Optik (Lehre vom Sichtbaren)

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1 Optik (Lehre vom Sichtbaren)
(Im Lehrplan für die Stufen 7. I und 8. II) Ausbreitung des Lichts Reflexion, Brechung und Dispersion des Lichts Optische Linsen Optische Instrumente

2 Ausbreitung des Lichts
geometrische Optik = Licht folgt genau dem geometrischen Strahlengang (keine Beugungs-Effekte, Wellennatur) Licht breitet sich geradlinig aus. Licht kommt von einer Lichtquelle. (selbstleuchtend oder angeleuchtet) Das Lichtbündel (Lichtkegel) einer Lichtquelle besteht aus unendlich vielen, unendlich dicht liegenden Lichtstrahlen. Gegenstände sind nur sichtbar, wenn Licht von ihnen in unser Auge fällt. (Auge sendet kein Licht aus, wie Aristoteles vermutet hatte) Der Lichtweg ist umkehrbar. 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 = km/s) Ausbreitung des Lichts

3 1. Licht breitet sich geradlinig aus
Lichtweg von einem leuchtenden Objekt 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 in der Luft ist, um so schlechter ist die Sicht (Nebel <=> Föhn). Ausbreitung des Lichts

4 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 Ausbreitung des Lichts

5 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 Ausbreitung des Lichts

6 4. Gegenstände sind nur sichtbar, wenn Licht von ihnen ins Auge fällt
Wie funktioniert der Sehvorgang? 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 Ausbreitung des Lichts

7 5. Der Lichtweg ist umkehrbar
Bildkonstruktionen bei Spiegeln (Reflexion) Linsen (Brechung) Gegenstand (G) und Bild (B) können ausgetauscht werden. Ausbreitung des Lichts

8 6. Wo kein Licht ist, ist Schatten.
Begriffsbildung: Licht“farbe“: weiß Schatten“farbe“: schwarz je nach 1) Anzahl und 2) Art (punktförmig, ausgedehnt) der Lichtquelle entstehen verschiedene Arten von Schatten: Kernschatten, Halbschatten, Übergangsschatten Kernschatten Halbschatten Kernschatten Übergangsschatten Ausbreitung des Lichts

9 7. Licht breitet sich mit konstanter Geschwindigkeit c aus
Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: c = km/s vorstellbar? 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 ( ), Beobachtung des Jupitermonds Io 1849 Anton Fizeau ( ), Lichtstrahl durch rotierendes Zahnrad 1862 J.L. Foucault ( ), Drehspiegelanordnung Ausbreitung des Lichts

10 Ausbreitung des Lichts
1862 J.L. Foucault ( ), Drehspiegelanordnung Drehspiegel S rotiert mit w (Winkelgeschwindigkeit). Zeit t des Lichtstrahls für den Weg von S zu H und zurück : In dieser Zeit dreht sich der Spiegel S um Winkel d : Ablenkung um 2d : Ausbreitung des Lichts

11 Anwendung: Lochkamera
B g b 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 : , deutsche Generalkarte). Ausbreitung des Lichts

12 Anwendung: Scheinwerferkegel
Verkehrserziehung: 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! Ausbreitung des Lichts

13 Anwendung: Planetenbahn
Äußerer Planet und Erde bewegen sich beide gegn den Uhrzeigersinn um die Sonne: Planetenbahn kann aber als Schlaufe erscheinen ! Ausbreitung des Lichts

14 Anwendung: Mond-/Sonnenfinsternis
Mondfinsternis: Sonnenfinsternis: Ausbreitung des Lichts

15 Anwendung: Mondphasen
SONNE Ausbreitung des Lichts