Grundlagen der Optik: Licht, Wellen, Reflexion und Brechung

Optik: Definition und Teilgebiete

Die Optik ist die Disziplin der Physik, die das Verhalten von Licht, seine Eigenschaften und Erscheinungsformen untersucht. Sie befasst sich damit, wie Licht mit Materie interagiert.

Strahlenoptik (Geometrische Optik)

Die Strahlenoptik basiert auf phänomenologischen Gesetzen wie den Gesetzen der Reflexion und Brechung (z. B. dem Snelliusschen Brechungsgesetz). In der Geometrischen Optik wird der Begriff des Lichtstrahls verwendet.

Physikalische Optik (Wellenoptik)

Die Physikalische Optik ist der Zweig der Optik, der Licht als Welle betrachtet. Sie erklärt Phänomene, die nicht allein durch die Strahlenoptik erklärt werden können.

Theorien über das Wesen des Lichts

Licht besitzt eine komplexe Natur (Welle-Teilchen-Dualismus). Je nach Betrachtungsweise kann es entweder als Welle oder als Teilchen betrachtet werden. Diese beiden Zustände schließen sich nicht gegenseitig aus, sondern ergänzen sich.

Die Wellentheorie des Lichts

Diese Theorie besagt, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist. Sie besteht aus einem elektrischen Feld, das zeitlich variiert und dabei ein Magnetfeld erzeugt, und umgekehrt. Dies basiert auf dem Ampère'schen Gesetz (variable elektrische Felder erzeugen Magnetfelder) und dem Faraday'schen Induktionsgesetz (variable Magnetfelder erzeugen elektrische Felder).

Eigenschaften der Lichtausbreitung

Geradlinige Ausbreitung und der Lichtstrahl

Licht bewegt sich in einer geraden Linie. Die gerade Linie, die die Richtung der Ausbreitung darstellt, wird als Lichtstrahl bezeichnet. Der Beweis für die geradlinige Ausbreitung des Lichts ist die Bildung von Schatten.

Die Dunkelkammer (Camera Obscura)

Die Dunkelkammer ist ein optisches Instrument, das eine flache Projektion eines äußeren Bildes auf eine innere Oberfläche ermöglicht.

Lichtquellen und ihre Klassifizierung

Punktquellen

Eine Punktquelle ist eine Lichtquelle, die auf einen mehr oder weniger reduzierten Punkt projiziert werden kann. Die emittierten Strahlen sind ähnlich ausgerichtet. Der Schatten des beleuchteten Objekts wird größer, je näher es an der Lichtquelle platziert wird.

Ausgedehnte Quellen

Eine Lichtquelle ist ausgedehnt, wenn sie eine bestimmte Größe besitzt. Bei ausgedehnten Quellen gilt das Gesetz der umgekehrten Proportionalität zum Quadrat der Entfernung nicht immer.

Arten von Lichtquellen

• Leuchtende Körper (Selbstleuchter): Körper, die ihr eigenes Licht produzieren (z. B. Sonne, Lampe).
• Beleuchtete Körper (Nicht-Selbstleuchter): Körper, die Licht reflektieren und dadurch sichtbar werden (z. B. Tisch, Stuhl, Kugelschreiber).

Natürliches und Künstliches Licht

• Natürliches Licht: Stammt von der Sonne und wird durch die Atmosphäre beeinflusst. Intensität, Richtung und Farbe variieren je nach Tageszeit. Natürliches Licht ist aufgrund der Erdrotation nur von kurzer Dauer für eine bestimmte Arbeit verfügbar.
• Künstliches Licht: Stammt aus kontrollierten Quellen wie Lampen, Spots oder Blitzen (häufig in der Fotografie verwendet). Der Vorteil ist die Manipulierbarkeit von Richtung, Farbe und Intensität.

Interaktion von Licht und Materie

Transparente, opake und transluzente Körper

• Transparente Körper: Lassen Licht fast unverändert passieren (z. B. reines Wasser, Luft).
• Opake (undurchsichtige) Körper: Lassen den Durchgang von Licht nicht zu.
• Transluzente (durchscheinende) Körper: Sind lichtdurchlässig, aber man kann Objekte dahinter nicht klar erkennen.

Optische Phänomene

Reflexion des Lichts

Die Reflexion ist eines der grundlegendsten optischen Phänomene. Wenn Licht auf eine polierte Oberfläche (z. B. einen Spiegel) trifft, prallt der Lichtstrahl zurück. Man betrachtet dabei den Einfallswinkel und den Reflexionswinkel relativ zur Normalen (N), einer senkrecht zur Oberfläche stehenden Bezugslinie. Es gelten zwei Gesetze der Reflexion.

Brechung des Lichts

Die Brechung ist die Ablenkung eines Lichtstrahls beim Übergang von einem transparenten Medium in ein anderes transparentes Medium mit unterschiedlicher optischer Dichte. Dieses Phänomen lässt beispielsweise einen Löffel, der in ein Glas Wasser gestellt wird, „gebrochen“ erscheinen.

Diffusion (Streuung)

Diffusion ist ein irreversibler physikalischer Prozess, bei dem materielle Teilchen, die in eine Umgebung eingebracht werden, sich ausbreiten, wodurch die Entropie des Gesamtsystems (bestehend aus Partikeln und Umgebung) zunimmt.

Finsternisse (Eklipsen)

Eine Finsternis ist ein Ereignis, bei dem das Licht eines Himmelskörpers durch einen anderen Körper blockiert wird (den sogenannten „eclipsing body“). Typischerweise sprechen wir von Sonnen- und Mondfinsternissen, die nur auftreten, wenn Sonne, Mond und Erde in einer bestimmten Weise ausgerichtet sind. Dies geschieht bei Neumond (Sonnenfinsternis) oder Vollmond (Mondfinsternis).

Der Planspiegel und die Bilderzeugung

Ein Planspiegel ist eine hochglanzpolierte Oberfläche, die einfallendes Licht mit einer Effizienz von 95 % (oder mehr) reflektieren kann. Planspiegel werden häufig verwendet, um unser Spiegelbild zu sehen.

Das im Planspiegel erzeugte Bild ist:

• Virtuell: Es kann nicht auf einem Bildschirm aufgefangen werden.
• Symmetrisch: Es erscheint in der gleichen Entfernung hinter dem Spiegel, wie das Objekt davor.
• Unverzerrt.

Das Auge sammelt die divergierenden Strahlen, die vom virtuellen Bild ausgehen, und lässt sie auf der Netzhaut konvergieren, wodurch das Bild entsteht.