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Physik Optik Zusammenfassung

Physik Optik Definition:


Die Optik, die Wissenschaft vom Licht, ist ein Teilgebiet der Physik und beschäftigt sich mit der Ausbreitung, der Reflexion und Brechung des Lichts.

 

 

Das menschliche Auge – zwei Sammellinsen

 

Optik Modelle:


Man kann die Optik hinsichtlich der Modelle in Strahlenoptik, Wellenoptik und Quantenoptik einteilen. 

Während die Strahlenoptik mit dem Modell Lichtstrahl arbeitet, beschreibt die Wellenoptik optische Erscheinungen mit der Lichtwelle und die Quantenoptik untersucht Licht unter dem Aspekt der Lichtquanten. 

 

Wichtige Teilgebiete der Optik sind:


– Lichtquellen und deren Ausbreitung (natürliche und künstliche Lichtquellen) 

– Ausbreitung von Licht (Lichtgeschwindigkeit, Streuung von Licht)

– Reflexion von Licht (ebene und gekrümmte Spiegel, Reflexion, etc.) 

– Lichtbrechung und Linsensysteme (Sammel- und Zerstreuungslinsen, etc.)

– Lichtmessung (Farbwahrnehmung, Spektralanalyse, Lichttechnische Einheiten, etc. )

– Wellenoptik (Lichtbeugung, Interferenz, etc.) 

– Quantenoptik (Wirkungsweise eines Lasers, Quantencomputer, etc.)

– Optische Geräte (menschliche Auge, Lichtmikroskop, etc.) 

 

Lichtquellen:


Wir unterscheiden zwischen natürlichen und künstlichen Lichtquellen. 

Zu den natürlichen Lichtquellen zählen die Sonne, Fixsterne (weit entfernte Sonnen) und Feuer. 

Künstliche Lichtquellen hingegen sind Lichtquellen, die von Menschen erfunden wurde. 

Angefangen von Kerzen, Öllampen, Glühbirnen, Leuchtstoffröhren bis zu den heutigen Leuchtdioden (LED-Lampen).

Diese selbst leuchtenden Lichtquellen 1. Ordnung sind von den passiven Lichtquellen 2. Ordnung zu unterscheiden. 

Passive Lichtquellen reflektieren das eingestrahlte Licht. 

Bekanntestes natürliches Beispiel hierzu ist der Mond, der das Licht der Sonne reflektiert. 

Katzenaugen oder Rückstrahler sind hingegen künstlich geschaffene Lichtquellen 2. Ordnung. 

 

Lichtgeschwindigkeit:


Im Vakuum (luftleeren Raum) breitet sich Licht mit einer Geschwindigkeit von ca. 300.000 km/s (Kilometer pro Sekunde) aus. 

Der genaue Wert, den Licht pro Sekunde zurücklegt (Lichtsekunde), beträgt 299 792 458 m. 

In einer Stunde legt das Licht mehr als 1 Milliarde Kilometer zurück.

Die Strecke, die Licht in einem Jahr zurücklegt, nennt man Lichtjahr.

Diese beträgt in Zahlen 9,46 Billionen Kilometer (9,46 · 1012 km).

Aufgrund der Entfernung von 149,6 Millionen km braucht das Licht von der Sonne zur Erde ca. 8 Minuten. 

 

Streuung von Licht:


Licht breitet sich geradlinig und nach allen Seiten aus. 

Wir können Licht nur sehen, wenn es auf einen Gegenstand oder einen Partikel trifft –  z.B. Sonnenstrahlen im Nebel.

Hinsichtlich der Reflexion von Licht unterscheiden wir zwischen Körpern mit rauer und glatter Oberfläche. 

Körper mit rauer Oberfläche reflektieren das Licht in alle Richtungen.

Körper, die hingegen eine sehr glatte Oberfläche aufweisen, reflektieren das Licht in nur eine Richtung. 

Dieser Sachverhalt wird in Form von Spiegeln genutzt. 

 

Absorption und Reflexion:


Das Licht wird vom jeweils angestrahlten Körper nicht vollständig reflektiert

Jener Teil des Lichts, der nicht vollständig reflektiert wird, wird vom Körper absorbiert (“verschluckt”).

Daraus ergibt sich die Wahrnehmung für das menschliche Auge.  

Körper, die einen Großteil des Lichts absorbieren, werden als schwarze Gegenstände wahrgenommen.

Energie, die nicht reflektiert wird, wird in Wärme umgewandelt. 

Schwarze Körper absorbieren alle Farben, deshalb werden sie an der Sonne schneller heiß als weiße Körper. 

Körper, die einen Großteil des Lichts reflektieren, werden hingegen als weiße Gegenstände wahrgenommen.

