Die Welt des Lichts: Reflexion, Brechung und optische Phänomene

Reflexion: Licht trifft auf Oberflächen

Wenn Licht sich durch ein Medium bewegt und auf eine Oberfläche trifft, die es von einem anderen Medium trennt, wird ein Teil davon reflektiert und breitet sich im selben Medium mit geänderter Richtung weiter aus. Dabei erfüllt es die Gesetze der Reflexion:

1. Der einfallende Strahl, die Normale und der reflektierte Strahl liegen in derselben Ebene.
2. Der Einfallswinkel und der Reflexionswinkel sind gleich.

Das Kaleidoskop: Schöne Bilder beobachten

Ein Kaleidoskop (griech. kalós 'schön', eidos 'Bild', skopéō 'beobachten') ist eine Röhre, die drei prismatische Spiegel enthält, die einen Teil bilden, aus dem nach innen, an dessen Ende sich zwei lichtdurchlässige Platten befinden, zwischen denen sich mehrere Objekte mit verschiedenen Formen und Farben befinden.

Unser Spiegelbild: Mehr als nur eine Reflexion

Jeder von uns hat schon einmal in einen Spiegel geschaut, aber... Was passiert, wenn wir vor zwei Spiegeln stehen, die in einem Winkel von 90 Grad zueinander positioniert sind? Mit zwei Spiegeln entsteht durch doppelte Reflexion ein doppeltes Bild, das seitenrichtig erscheint.

Spiegel im 90-Grad-Winkel: Doppelte Bilder

Mit zwei Spiegeln, die in einem 90-Grad-Winkel zueinander stehen, entsteht durch doppelte Reflexion ein doppeltes Bild, das seitenrichtig erscheint.

Unendliche Bilder: Das Phänomen paralleler Spiegel

Parallele Spiegel: Eine unendliche Bilderkette

Was passiert, wenn zwei parallele Spiegel einander gegenüberstehen? In einem Spiegel sehen wir unser Bild von vorne, und im anderen erscheint unser Bild von hinten. Dieses Bild wird wiederum im ersten Spiegel reflektiert und so weiter, wodurch eine endlose Abfolge von wechselnden Bildern (vorne, hinten, etc.) entsteht.

Anzahl der Reflexionen: Spiegel im Winkel

Spiegelwinkel und Polygonbildung

Mit zwei 'fächerförmig' durch ein Scharnier verbundenen Spiegeln betrachten wir, wie der gebildete Winkel die Anzahl der Reflexionen beeinflusst. Legen Sie die Spiegel auf ein Papier, das eine Winkellinie bildet, und fragen Sie, warum jeweils ein bestimmtes Polygon gebildet wird:

• 120° Winkel: Dreieck
• 90° Winkel: Quadrat
• 72° Winkel: Pentagon
• 60° Winkel: Hexagon

Der Schwarze Körper: Einblick in die Lichtabsorption

Was passiert im Inneren eines schwarzen Körpers?

Die Außenseite ist schwarz, aber wie sieht der Innenraum aus? Blicken Sie durch das Loch ins Innere und öffnen Sie dann die Box. Können Sie erklären, was passiert? Von innen wird kein Licht emittiert. Die mehrfachen Reflexionen bewirken, dass nur sehr wenig Licht wieder nach außen gelangt. Deshalb sehen wir kein Weiß.

Lichtbrechung: Wenn Licht seine Richtung ändert

Wenn Licht sich durch ein Medium bewegt und auf eine Fläche trifft, die es von einem anderen Medium trennt, ändert ein Teil davon seine Ausbreitungsrichtung, da es sich in jeder Umgebung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreitet. Beim Eintritt in ein dichteres Medium verlangsamt sich das Licht und nähert sich der Normalen, da es langsamer wird. Wenn es in ein weniger dichtes Medium eintritt, nimmt die Geschwindigkeit zu, und es entfernt sich von der Normalen. Nur im letzteren Fall kann Totalreflexion auftreten, wenn der Brechungswinkel 90° erreicht. Der Brechungsindex eines Mediums ist direkt mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in diesem Medium verbunden: Je niedriger die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium, desto höher ist der Brechungsindex. Das Brechungsgesetz von Snellius besagt, dass, wenn der Brechungsindex des Mediums, in das der Strahl eintritt, geringer ist, sich der Strahl von der Normalen entfernt.

