Grundlagen der Optik

Wie sehen wir?

Welche der folgenden Annahmen ist richtig?

  • Schon Pytagoras erkannte, dass das die Augen Strahlen aussenden, die von kalten Gegenständen „zurückgedrängt würden. Mit diesen Strahlen können wir Bilder empfangen (ein „Auge auf etwas werfen“)

oder

  • „Lichtstrahlen“ beleuchten Gegenstände und gelangen so direkt oder indirekt ins Auge. Gegenstände werden von uns also nur gesehen, wenn Licht von ihnen in unser Auge gelangt oder wenn sie angestrahlt werden und dann das reflektierte Licht von ihnen in unser Auge gelangt.

Natürlich hatte Pytagoras hier unrecht. Der Mythos von den Sehstrahlen hielt sich lange. Heute aber wissen wir, dass Lichtstrahlen in das Aue gelangen, die Sinneszellen der Netzhaut reizen und der Sehnerv die Informationen, die das Auge empfängt, an das Gehirn weiterleitet, wo die Bilder beider Augen „verrechnet“ werden und wir somit dreidimensional sehen können!

Eigenschaften des Lichts und Farben

Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen. Bei Lichtwellen ändert sich räumlich und zeitlich periodisch die Stärke des elektrischen und des magnetischen Feldes

Grundregeln der geometrischen Optik:

  1. Licht breitet sich geradlinig aus, solange es sich in einem einzigen Medium bewegt.
  2. Licht kommt von einer Lichtquelle (selbstleuchtend oder angeleuchtet)
  3. Der Lichtkegel einer Lichtquelle besteht aus unendlich vielen, unendlich dicht liegenden Lichtstrahlen
  4. Wo kein Licht ist, ist Schatten
  5. Nur Gegenstände, von denen Licht ins Auge fällt, sind sichtbar
  6. Der Lichtweg ist umkehrbar
  7. Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant, ihr Wert ist materialspezifisch.                       (im Vakuum c = 300000 km/s)

Wellenlänge des Lichts:

Die Farbe des Lichts hängt von seiner Wellenlänge ab. Weißes Licht setzt sich aus allen Farben zusammen. Mit einem Prisma kann man weißes Licht in seine Farbkomponenten aufspalten. Dies geschieht auch bei einem Regenbogen.

Art des Lichts Wellenlänge in nm
Infrarotes Licht 30000-780
Rotes Licht 780-620
Orangefarbenes Licht 620-600
Gelbes Licht 600-570
Grünes Licht 570-490
Blaues Licht 490-430
Violettes Licht 430-390
Ultraviolettes Licht 390-10

…zum Vergleich: Mikrowellen aben eine Wellenlänge von 0,3-300cm!

Lichtbrechung und Reflexion

Aus der Alltagserfahrung wissen wir, das Licht gebrochen werden kann: Fische in einem Aquarium sehen oft „verschoben aus und der Versuch mit der verschwundenen Münze zeit auch die Lichtbrechung ganz eindeutig.

Bei der Lichtbrechung sind Einfallswinkel α und Ausfallswinkel α´verschieden groß.

Der Winkel im optisch dünneren Medium ist größer als der Winkel im optisch dichteren Medium.

Bei der Totalreflexion sind Einfallswinkel und Ausfallswinkel gleich groß.

Linsen und Spiegel

Spiegel

Jede glatte, ebene Fläche (z.B. eine glatte Metallplatte, eine ruhige Wasseroberfläche, eine Fensterscheibe usw.) wirkt wie ein ebener Spiegel.

Das Reflexionsgesetz

Für ebene Spiegel gilt das Reflexionsgesetz: Jeder auftreffende Lichtstrahl verlässt den Spiegel im gleichen Winkel, wie er aufgetroffen ist.

Hohlspiegel bündeln parallel einfallende Strahlen im Brennpunkt. Befindet sich der Gegenstand innerhalb der Brennweite, ist das Spiegelbild aufrecht, scheinbar und vergrößert. Befindet sich der Gegenstand außerhalb der Brennweite, ist das Spiegelbild verkehrt, wirklich und verkleinert. 

Wölbspiegel haben statt des Brennpunktes einen Zerstreuungspunkt, der hinter dem Spiegel liegt.