Farbige Körper reflektieren nur das Licht der eigenen Körperfarbe.

Reflektieren die Moleküle eines dichten Gegenstands grün, rot und blau aber nicht, so strahlen sie grünes Licht ab. 

Ein Körper hingegen, der Lichtstrahlen weder absorbiert noch reflektiert, sondern durchlässt, erscheint uns durchsichtig z.B. Glas, flüssiges Wasser.

 

Ebene und gekrümmte Spiegel:


Hinsichtlich der Struktur und Form unterscheiden wir zwischen “Ebener Spiegel”, “Wölbspiegel”, und “Hohlspiegel”.

a) Ebener Spiegel

Hier wird der Lichtstrahl im gleichen Winkel wie der einfallende Strahl reflektiert.

Das dabei entstehende Spiegelbild liefert Bilder, die aufrecht, gleich groß, gleich weit entfernt, virtuell und zudem seitenverkehrt sind (links-rechts sind vertauscht).

 

b) Hohlspiegel (konkave Spiegel):

Am konkaven Spiegel (= Hohlspiegel) wird der Lichtstrahl an der Wölbung im gleichen Winkel wie der einfallende Strahl wieder reflektiert 

Der Hohlspiegel wird auch oft als Sammelspiegel bezeichnet, da er alle einfallenden Lichtstrahlen in einem Punkt sammelt = Brennpunkt.

 

c) Wölbspiegel (konvexe Spiegel):

Bei konvexen Spiegel befindet sich der Brennpunkt hinter dem Spiegel.

Es entsteht ein virtuelles (scheinbares), aufrechtes, verkleinertes Bild.

Weil sie verkleinernd abbilden, vergrößern sie den Blickwinkel (Weitwinkeleffekt).

 

Optische Linsen:


Wir unterscheiden im wesentlichen Sammel- und Zerstreuungslinsen.

a) Sammellinsen:

Sammellinsen besitzen konvexe Flächen (= nach außen gewölbte Oberflächen).

Alle Lichtstrahlen, die parallel zur optischen Achse einfallen, werden durch den Brennpunkt (F) gebrochen.  

 

b) Zerstreuungslinsen:

Zerstreuungslinsen hingegen besitzen konkave Flächen (= nach innen gewölbte Oberflächen). 

Dadurch werden alle Lichtstrahlen, die parallel zu einer optischen Achse einfallen, so gebrochen, als ob sie vom Zerstreuungspunkt (F) kämen.

Deshalb bricht sie in ihrer optischen Wirkung das Licht nach außen, von der Linsenachse weg (zerstreut das Licht).

 

Lichtbrechung:


Die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls ändert sich an der Grenzfläche zweier Stoffe mit unterschiedlicher optischer Dichte. 

In anderen Worten – der Strahl wird gebrochen. 

Der Lichtstrahl wird vom Lot weg gebrochen, wenn der Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Stoff stattfindet. 

Der Lichtstrahl wird zum Lot hin gebrochen, wenn der Übergang vom optisch dünneren zum dichteren Stoff stattfindet. 

Trifft der Lichtstrahl senkrecht auf den Stoff auf, ändert das Licht seine Richtung nicht.  

 

Brennpunkt und Brennweite:


Unter einem Brennpunkt, der auch Fokus genannt wird, versteht man einen besonderen Punkt eines abbildenden optischen Geräts. 

In ihm schneiden sich die achsennahen, parallel zur optischen Achse einfallenden Strahlen nach der Brechung oder der Reflexion. 

Er liegt zudem immer auf der optischen Achse.  

Die Brennweite wiederum ist der Abstand zwischen dem Mittelpunkt einer optischen Linse bzw. eines gewölbten Spiegels und dem Brennpunkt. 

Jede Sammellinse weist zwei Brennpunkte auf, die symmetrisch zur Linsenebene liegen.

 

Reelles und virtuelles Bild:


Unter einem reellen Bild versteht man in der geometrischen Optik Bilder, von denen in der Realität Lichtstrahlen ausgehen. 

Das Bild des Objekts aus der Sicht des Beobachters entsteht vor dem abbildenden Element.

Die Größe des Objektes ist gleich der Größe der Reflexion. 

Beispiele für reelle Bilder sind das Bild einer Lochkamera oder das Bild auf dem Bildschirm eines Fernsehgeräts.  

Von dem Ort eines virtuellen Bildes gehen hingegen keine Lichtstrahlen aus (daher “virtuell”). 

Das virtuelle Bild wird von unserer Wahrnehmung erzeugt, da Lichtstrahlen als geradlinig empfunden  und bei Bedarf rückwärts verlängert werden. 

