Licht: Ausbreitung, Schatten, Reflexion und Brechung
Lichtgeschwindigkeit und elektromagnetische Wellen
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt 300.000 km/s (c). Licht ist eine elektromagnetische Welle, deren Energie direkt proportional zur Frequenz ist. Das für den Menschen sichtbare Spektrum umfasst elektromagnetische Wellen, auf die unsere Augen empfindlich reagieren, darunter rotes Licht und grünes Licht.
Schatten und Halbschatten
Wenn eine Glühbirne, die eine große Lichtquelle darstellt, einen Gegenstand beleuchtet, entsteht ein Schatten. Bei einer punktförmigen Lichtquelle entsteht ein Schatten ohne Halbschatten. Bei einer ausgedehnten Lichtquelle bildet sich dagegen ein Kernschatten, in dem kein Strahl ankommt, sowie ein Halbschatten, der nur teilweise beleuchtet ist.
Sonnen- und Mondfinsternis
- Partielle Sonnenfinsternis: Der Mond schiebt sich teilweise zwischen Sonne und Erde.
- Totale Sonnenfinsternis: Der Mond verdeckt die Sonne vollständig.
- Ringförmige Sonnenfinsternis: Der Mond erscheint zu klein, um die Sonne vollständig zu verdecken, sodass nur ein Lichtring sichtbar bleibt.
- Mondfinsternis: Die Erde steht zwischen Sonne und Mond.
Reflexion des Lichts
Ein einfallender Lichtstrahl, der reflektierte Strahl und das Lot (die Senkrechte zur Oberfläche) liegen in einer Ebene. Der Einfallswinkel ist gleich dem Reflexionswinkel.
Arten der Reflexion
- Spiegelnde Reflexion: Tritt auf glatten Oberflächen auf. Die Lichtstrahlen werden in dieselbe Richtung reflektiert.
- Diffuse Reflexion: Tritt auf rauen Oberflächen auf. Die Lichtstrahlen werden in alle Richtungen gestreut.
Spiegel
Konkavspiegel
Parallel einfallende Strahlen werden im gemeinsamen Brennpunkt F gesammelt.
Konvexspiegel
Die reflektierten Strahlen laufen auseinander. Ihre rückwärtigen Verlängerungen schneiden sich hinter dem Spiegel im virtuellen Bild.
Brechung des Lichts
Lichtstrahlen ändern beim Übergang zwischen zwei Medien ihre Richtung und ihre Geschwindigkeit. Der gebrochene Strahl verläuft zum Lot hin, wenn er von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium übergeht.
Der Brechungsindex berechnet sich aus n = c / v, wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und v die Lichtgeschwindigkeit im Medium ist.
Dispersion
Der Brechungsindex von Licht hängt von seiner Frequenz ab. Je größer die Frequenz, desto größer der Brechungsindex. Dadurch wird weißes Licht in seine Spektralfarben zerlegt.
Linsen
Sammellinsen (bikonvex)
Parallel einfallende Strahlen werden in einem Punkt, dem Brennpunkt, gesammelt.
Zerstreuungslinsen (bikonkav)
Die Strahlen werden auseinandergebrochen und laufen nicht in einem Punkt zusammen.
Verhalten von Materialien gegenüber Licht
- Transparente Körper lassen das Licht geradlinig hindurch.
- Opake Körper absorbieren oder reflektieren das Licht und lassen es nicht hindurch.
- Translucide Körper lassen einen Teil des Lichts hindurch, das sich dabei in verschiedene Richtungen ausbreitet.