farben? Wie berechnet man die Winkelabmessungen eines Regenbogens? Warum erscheinen uns feme Gegenstände bei ihrer Betrachtung durch ein Galileisches Fernrohr als nah? Wie ist das menschliche Auge aufgebaut? Warum spaltet sich ein Lichtstrahl beim Eintritt in einen Kristall in zwei Strahlen auf? Kann man die Polarisationsebene drehen? Kann man Lichtstrahlen beliebig krümmen? Kann man die Brechzahl steuern? Auf diese Fragen findet der Leser Antwort in diesem Buch. Dabei erfahrt er, wie das Gesetz der Lichtbrechung entdeckt wurde, wie die Newtonsche Theorie der Lichtrefraktion in der Atmosphäre beinahe für immer verlorengegangen wäre, wie dank der Versuche von Newton die jahrhundertealten Vorstellungen über die Entstehung der Farben zerstört wurden, wie das Fernrohr erfunden wurde, wie sich schrittweise, im Verlaufe von 20 Jahrhunderten, die Vorstellungen über den Mechanismus des menschlichen Auges herausbildeten, wie problematisch die Entdeckung der Polarisation des Lichtes verlief. Um die physikalischen und historischen Aspekte besser im Zusammenhang darzustellen, führen die Autoren im Text speziell ausgewählte Aufgaben (mit ausführlichen Lösungen), geometrische Konstruktionen und optische Schemata konkreter Geräte und Anlagen an. Zweifellos nimmt der Leser die Auszüge aus den klassischen Arbeiten der Begründer der physikalischen Optik (z. B. "Lectiones Opticae" von Newton oder "Traite de la Lumiere" ("Traktat über das Licht") von Huygens) anders auf, nachdem diese Auszüge mit Hilfe von Schemata, Konstruktionen und konkreten Aufgaben "dechiffriert" wurden. Auf diese Weise macht sich der Leser bei seiner Reise durch die Welt der sich brechenden Lichtstrahlen nicht nur mit dem physikalischen Wesen der behandelten Fragen bekannt, sondern auch mit der historischen Entwicklung der physikalischen Erkenntnis und mit ihrer praktischen Verkörperung in Aufgaben, Konstruktionen und optischen Schemata. Das alles führt dazu, so hoffen die Autoren, daß die Reise unterhaltsam und nützlich sein wird. Die Autoren 3

4 Inhalt 1. Was geschieht mit Lichtstrahlen an der Grenze zweier Medien? Ein Ring auf dem Boden eines Gefäßes mit Wasser Die Versuche von Ptolemäus Formulierung des Brechungsgesetzes durch Snellius Erklärung des Brechungsgesetzes durch Descartes; der Fehler von Descartes Das Huygenssche Prinzip Das Huygenssche Prinzip und das Brechungsgesetz Das Fermatsche Prinzip (Prinzip der kürzesten Ankunft) 17 e8. Herleitung des Brechungsgesetzes aus dem Fermatschen Prinzip Anwendung des Fermatschen Prinzips Innere Totalreflexion des Lichtes; Reflexionsgrenzwinkel Graphische Methode der Konstruktion der gebrochenen Strahlen Die Wawilow-Tscherenkow-Strahlung und die Gesetze der Lichtbrechung und der Lichtreflexion Zu welchen optischen Täuschungen führt die Lichtbrechung in der Erdatmosphäre? Die atmosphärische Lichtbrechung (Refraktion); der Brechungs- (Refraktions-) winkel Frühere Vorstellungen über die Refraktion in der Atmosphäre Die Refraktion nach Kepler Rekonstruktion der Newtonschen Refraktionstheorie nach seinem Briefwechsel mit Flamsteed Exponentialgesetz der Abnahme der Dichte der Atmosphäre mit der Höhe Eigentümlichkeiten bei Sonnenuntergängen; Entstehung von "blinden Streifen" Das Flimmern der Sterne Die Krümmung des Lichtstrahls in einem optisch inhomogenen Medium Luftspiegelungen Wie verläuft ein Lichtstrahl durch ein Prisma? Brechung von Lichtstrahlen im Prisma; Ablenkwinkel Symmetrischer und unsymmetrischer Strahlengang im Prisma Refraktometer Entstehung von Doppelabbildungen entfernter Gegenstände im Fensterglas Reflexionsprismen Das Lummer-Brodhun-Fotometer Das Reflexionsprisma anstelle des Reflexionsspiegels in Laserresonatoren Doppelprisma 58 4