Der Wölbspiegel liefert aufrechte, scheinbare und verkleinerte Bilder.

Ein polierter Löffel ist je nach Verwendung ein Hohl- oder Wölspiegel- probiere es aus!

Linsen

Linsen bestehen aus zwei gegeneinander gekrümmten optischen Grenzflächen. Dabei sammeln Konvexlinsen    die Lichtbündel (Sammellinsen), während Konkavlinsen diese zerstreuen (Zerstreuungslinsen)

Brennweite, Brennpunkt, Brennebene, Brechkraft

Brennpunkt (F): Bei (dünnen) Linsen sammeln sich alle parallel zur optischen Achse einfallenden Lichtstrahlen in einem Punkt

Brennweite (f): Abstand Mittelebene – Brennpunkt)

 Brennebene: Ebene parallel zur Mittelebene durch den Brennpunkt

Brechkraft:
– Maßeinheit „Dioptrien“ (1 dpt):
Eine Dioptrie ist der Kehrwert der Brennweite gemessen in Metern, z.B. f = 20 cm = 1/5 m => 5 dpt
2 dpt => 1/2 m = 50cm = f
– je größer die Brechkraft, desto größer die Dioptrienzahl.

 Sammellinsen: positive Dioptrienzahl, Streulinse: negative Dioptrienzahl

1.2       Abbildungen durch Linsen:

Für die Bildkonstruktion stehen drei Konstruktionsstrahlen zu Verfügung. Die Strahlen werden näherungsweise nur einmal an der Mittelebene gebrochen:

Mittelpunktsstrahl: geht durch den Mittelpunkt der Linse, wird nicht gebrochen

Achsenparalleler Strahl: verläuft parallel zur optischen Achse

Brennpunktstrahl: geht durch den Brennpunkt

  Abbildung durch Sammellinse:

  1. Ein achsenparalleler Strahl geht nach der Brechung durch den Brennpunkt F‚ und wird zum Brennpunktstrahl.
  2. Der Mittelpunktstrahl geht durch den Mittelpunkt der Linse und wird nicht abgelenkt.
  3. Der Brennpunktstrahl geht durch den Brennpunkt F und verläuft hinter der Linse parallel zur optischen Achse und wird also zum Parallelstrahl.

Abbildung durch Zerstreuungslinse:

Bei der Zerstreuungslinse ist zu beachten, dass die Brennweite negativ ist, also der Brennpunkt, auf den Bezug genommen wird, jeweils auf der anderen Seite der Linse liegt.

  1. Der achsenparallele Strahl verlässt die Linse so, als käme er vom Brennpunkt F‚, wird also zum Brennpunktstrahl.
  2. Der Mittelpunktsstrahl geht durch den Mittelpunkt der Linse, wird nicht abgelenkt und bleibt Mittelpunktstrahl.
  3. Der Brennpunktstrahl geht in Richtung des Brennpunkts F und verläuft hinter der Linse parallel zur optischen Achse und wird zum Parallelstrahl.

Virtuelle und reelle Bilder

Virtuelle Bilder: aufrecht, „seitenverkehrt“, Lage objektseitig, nur vom Betrachter betrachtbar                                     

Reelle Bilder: umgekehrt, seitenrichtig, Lage gegenüber Objekt, Als Bild aufzeichenbar

Abbildungseigenschaften der Sammellinse:

  Linsenabstand g Bildaussehen Bildgröße
fast 0 g<< f aufrecht vergrößert
g = f verschwommen unerkenntlich
f < g < 2f umgekehrt vergrößert
g = 2f umgekehrt Gleich groß
g > 2f umgekehrt verkleinert

Optische Geräte

Lochkamera („Camera obscura“)

Die  Lochkamera  „Camera obscura“ ist ein lichtdichter Kasten mit einem Loch auf der Vorderseite. Auf der Rückwand erscheint ein auf dem Kopf stehendes Abbild von dem, was sich vor der Kamera befindet. Historisch sind Lochkameras schon lange bekannt. So ist beispielsweise eine Konstruktion von Leonardo da Vinci überliefert. Je größer das Loch ist, desto heller, dafür unschärfer wird das Bild.