Praktische Experimente zur Lichtbrechung

Das Münz-Experiment: Optische Täuschung durch Wasser

Legen Sie eine Münze in die Mitte einer Schale und bewegen Sie sich von der Schale weg, bis Sie die Münze nicht mehr sehen können. Bitten Sie dann einen Freund, langsam etwas Wasser in die Schale zu gießen. Was passiert? (Der Vorgang kann mit einer anderen Münze und einer CaCl2-Lösung anstelle von Wasser wiederholt werden, da diese einen höheren Brechungsindex hat und die Münze bei geringerer Flüssigkeitsmenge sichtbar wird.) Wenn das Licht von der Münze aus dem Wasser austritt, ändert es seine Richtung (ein Phänomen, das als Lichtbrechung bezeichnet wird), wodurch das Objekt für uns an einer höheren Position sichtbar wird.

Unsichtbarkeit: Medien mit gleichem Brechungsindex

Bei zwei transparenten Medien mit gleichem Brechungsindex scheint das Licht nicht von einem zum anderen zu wechseln.

Trockener vs. nasser Sand: Lichtstreuung und Brechung

Es wird gezeigt, dass nasser Sand mit verschiedenen Substanzen mehr oder weniger dunkel erscheint. Die verwendeten Substanzen sind: destilliertes Wasser, Calciumchlorid-Lösung, Schwefelkohlenstoff und Toluol. Feinerer Sand ist heller und klarer als groberer Sand, da in dichteren Materialien Photonen (Lichtteilchen) eher absorbiert werden. Die Streuung der Photonen hängt nicht nur von der Korngröße ab, sondern auch von der Substanz, die den Sand umgibt, und deren Brechungsindex. Je höher der Brechungsindex, desto geringer ist der Streuwinkel, und desto länger verbleibt das Licht in der Substanz. Diese Erklärung kann auch unter Berücksichtigung der Wellennatur des Lichts erfolgen.

Die Camera Obscura: Ursprung der Fotografie

Die Camera obscura, der Vorläufer der Kamera, ist arabischen Ursprungs und wurde von Leonardo da Vinci wiederentdeckt. Sie besitzt ein kleines Loch, das wie eine konvergierende Linse wirkt und das Bild der Außenwelt vertikal und horizontal invertiert auf die gegenüberliegende Wand projiziert.

Wasser als Linse: Optische Eigenschaften

Ein Glas oder ein zylindrischer Behälter, gefüllt mit Wasser, kann als konvergierende Linse verwendet werden. Der Brechungsindex der Flüssigkeit in jedem Behälter bewirkt, dass die Linse unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Beim Platzieren eines Objekts vor einer solchen Linse hängen die Eigenschaften der gebildeten Bilder von der Entfernung ab, in der Sie das Objekt platzieren.

Spiegelverkehrte Wörter: Blau vs. Rot

Warum scheinen blaue Wörter vertauscht, rote aber nicht? Nach den bisherigen Übungen können Sie diese Frage beantworten. Tatsächlich sind alle Wörter vertauscht, aber die in Rot geschriebenen Buchstaben C, H und I besitzen eine horizontale Symmetrie.

Der Ölfleck: Transparenz und Lichtabsorption

Welche Farbe hat der Ölfleck? Legen Sie ein Blatt Papier auf einen Tisch und lassen Sie in der Mitte ein paar Tropfen Öl fallen, sodass ein kleiner Fleck entsteht. Wenn das Papier von oben beleuchtet wird, erscheint der Fleck dunkel auf weißem Hintergrund. Wenn Sie das Blatt jedoch gegen das Licht halten, sehen Sie einen weißen Fleck auf dunklem Hintergrund. Das ölgetränkte Papier wird transparenter. Wenn das Papier von oben beleuchtet wird, erscheint der Fleck dunkel, da das transparente Öl das Licht durchlässt und weniger reflektiert. Hält man das Blatt gegen das Licht, ist der Fleck hell und transparent, da das Licht hindurchtreten kann. Was passiert, wenn die Beleuchtung von den Seiten kommt?

Magisches Zellophan: Milchglas transparent machen

Legen Sie einfach ein Stück Zellophan auf Milchglas, und plötzlich wird das Licht klarer. Solche Gläser haben eine raue Oberfläche, die das Licht in alle Richtungen streut, sodass auf der anderen Seite kein klares Bild entsteht. Das Zellophan mit Klebstoff auf einer Seite 'poliert' die raue Oberfläche und füllt die Zwischenräume.

