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Optik (Lehre vom Sichtbaren)
(Im Lehrplan für die Stufen 7. I und 8. II)
1. Ausbreitung des Lichts2. Reflexion, Brechung und Dispersion des Lichts3. Optische Linsen4. Optische Instrumente
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Ausbreitung des Lichts
Ausbreitung des Lichtsgeometrische Optik = Licht folgt genau dem geometrischen Strahlengang
(keine Beugungs-Effekte, Wellennatur)
1) Licht breitet sich geradlinig aus.2) Licht kommt von einer Lichtquelle.
(selbstleuchtend oder angeleuchtet)3) Das Lichtbündel (Lichtkegel) einer Lichtquelle besteht aus unendlich vielen,
unendlich dicht liegenden Lichtstrahlen.4) Gegenstände sind nur sichtbar, wenn Licht von ihnen in unser Auge fällt.
(Auge sendet kein Licht aus, wie Aristoteles vermutet hatte)5) Der Lichtweg ist umkehrbar.6) Wo kein Licht ist, ist Schatten.
(grundsätzlich gilt: ohne Licht kein Schatten, Höhlengleichnis von Platon)7) Licht breitet sich mit konstanter Geschwindigkeit aus.
(im Vakuum: c = 300.000 km/s)
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Ausbreitung des Lichts
1. Licht breitet sich geradlinig ausLichtweg von einem leuchtendenObjekt zum Betrachter: „geradlinig“
Hindernisse absorbieren Licht:Licht kann von Materialien (z.B. Plastik, Metall) vollständig absorbiert werden,aber auch durch sie hindurchgehen (z.B. Glas, Wasser).
Hindernisse streuen Licht:Licht geht z.B. durch Wasser, aber je mehr Wasserdampf inder Luft ist, um so schlechter ist die Sicht (Nebel <=> Föhn).
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Ausbreitung des Lichts
2. Licht kommt von einer Lichtquelle
• Lichtstrahlen breiten sich von einer Anfangsstelle in alle Richtungen geradlinig aus
• wir unterscheiden Lichtquellen nach:
selbstleuchtend:• Licht wird erzeugt durch
elektrische oder chemische Vorgänge, hohe Temperaturen
angeleuchtet:• Lichtquellen senden von sich aus
kein Licht aus• werden von einer Lichtquelle
angeleuchtet und streuen das Licht
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Ausbreitung des Lichts
3. Das Lichtbündel besteht aus unendlich vielen Lichtstrahlen
• Aus der Öffnung einer Lichtquelle kommen unendlich viele Lichtstrahlen
• Wahrnehmung: Lichtkegel, divergentes Lichtbündel
• Begrenzung des Lichtbündels durch Randstrahlen• Draufsicht in weiter Entfernung: gibt es Lücken?
=> Modell: Strahlen verlaufen „unendlich dicht“ • Idealisierung: punktförmige Lichtquelle
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Ausbreitung des Lichts
4. Gegenstände sind nur sichtbar, wenn Licht von ihnen ins Auge fällt
• umgangssprachlich: „ein Auge drauf werfen“
• aktive Tätigkeit des Beobachters gegenüber einem passiven Objekt?
• physikalisch: es fällt ein Lichtstrahl vom Gegenstand ins Auge des Betrachters
• aktiver Einfluss eines Objekts auf den passiven Beobachter
• Auge als Lichtempfänger
Wie funktioniert der Sehvorgang?
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Ausbreitung des Lichts
5. Der Lichtweg ist umkehrbar
• Bildkonstruktionen bei
Spiegeln (Reflexion)
Linsen (Brechung)
• Gegenstand (G) und Bild (B) können ausgetauscht werden.
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Ausbreitung des Lichts
6. Wo kein Licht ist, ist Schatten.Begriffsbildung:
• Licht“farbe“: weiß• Schatten“farbe“: schwarz• je nach
1) Anzahl und2) Art (punktförmig, ausgedehnt)der Lichtquelle entstehen verschiedene Arten von Schatten: Kernschatten, Halbschatten, Übergangsschatten
Schatten
Kernschatten
Kernschatten
Übergangsschatten
Halbschatten
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Ausbreitung des Lichts
7. Licht breitet sich mit konstanter Geschwindigkeit c aus
Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: c = 300.000 km/svorstellbar?
• in einer Sekunde vom Mond (Astronauten 3 Tage)• in 8 Minuten von der Sonne• in einer Sekunde 7,5 - mal um die Erde
• Messung:1676 Olaf Römer (1644-1710), Beobachtung des
Jupitermonds Io1849 Anton Fizeau (1819-1896), Lichtstrahl durch
rotierendes Zahnrad1862 J.L. Foucault (1819-1866), Drehspiegelanordnung
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Drehspiegel S rotiert mit Winkelgeschwindigkeit).
Zeit t des Lichtstrahls für den Weg von S zu H und zurück :
In dieser Zeit dreht sich der Spiegel S um Winkel :
Ablenkung um 2:
Ausbreitung des Lichts
1862 J.L. Foucault (1819-1866), Drehspiegelanordnung
2 /t r c
2 /t r c
2 4 / /r c d l
4 /c rl d und ca. 12.5 m
= 6 mm
/2 = 450 U/s (elektr. Küchenmixer)
r l
d
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Ausbreitung des Lichts
Anwendung: Lochkamera
B/G = b/g ! nur in dieser Form, da nur B/G = k (Abbildungsmaßstab) zu den aus der Geographie bekannten maßstäblichen Abbildungen passt (z.B. 1 : 200 000, deutsche Generalkarte).
G
g b
B
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Ausbreitung des Lichts
Anwendung: ScheinwerferkegelVerkehrserziehung:
Nur Objekte im Scheinwerferkegel werden angeleuchtet und können Licht ins Auge des Fahrers abstrahlen.
Nur Objekte und Personen im Scheinwerferkegel sind für den Fahrer sichtbar!
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Ausbreitung des Lichts
Anwendung: Planetenbahn
Äußerer Planet und Erde bewegen sich beide gegn denUhrzeigersinn um die Sonne:Planetenbahn kann aber als Schlaufe erscheinen !
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Ausbreitung des Lichts
Anwendung: Mond-/Sonnenfinsternis
Mondfinsternis:
Sonnenfinsternis:
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Ausbreitung des Lichts
Anwendung: Mondphasen
SONNE