Lupe und Mikroskop

Eine Lupe (Vergrößerungsglas) ist eine Konvexlinse oder Linsensystem mit kurzer Brennweite, das zur Vergrößerung eingesetzt wird. Mit Hilfe der Lupe wird das beobachtete Objekt im Abstand mindestens der deutlichen Sehweite vergrößert, aufrecht und virtuell abgebildet, wobei die Lupe dicht vor das Auge gehalten wird. Die vergrößernde Wirkung wird umso stärker, je näher das Objekt am Brennpunkt der liegt.

Beim Mikrokop wird mit einer Lupe (hier Okular) das mit einer Lupe vergrößerte Zwischenbild eines sehr kleinen Objekts betrachtet und somit erneut vergrößert. Die Vergrößerung mit der man ein Bild durch das Mikroskop betrachtet errechnet sic durch die Vergrößerung durch das Okular (z.B. 10x) x der Vergrößerung durch das Objektiv (z.B. auch 10x) in diesem Falle wäre die Vergrößerung 10×10, man betrachtet das Bild also mit einer 100fachen Vergrößerung.

Wie wir sehen

Wie wir sehen:

Licht fällt durch die Hornhaut in das Auge, tritt durch die Pupille und gelangt über die Augenlinse und den Glaskörper auf die Netzhaut. Auf der Netzhaut wird das Licht in Nervensignale umgewandelt, die über den Sehnerv zum Gehirn geleitet werden.

Blinder Fleck: Die Stelle, an der der Sehnerv in die Netzhaut eintritt, ist blind. Der Punkt liegt beim rechten Auge rechts im Gesichtsfeld und beim linken Auge links

Weitere elektromagnetische Wellen

Elektromagnetische Wellen sind Wellen aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern. Neben Licht gibt es noch weitere elektromagnetische Wellen: Radiowellen, Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung. Sie unterscheiden sich im wesentlichen durch ihre Wellenlänge und ihre Frequenz.

Mit zunehmender Wellenlänge nimmt die Frequenz  der Stralungsarten ab. Am Anfang des Spektrums der elektromagnetischen Strahlungen findet man die  kurzwelligen, energiereichen Gammastrahlen. Die kurze Wellenlänge dieser Strahlung nimmt atomare Größenordnungen ein- sie haben Wellenlängen unter 10nm! Es folgen Röntgenstrahlen, UV-Licht, sichtbares Licht, Infrarot Strahlung, Mikrowellen. Die längsten Wellenlängen und somit niedrigste Frequenz haben Radiowellen. Für den Menschen sichtbar ist nur sichtbares Licht; Elektromanetisch Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 390-780nm. Kurzwelligeres Licht (Ultraviolett) kann von einigen Insekten wahrgenommen werden. Schlangen können Infrarot Strahlung wahrnehmen.

Silke Geroldinger, 2015

Quellen:

http://www.spektrum.de/lexikon/optik/linse/1885

https://www.leifiphysik.de/optik/optische-linsen

https://www.leifiphysik.de/optik

https://www.planet-wissen.de/natur/sinne/sehen/index.html

Teste Dein Wissen über Optik!

1. Wie lautet das Reflexionsgesetz?

 
 
 
 

2. Wie sehen wir?

 
 

3. Grundregeln der Geometrischen Optik:

 
 
 
 
 
 
 

4. Der Wölbspiegel- welche Aussagen sind richtig?

 

 
 
 
 

5. In welchem Wellenbereich liegt das sichtbare Licht?

 
 
 
 

6. Welche elektromagnetischen Strahlen haben die kürzeste Wellenlänge?

 
 
 
 

7. Der Weg des Lichts durch Linsen wird mit besonderen Strahlen beschrieben. Welche Aussagen treffen auf Mittelpunktsstrahl, Achsenparalleler Strahl und Brennpunktstrahl zu?

 

 
 
 
 

8. Lichtbrechung: Welche Aussagen sind richtig?

 
 
 
 

9. Was ist und wie funktioniert eine „Camera obscura?

 
 
 
 

10. Abbildung durch Sammellinsen- welche Aussagen stimmen:

 
 
 
 

Question 1 of 10

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