Licht und Optik: Grundlagen, Reflexion, Brechung und Finsternisse

Grundlagen der Lichtausbreitung

Alle Strahlung, einschließlich Licht, breitet sich in Wellen aus. Diese Wellen transportieren Energie durch das Vakuum. Die Wellenlänge ist umgekehrt proportional zu ihrer Frequenz. Das elektromagnetische Spektrum umfasst sichtbares Licht, das unsere Augen erfassen können. Das menschliche Auge ist empfindlich für elektromagnetische Wellen in diesem Bereich.

Eigenschaften von Lichtwellen

• Licht breitet sich in einer geraden Linie aus.
• Es wird reflektiert, wenn es auf eine spiegelnde Oberfläche trifft.
• Es ändert seine Richtung (bricht), wenn es von einem Medium in ein anderes übergeht.
• Licht kann in seine einzelnen Farben zerlegt werden (Dispersion).

Ein Lichtstrahl ist eine grafische Darstellung der Richtung und Ausbreitung des Lichts.

Schatten und Finsternisse

Wenn eine Lichtquelle klein oder groß, aber weit vom beleuchteten Objekt entfernt ist, entstehen scharfe Schatten. Ist die Lichtquelle groß und nah am Objekt, entstehen Schatten und Halbschatten. Dies geschieht, wenn die Lichtstrahlen nur einen Teil des Objekts erreichen.

Sonnenfinsternis

Eine totale Sonnenfinsternis tritt auf, wenn der Tag plötzlich dunkel wird, da der Mond die Sonne vollständig verdeckt. Eine partielle Sonnenfinsternis erzeugt eine Penumbra-Zone (Halbschatten) auf der Erde.

Mondfinsternis

Eine Mondfinsternis tritt auf, wenn die Erde zwischen Sonne und Mond steht und den Mond beschattet. Eine Mondfinsternis kann bis zu 3 Stunden dauern. Der Kernschatten einer Mondfinsternis ist nicht überall auf der Erde sichtbar, aber die Penumbra (Halbschatten) schon.

Reflexion des Lichts

Reflexion des Lichts ist die Änderung der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls, wenn er auf die Oberfläche eines Körpers trifft.

Gesetze der Reflexion

• Der einfallende Strahl, der reflektierte Strahl und die Normale (eine senkrechte Linie zur Oberfläche am Einfallspunkt) liegen in derselben Ebene.
• Der Einfallswinkel ist gleich dem Reflexionswinkel.

Arten der Reflexion

• Spiegelnde Reflexion: Tritt an glatten Oberflächen wie einem Planspiegel auf.
• Diffuse Reflexion: Tritt an rauen Oberflächen wie Wasser auf.

Spiegel und Bilder

Bei Hohlspiegeln werden parallel einfallende Strahlen so reflektiert, dass sie sich im Brennpunkt des Spiegels treffen. Bei einem Konvexspiegel divergieren die reflektierten Strahlen, aber ihre imaginären Verlängerungen treffen sich im Brennpunkt hinter dem Spiegel.

Brechung des Lichts

Brechung des Lichts tritt auf, wenn Licht von einem Medium in ein anderes übergeht. Dabei ändert es seine Geschwindigkeit und wird von seiner ursprünglichen Bahn abgelenkt.

Gesetze der Brechung

• Der einfallende Strahl, der gebrochene Strahl und die Normale liegen in derselben Ebene.
• Der gebrochene Strahl nähert sich der Normalen, wenn er von einem optisch dünneren (schnelleren) in ein optisch dichteres (langsameren) Medium übergeht.
• Der gebrochene Strahl entfernt sich von der Normalen, wenn er von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium übergeht.