Grundlagen der Optik: Von Periskopen bis zu Youngs Experiment

Periskop: Aufbau und Funktion

Ein Periskop verwendet gleichschenklige, rechtwinklige Glasprismen, die annähernd den kritischen Winkel von 43 Grad nutzen. Das Licht folgt dem im begleitenden Diagramm dargestellten Weg.

Lochkamera (Camera Obscura)

Die einfachste optische Vorrichtung ist die Camera obscura (Lochkamera). Sie besteht aus einem geschlossenen Kasten mit einem kleinen Loch in einer Wand. Sie erzeugt stets reelle und invertierte (umgekehrte) Bilder. Ihre Vergrößerung (A) ist gegeben durch die Formel: $A = y' / y = s' / s$.

Das Mikroskop

Ein Mikroskop dient zur starken Vergrößerung sehr kleiner Objekte, die sich in geringer Entfernung befinden. Es kann aus zwei Sammellinsen aufgebaut sein: dem Objektiv und dem Okular.

Das Objekt wird in einem Abstand platziert, der geringfügig größer ist als die Brennweite des Objektivs. Das vom Objektiv erzeugte Bild kann im Brennpunkt des Auges liegen. In diesem Fall bildet das Auge ein Bild im Unendlichen, wodurch das Auge ohne Akkommodation (Anpassung) entspannt beobachten kann.

Terrestrisches Teleskop (Erdfernrohr)

Das terrestrische Teleskop ist ein optisches System, das ein Umkehrsystem (Inversionspaar) zwischen Objektiv und Okular verwendet. Das Umkehrsystem besteht aus zwei Sammellinsen gleicher Leistung, deren Abstand der Summe ihrer Brennweiten entspricht. Dieses System ist zwischen Objektiv und Okular angeordnet.

Das vom Objektiv erzeugte Bild wird auf den Fokus der ersten Linse des Umkehrpaares abgestimmt. Dieses Bild dient als Objekt für die zweite Linse des Umkehrpaares. Das resultierende Bild wird durch das Okular betrachtet. Mit diesem System erscheinen die Bilder aufrecht. Das Auge kann ohne Akkommodation beobachten.

Fehlsichtigkeiten

Myopie (Kurzsichtigkeit)

Die Myopie resultiert oft aus einer Verformung des Augapfels (Verlängerung). Das kurzsichtige Auge fokussiert nahe Objekte korrekt auf der Netzhaut. Der Brennpunkt für ferne Objekte liegt jedoch vor der Netzhaut. Die Folge ist eine verschwommene Sicht auf weit entfernte Objekte. Abweichende (konkave) Linsen bieten die Lösung.

Hyperopie (Weitsichtigkeit)

Die Hyperopie ist das Gegenteil der Myopie. Der Brennpunkt des Auges liegt hinter der Netzhaut. Infolgedessen sieht das weitsichtige Auge gut in die Ferne, hat aber Schwierigkeiten beim Sehen in der Nähe. Dieser Mangel kann mit Sammellinsen (konvexen Linsen) korrigiert werden.

Die Lupe (Vergrößerungsglas)

Um den Sehwinkel des beobachteten Bildes zu vergrößern, müsste man das Objekt näher an das Auge bringen. Dies würde jedoch zu einem Verlust der Bildschärfe führen. Eine Lupe (konvexe Linse) ermöglicht es, den Sehwinkel zu erhöhen, ohne die Schärfe zu verlieren.

Youngs Doppelspaltexperiment (1801)

Das Youngsche Experiment, auch bekannt als Doppelspaltexperiment, wurde im Jahre 1801 von Thomas Young durchgeführt, um die Wellen- oder Teilchennatur des Lichts zu untersuchen. Young beobachtete ein Interferenzmuster, das entstand, als Licht von einer entfernten Quelle durch zwei enge Schlitze gebeugt wurde. Dieses Ergebnis unterstützte maßgeblich die Theorie der Wellennatur des Lichts.

Ablauf und Beobachtung

Young leitete das Licht einer einzigen Lichtquelle durch zwei schmale, im Abstand a getrennte Schlitze. Dadurch erhielt er zwei kohärente Quellen, da das Licht ursprünglich von derselben Quelle stammte. Er konnte ein Muster aus hellen und dunklen Interferenzstreifen beobachten.

Beugung (Diffraktion) des Lichts

Die Beugung (Diffraktion) des Lichts ist ein weiteres entscheidendes Phänomen, das die Wellennatur des Lichts beweist. Wäre die Natur des Lichts rein korpuskular (Teilchen), würden die Teilchen durch eine Öffnung nur in gerader Linie auf den Schirm treffen, und wir würden lediglich die Projektion der Öffnung sehen. Die beobachtete Beugung widerlegt dies.

Reflexion

Bei der Reflexion sind der Einfallswinkel ($i$) und der Reflexionswinkel ($i'$) gleich ($i = i'$).

Brechung (Historische Sicht nach Newton)

Newton argumentierte, dass Lichtkorpuskeln, die sich von Luft nach Wasser ausbreiten, an der Grenzfläche der beiden Medien vom Wasser angezogen und dadurch sofort beschleunigt werden.