Ein virtuelles Bild aus der Sicht des Beobachters entsteht hingegen hinter dem abbildenden Element.

Beispiele für virtuelle Bilder sind Spiegelbilder von ebenen Spiegeln, Bilder von Lupen und Lichtmikroskopen. 

  

Primärfarben:


Primärfarben unterscheiden sich von allen anderen Lichtfarben durch zwei Merkmale:

a) Sie können nicht durch andere Lichtfarben gemischt werden.

b) Umgekehrt können durch das Mischen der drei Primärfarben alle anderen Lichtfarben gemischt werden.

Für jede der drei Primärfarben: rot, grün und blau, verfügt das menschliche Auge über jeweils eine Art von Zapfen.

Durch die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts werden die Zapfen unterschiedlich stark gereizt.

Diese mehr oder weniger starken Reize an den entsprechenden Zapfen, rufen im Gehirn den Sinneseindruck “Farbe” hervor.

 

Wellentheorie – Interferenz:


Unter einer Interferenz versteht man das Zusammentreffen von zwei oder mehr elektromagnetischen Wellen am gleichen Ort. 

Je nach Wellenlänge ergeben sich zwei Sachverhalte:

a) konstruktive oder destruktive Interferenz:

Bei gleicher Wellenlänge kommt es zu einer konstruktiven oder destruktiven Interferenz. 

Verstärken sich die beiden überlagernden Wellen gegenseitig, spricht man von einer konstruktiven Interferenz.

Löschen sich die beiden überlagernden Wellen aus, spricht man von einer destruktiven Interferenz.

 

b) Schwebung: 

Bei ungleicher Wellenlänge kommt es zu einer Schwebung. 

Unter einer Schwebung versteht man eine Schwingung mit periodisch veränderlicher Schwingungsbreite (Amplitude). 

Diese entsteht durch die resultierende Kraft der additiven Überlagerung von zwei Schwingungen mit ähnlicher Frequenz.  

 

Quantenoptik:


Die Quantenoptik erklärt Licht als einen Strom von winzig kleinen Teilchen (Teilchenschwarm).

Die elementaren Teilchen eines solchen Schwarms nennt man Photonen.

Diese Photonen, auch Lichtquanten genannt, entstehen durch die elektromagnetischen Wechselwirkung. 

Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und besitzen keine Ruhemasse.  

Experimente in der Quantenoptik untersuchen die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. z.B. Laser

 

Optische Geräte:


a) Das Auge

Das menschliche Auge besteht aus einem System von zwei Sammellinsen. 

Das Licht trifft zuerst auf die gewölbte Hornhautschicht und von dort auf die Augenlinse und erzeugt dabei entlang der Netzhaut ein Bild. 

Hier befinden sich Sinneszellen in Form von Stäbchen und Zäpfchen, die die einfallenden Lichtstrahlen absorbieren. 

Die gebündelten Signale werden dann über den Sehnerv an die entsprechenden Stellen im Gehirn zur Verarbeitung weitergeleitet. 

 

b) Kepler-Fernrohr:

Ein Kepler-Fernrohr, auch Teleskop genannt, besteht aus einem Objektiv und einem Okular, die jeweils eine Sammellinse beinhalten. 

Die Sammellinse des Okulars ist kleiner und stärker gekrümmt als die Sammellinse des Objektivs und funktioniert wie eine Lupe.

Durch diese Vorrichtung können Objekte betrachtet werden, die sich weit außerhalb der doppelten Brennweite des Objektivs befinden (z.B. Sterne am Nachthimmel).

 

c) Lichtmikroskop:

Auch ein Lichtmikroskop besteht aus einem System von zwei Sammellinsen und einer starken Lichtquelle, die das zu untersuchende Objekt durchleuchtet.

Wie beim Teleskop will man ein möglichst großes Bild auf der Netzhaut des Auge erzeugen.

Die gesamte Vergrößerung des Mikroskops ist gleich dem Produkt der Vergrößerungen von Objektiv und Okular. 

 

Tests:


Optik Lichtgeschwindigkeit Test

Optik Brennpunkt und Brennweite Test

Optik reelle und virtuelle Bilder Test

Optik Lichtbrechung Test

Optik Streuung von Licht Test

Optische Geräte Kepler-Fernrohr Test

Quantenoptik Definition Test

Wellentheorie Interferenz Test

 

PDF-Übungsblätter:


Lichtbrechung und Brennpunkt 

Optik reelles und virtuelles Bild 

Optik Spiegel und Linsen 

Physik Optik Überblick 1

Physik Optik Überblick 2

Physik Optische Geräte 

Wellentheorie und Quantenoptik 

Licht Streuung, Absorption und Reflexion