5 4. Warum zerlegt ein Prisma das Sonnenlicht in verschiedene Farben? Die Dispersion des Lichtes Die ersten Versuche mit Prismen; Vorstellungen über die Ursachen der Farbentstehung vor Newton Newtons Versuche mit Prismen; die Newtonsche Theorie der Farbentstehung Werke von Euler; Zuordnung von verschiedenen Wellenlängen zu den Farben Entdeckung der anomalen Lichtdispersion ; Experimente von Kundt Bemerkungen zu Reflexionsprismen Dispersionsprismen; Winkeldispersion Spektralgeräte: Monochromatoren und Spektrometer; Fuchs- Wadsworth-Schema Goethe gegen Newton Wie entsteht ein Regenbogen? Der Regenbogen in den Augen eines aufmerksamen Beobachters Entwicklung der physikalischen Vorstellungen über die Entstehung von Regenbogen - von Fleischer, de Dominis und Descartes bis Newton Erklärung der Entstehung eines Regenbogens in Newtons "Lectiones Opticae" Strahlengang im Regentropfen Der maximale Winkel zwischen dem auf den Regentropfen auftreffenden und dem aus ihm heraustretenden Strahl Wechsel der Farben im Primär- und Sekundärregenbogen Regenbogen auf anderen Planeten Entstehung von Halos; Halo und Regenbogen Wie erhält man optische Abbildungen? Abbildung in einer Lochkamera Abbildung im Linsensystem Herleitung der Formel für eine dünne Linse aus dem Fermatschen Prinzip Sphärische und chromatische Aberration lot 6.5. Reelle und imaginäre Abbildungen Sammellinsen und Streulinsen Die Linse im optisch dichten Medium Aus der frühen Geschichte der Entwicklung von Linsensystemen Erfindung des Fernrohrs Strahlengang im Galileischen Fernrohr; Winkelvergrößerung Astronomische Beobachtungen Galileis "Dioptrice" von Kepler und nachfolgende Arbeiten Achromatische Linsen nach Dollond Zonenplatte nach Fresnel Wie ist ein Auge aufgebaut? Zwei Gruppen von optischen Geräten Aufbau und optisches System eines menschlichen Auges Das System Lupe-Auge 120 5

6 7.4. Entwicklung der Lehre vom Sehen von Demokrit und Galen bis Alhazen und Leonardo da Vinci Die Gegenüberstellung von Auge und Lochkamera in den Arbeiten von Leonardo da Vinci Kepler über die Rolle der Kristallinse; Young über den Mechanismus der Akkommodation Weitsichtigkeit und Kurzsichtigkeit Das Auge als vollkommene optische Einrichtung Brillen Linsensysteme zur Vergrößerung des Sehwinkels Facettenaugen der Insekten Warum beobachtet man in Kristallen Doppelbrechung des Lichtes? Entdeckung der Doppelbrechung des Lichtes im isländischen Spat durch Bartholinus Der Kristall als optisch anisotropes Medium Erklärung der Doppelbrechung in Huygens' "Traite de la Lumiere"; ordentliche und außerordentliche Lichtwellen Huygenssche Konstruktion; Geschwindigkeit der Lichtwelle und Strahlen geschwindigkeit Die Versuche von Huygens mit zwei Kristallen (an der Schwelle der Entdeckung der Lichtpolarisation) Die Erklärung der Ergebnisse der Huygensschen Experimente durch Newton Forschungen von Malus und Brewster Polarisation des Lichtes Dichroistische Platten und Polarisationsprismen Drehung der Polarisationsebene in einer Halbwellenplatte Was ist Faseroptik? Ein leuchtender Wasserstrahl Lichtstrahlen in gestreckten und gekrümmten zylindrischen Fasern Strahlen in einer konischen Faser Einfluß der Faserkrümmung Optische Differenzfaser Dünne Fasern Übertragung einer optischen Abbildung mit einem Faserbündel Faserbündel zum Ausgleich eines Lichtfeldes Fasersondenröhre in der Hochgeschwindigkeitsfotografie Die Netzhaut des Auges als faseroptisches System Anhang Beeinflussung der Brechungseigenschaften der Stoffe Elektrooptische Ablenkvorrichtungen Kosmische Linsen 166 6