Elektromagnetische Wellen und Optik E3/E3p

Transkript

1 Elektromagnetische Wellen und Optik E3/E3p Vorlesung: Mo 8:20-9:50 Do 12:15-13:45 mit Pause Joachim Rädler Bert Nickel Christian Hundschell 1

2 Literatur Skript 2016/17 Th. Udem

3 Geschichte der Optik - geometrische Optik Naturphilosophen im alten Griechenland Hypothesen über das Wesen des Lichts, Platon Sehstrahlen ; Grundlagen der geometrischen Optik, geradlinige Ausbreitung, Reflexionsgesetz, Brechung in Wasser Heron von Alexandria (ca ) Prinzip des kürzesten Weges Ibn Al Haitham Alhazen ( ) Linsen, sphärische Aberration, parabolische Spiegel Abbildung im Auge H. Lippershey ( ) Fernrohr Johannes Kepler ( ) Brechung (kleine Winkel), Fernrohr Galileo Galilei ( ) Erste Anwendung der geom. Optik durch Konstruktion des Fernrohrs (Prioritätsstreit mit Scheiner über Entdeckung der Sonnenflecken) Willebrord Snellius ( ) 1621 Brechungsgesetz (Descartes etwas später)

4 Geschichte der Optik - Wellenlehre Francesco Grimaldi ( ) Beobachtung von Beugung Robert Hooke ( ) Beugung, Interferenzerscheinungen Farberscheinungen von dünnen Blättchen Isaac Newton ( ) 1666: Farbzerlegung von weißem Licht Korpuskulartheorie des Lichtes (bereits von Descartes diskutiert) Erklärung für die Zweiseitigkeit von Licht 1717 Christian Huygens ( ) Wellen im Lichtäther, der alle Körper durchdringt Erklärung der Brechung durch Elementarwellen Wellen waren damals grundsätzlich longitudinale Wellen! Pierre de Fermat ( ) Lichtausbreitung, Brechung (Licht im Medium langsamer)

5 Geschichte der Optik - Wellenlehre Ole Christensen Rømer ( ) Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit aus Verfinsterung der Jupitermonde Etienne Malus ( ) 1808 Polarisation von reflektiertem Licht Thomas Young ( ) Interferenzprinzip, 1801 Erweiterung der Wellentheorie Jean Fresnel ( ) Anhänger der Wellentheorie, Preisschrift 1819, stark mathematisch Elementarwellen und Interferenz (Young) vereinigt Theorie der Transversalwellen L 1 Josef Fraunhofer ( ) Optisches Glas, quantitative Experimente zur Beugung, Beugungsgitter (1821), Wellenoptik wird praktikabel

6 Geschichte der elektromagnetischen Wellen Michael Faraday ( ) Experimente zur magnetischen Induktion 1845 Drehung der Polarisation (Verbindung von Licht und el.-magn Feldern) Hippolyte Fizeau ( ) 1849: erste erdgebundene Messung der Lichtgeschwindigkeit (im Medium) James Clark Maxwell ( ) ca Maxwell Gleichungen; Elektromagnetische Wellen - Licht Heinrich Hertz ( ) 1888: Erzeugung und Nachweis einer elektromagnetischen Welle Michelson ( ) and Morley ( ) 1887: Keine Relativbewegung Äther-Erde Albert Einstein ( ) Spezielle Relativitätstheorie vereinigt Elektromagnetismus und Mechanik

7 Elektromagnetische Wellen Thomas Udem 7

8 Übung Beispiel2.2 Gegeben ist die Funktion ü(r. f ) : exp l-+"*2 - bt2 + +t/ir rt), wobei o und b Konstanten sind. Beschreibt diese Funktion eine Welle? Wenn ja, geben Sie die Geschwindigkeit und die Richtung ihrer Propagation an. Lösung Wir faktorisieren den Ausdruck in der Klammer:,1,@,,t) - exp l-+"1" - tß@d'l. Dies ist eine zweimal differenzierbare Funktion von (r - ul) und somit eine Lösung von Gl. (2.11), d. h., sie beschreibt eine Welle. Für sie gilt u : it/il", und sie propagiert in die positive r-richtung. Aus: Hecht, Optik, Seite 28

9 Mechanische Wellen Tritt eine Störung ξ zum Zeitpunkt t = 0 an der Stelle z = z 0 auf und breitet sich ungedämpft mit der Geschwindigkeit v aus, dann befindet sie sich zum Zeitpunkt t 1 an der Stelle z 1. Þ Þ ξ ist konstant für alle Werte Þ Wellen- Gleichung

10 Wellen Lsg von Wellen- Gleichung - Eine Schwingung, die sich räumlich ausbreitet ist eine Welle. - Eine klassische Welle transportiert Energie aber keine Masse. Jedes Teilchen schwingt an seinem Ort aber bleibt dort gebunden. Transversale Wellen: Longitudinale Wellen:

11 Wellen - Eine Schwingung, die sich räumlich ausbreitet ist eine Welle. - Eine klassische Welle transportiert Energie aber keine Masse. Jedes Teilchen schwingt an seinem Ort aber bleibt dort gebunden. Transversale Wellen: Longitudinale Wellen:

12 Wasserwellen Bewegung des Wassers in der Schwerewelle Dispersion von Wasserwellen