Licht und Farbe: Spektroskopie und Farbwahrnehmung

Das Spektroskop: Licht in seine Farben zerlegen

Ein Spektroskop ist ein Gerät, um die verschiedenen Komponenten eines optischen Spektrums zu trennen. Um die Aufteilung von Licht in seine verschiedenen Farben (Frequenzen) zu erzeugen, verwendete Newton ein Prisma. In unserem Fall nutzen wir ein Beugungsgitter, zum Beispiel eine CD, auf der sich pro Zoll über 500 Rillen befinden, die eine Streuung des einfallenden Lichts in alle Richtungen und Farben bewirken.

Farbenblindheit: Ursachen und Testmöglichkeiten

Farbenblindheit testen: Wenn Sie noch keinen Test gemacht haben... jetzt ist die Zeit dafür! Es ist ein genetischer Defekt, der sich durch die Unfähigkeit einiger Sehzellen im Auge manifestiert, bestimmte Farben zu unterscheiden. Benannt nach dem britischen Chemiker John Dalton (1766-1844), der selbst unter diesem Defekt litt, der es unmöglich macht, bestimmte Farben zu visualisieren. Wie die Hämophilie ist die Farbenblindheit eine geschlechtsgebundene Erkrankung (X-Chromosom). Die Netzhaut ist für die Übertragung von Lichtinformationen über den Sehnerv an das Gehirn verantwortlich. Dort gibt es Zellen, die sogenannten Zapfen, von denen es drei Typen gibt, die unterschiedlichen Wellenlängen zugeordnet sind und Farben unterscheiden. Eine Anomalie in diesen Zapfen ist die Ursache von Farbenblindheit. Die häufigste Form der Farbenblindheit betrifft Rot und Grün.

Fluoreszenz und Phosphoreszenz: Leuchten im Dunkeln

Wenn Elektronen von Atomen zu höheren Energieniveaus angeregt werden, fallen sie nicht immer direkt in ihren Grundzustand zurück. Wenn der Abregungsprozess fast augenblicklich erfolgt (weniger als 10^-7 s), spricht man von Fluoreszenz; Phosphoreszenz dauert länger. Diese Prozesse werden besser sichtbar, wenn die Atome mit ultraviolettem Licht (in diesem Fall violett), das die meiste Energie besitzt, beleuchtet werden. Die Atome emittieren dann im Zuge der Abregung Licht mit geringerer Frequenz (längere Wellenlänge).

Farbwahrnehmung: Licht, Absorption und additive Mischung

Es ist nicht immer die Farbe, die scheint. (Im Dunkeln) Farben, die wir mit Weiß identifizieren, ändern sich, wenn sich das Licht ändert, das ein Objekt beleuchtet. Wenn ein Objekt eine bestimmte Farbe hat, liegt das daran, dass es alle Farben außer dieser Farbe absorbiert. Ist das Material undurchsichtig, wird die Farbe reflektiert; ist es transparent (wie das von uns verwendete Zellophan), wird sie durchgelassen. Diesen Vorgang nennt man selektive Absorption. Farben werden durch additive Mischung erzeugt, wobei wir beachten müssen, dass Weiß = Rot + Blau + Grün ist. Gelbes Zellophan absorbiert Blau und Rot, während Grün durchgelassen wird, wodurch sich die Farbe der Ballons ändert. Jeder von uns hat ein dominantes Auge oder 'Leitauge' mit größerer Sehschärfe, das für die Tiefenwahrnehmung verantwortlich ist, während das andere Auge hauptsächlich für das periphere und räumliche Sehen zuständig ist, indem es das zweidimensionale Bild in unserem Gehirn erweitert.

Das Stereogramm: Optische Täuschung und 3D-Wahrnehmung

Das Stereogramm ist eine optische Täuschung, die auf der Fähigkeit des Auges basiert, Bilder aus unterschiedlichen Blickwinkeln wahrzunehmen. Das Gehirn erfasst diese unterschiedlichen Perspektiven auf eine Weise, dass ein dreidimensionales Bild zu entstehen scheint.

Der Moiré-Effekt: Muster durch Überlagerung

Der Moiré-Effekt ist ein optischer Effekt, der durch die Überlagerung zweier Raster von Linien entsteht, die in einem bestimmten Winkel zueinander stehen oder unterschiedliche Abstände aufweisen. Die Herkunft des Wortes stammt von einer bekannten Seidenweberei.

Lichtpolarisation: Ausrichtung elektromagnetischer Wellen

Die Polarisation ist ein Phänomen, das einzigartig für Transversalwellen ist, und Licht ist eine elektromagnetische Welle, bei der elektrische und magnetische Felder senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehen. Durch geeignete Filter kann die Polarisation die Lichtverteilung in einer bestimmten Ebene beeinflussen. Wenn die Übertragungsebene blockiert wird, erscheint es dunkel.