Grundlagen der Optik: Brechung, Reflexion und Linsen

Brechungsindex: Definition und Formel

Wir definieren den Brechungsindex eines Mediums als das Verhältnis zwischen der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (c) und der Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium (v). Die Formel lautet: n = c / v.

Gesetze der Lichtreflexion

Wenn Lichtstrahlen eine Oberfläche erreichen, werden sie reflektiert. Diesem Phänomen liegen zwei grundlegende Gesetze zugrunde:

1. Der einfallende Strahl, das Lot (Normale) und der reflektierte Strahl liegen in einer Ebene.
2. Der Einfallswinkel (i) und der Reflexionswinkel (r) sind gleich groß und liegen auf gegenüberliegenden Seiten des Lots: i = r.

Gesetze der Lichtbrechung

Wenn Licht von einem transparenten Medium in ein anderes mit unterschiedlicher Lichtgeschwindigkeit übergeht, ändert es seine Richtung. Dieses Phänomen wird als Lichtbrechung bezeichnet und folgt diesen Gesetzen:

1. Der einfallende Strahl, das Lot (Normale) und der gebrochene Strahl liegen in einer Ebene.
2. Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ist konstant und entspricht dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeiten in den beiden Medien (Snellius’sches Brechungsgesetz).

Totalreflexion und ihre Anwendung

Die Totalreflexion ist ein Phänomen, das in Lichtwellenleitern (Glas- oder Kunststofffasern) genutzt wird, um Lichtstrahlen zu leiten. Der Kern der Faser hat einen höheren Brechungsindex als die umgebende Beschichtung (Mantel). Trifft ein Lichtstrahl aus dem Kern unter einem bestimmten Winkel auf die Grenzfläche zum Mantel, wird er vollständig in den Kern zurückreflektiert. Dieser Vorgang wiederholt sich, sodass der Lichtstrahl von einem Ende der Faser zum anderen geleitet wird.

Der kritische Winkel

Der kritische Winkel ist der Einfallswinkel, bei dem der Brechungswinkel 90 Grad beträgt. Für die Grenzfläche Wasser-Luft liegt dieser Winkel beispielsweise bei etwa 48,6°.

Bildbrennpunkt (Fokus)

Der Bildbrennpunkt ist der Punkt, an dem sich alle parallel zur optischen Achse einfallenden Strahlen (oder deren Verlängerungen) nach dem Durchgang durch ein optisches System schneiden.

Objektbrennpunkt (Fokus)

Der Objektbrennpunkt ist der Punkt, von dem alle Strahlen (oder deren Verlängerungen) ausgehen, die nach dem Durchgang durch ein optisches System parallel zur optischen Achse verlaufen.

Objektbrennweite

Die Objektbrennweite ist der Abstand zwischen dem Objektbrennpunkt und dem optischen Zentrum des Systems.

Bildbrennweite

Die Bildbrennweite ist der Abstand zwischen dem Bildbrennpunkt und dem optischen Zentrum des Systems.

Funktionsweise einer Lupe (Objektiv)

Ein Objektiv (oft eine Lupe) ist eine Sammellinse mit kurzer Brennweite, die zwischen dem Auge und dem zu beobachtenden Objekt platziert wird, um die Größe des Bildes auf der Netzhaut zu vergrößern. Wenn das Objekt zwischen dem Brennpunkt und dem optischen Zentrum der Linse positioniert wird, entsteht ein virtuelles, aufrechtes und vergrößertes Bild. Die Vergrößerung ist jedoch begrenzt.

Sphärische Linsen: Typen und Eigenschaften

Eine sphärische Linse ist ein einfaches optisches System, das aus zwei gekrümmten (sphärischen) oder einer gekrümmten und einer ebenen dioptrischen Fläche besteht. Linsen können konvergent (sammelnd) oder divergent (streuend) sein.

Konvergente Linsen (Sammellinsen)

Sind in der Mitte dicker und an den Rändern schmaler. Sie bündeln parallel zur optischen Achse einfallende Strahlen.

Divergente Linsen (Streulinsen)

Sind an den Rändern dicker als in der Mitte. Sie streuen parallel zur optischen Achse einfallende Strahlen.