Schulphysik 2 1. Geometrische Optik

Grundgesetze der geometrischen Optik Geometrische Optik: Lichteigenschaften, die sich geometrisch darstellen lassen: 1. Licht breitet sich gradlinig aus 2. Licht stammt aus einer Lichtquelle 3. Das von der Lichtquelle kommende Lichtbündel besteht aus unendlich vielen Lichtstrahlen (geometrischer Strahl: „unendlich dünn“, Anfangspunkt, kein Ende) 4. Wo kein Licht ist, ist „Schatten“ 5. Ein Gegenstand ist nur sichtbar, wenn Licht von ihm ins Auge fällt 6. Der Lichtweg ist umkehrbar 7. Licht breitet sich mit konstanter Geschwindigkeit aus (c = 300000 km/s) Schulphysik 2.1

1. Licht breitet sich gradlinig aus Licht“weg“ von einem leuchtenden Objekt zum Betrachter: „geradlinig“ -> „Linie“ -> „Gerade“ -> „Dicke“: Modell versus Wahrnehmungsgrenze Hindernisse absorbieren Licht: Licht kann durch „Wände“ gehen, wenn sie aus dem richtigen Material sind (z.B. Glas)! Hindernisse streuen Licht: Licht geht durch Wasser, aber je mehr Wasserdampf in der Luft ist, umso schlechter ist die Sicht (Nebel <-> Föhn) Schulphysik 2.1

2. Licht stammt aus einer Lichtquelle Eine Kerze, eine Glühlampe, die Sonne „leuchten“: Lichtstrahlen breiten sich von einer Anfangsstelle aus; Aus- breitung im Prinzip unendlich weit. Selbstleuchtende Lichtquelle: Licht wird „erzeugt“; z.B. Glühlampe durch erhitzten Draht angeleuchtete Lichtquelle: Licht wird wieder- gegeben z.B. Spiegelbild einer eingehausten Glühlampe Schulphysik 2.1

3. Das von der Lichtquelle kommende Lichtbündel besteht aus unendlich vielen Lichtstrahlen Aus der Öffnung einer Lichtquelle kommt ein Lichtkegel: ein divergentes Bündel von Lichtstrahlen Idealisierung: punktförmige Lichtquelle Draufsicht in weiter Entfernung: Lücken? Modell: Strahlen verlaufen „unendlich dicht“ Schulphysik 2.1

4. Wo kein Licht ist, ist „Schatten“ Begriffsbildung: Licht“farbe“: weiß Schatten“farbe“: schwarz Schlagschatten, Kernschatten „Halbschatten“: graduelle Änderung: „Übergangsschatten“ „schwarzer Strahler“: nichts strahlt heller als ein schwarzes Loch Schulphysik 2.1

5. Ein Gegenstand ist nur sichtbar, wenn Licht von ihm ins Auge fällt „Ich sehe was, was Du nicht siehst“: Die Umgangssprache kennt die Blickrichtung „ein Auge drauf werfen“: aktive Tätigkeit des Beobachters eines passiven Objekts physikalisch gesehen fällt ein Lichtstrahl vom Gegenstand ins Auge des Betrachters: aktiver Einfluss des Objekts auf einen passiven Beobachter Kennzeichen: Lichtweg, Lichtstärke (Beobachtungsschwelle) „Wia ma hischaugt, so schaugts zruck“ Schulphysik 2.1

6. Der Lichtweg ist umkehrbar „Wia ma hischaugt, so schaugts zruck“ => Abbildungskonstruktionen => Spiegelbilder => Maßstabsumrechnungen (Geographie!) Schulphysik 2.1

7. Licht breitet sich mit konstanter Geschwindigkeit aus Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: c = 300000 km/s vorstellbar? - in einer Sekunde zum Mond (Astronauten 3 Tage) - in einer Sekunde 8-mal um die Erde Problem der großen Dimensionen im Universum: - zur Sonne 8 Minuten - zum nächsten Stern (proxima Centauri) 4 Jahre - zur nächsten Milchstraße (Andromeda) 5 Mio Jahre Relativistik: kein Signal breitet sich schneller aus als Licht - Blick in den Nachthimmel: Zeitreise Schulphysik 2.1

Anwendung: Sonnenuhr Uhrzeigersinn! Schattenwurf eines Stabes (Obelisken!) Erfindung auf der Nordhalbkugel der Erde: Uhrzeigersinn! Schulphysik 2.1

Anwendung: Scheinwerferkegel Verkehrssicherheitserziehung: nur Objekte im Scheinwerferkegel werden angeleuchtet; nur diese Objekte können Licht ins Auge des Fahrers abstrahlen: Nur im Scheinwerferkegel befindliche Objekte sind für den Fahrer sichtbar! Schulphysik 2.1

Anwendung: Lochkamera G B g b G: Gegenstandsgröße; B: Bildgröße; g: Gegenstandsweite; b: Bildweite B/G = b/g ! nur diese Form, da nur B/G = k (Abbildungsmaßstab) zu den aus Geographie bekannten maßstäblichen Abbildungen passt Schulphysik 2.1

Anwendung Astronomie Geradlinige Strahlausbreitung: Zenithöhe der Sonne in jahreszeitlicher Abhängigkeit Bestimmung der geographischen Breite Rektszension von Sternen Entfernungsmessung über die Fixsternparalaxe: 1 parsec = 3,3 Lichtjahre Schulphysik 2.1

Anwendung: Mondphasen Schulphysik 2.1