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Physik

Optik

 

Optik

Das Sehen ist die Aufnahme von Information (Bilder aus der "Umgebung"), die durch Licht übertragen wird, durch das Auge. Zum physikalischen Verständnis der Informationsübertragung müssen wir also folgende Dinge beschreiben:  

  1. Lichtquellen
  2. Lichtausbreitung zum Objekt und von dort zum Auge
  3. Veränderung des Lichtes durch das Objekt, so daß die Information aufgeprägt wird.
  4. Funktion des Auges bei der Informationsverarbeitung
  5. Hilfsmittel zum Sehen (Brille, Mikroskop, Fernrohr)

Licht ist eine elektromagnetische Welle; später werden wir im Kapitel "Elektrische und magnetische Vorgänge" die zugehörigen Felder mit Amplituden und Oszillationsfrequenzen genau kennenlernen.

Der Informationsgehalt in Bildern kann damit durch verschiedene Größen angegeben werden:

Informationsgehalt (physikalisch) Bilder Akustik (Sprache, Töne)
Amplitude ->       hell, dunkel laut, leise
Frequenz ->       Farbe hoch, tief
räumliche Verteilung ->       Bildaufbau Schallfeld

Für die Beschreibung des Sehens können wir zunächst die Welleneigenschaft des Lichtes vollkommen vernachlässigen, wenn die gesehene Struktur groß ist gegenüber der periodischen Struktur der Welle. Wir brauchen nur den Begriff  "Lichtstrahl"  und das Verhalten von Lichtstrahlen in einem Medium

 

Lichtausbreitung


Lichtquellen:   Glühlampe (Wärmestrahlung, Sonne), Leuchtstoffröhre, Bogenlampe und Laser
Ausbreitung:   kein Medium erforderlich (Unterschied zum Schall oder zu Wasserwellen)
Lichtgeschwindigkeit: im Vakuum c = 2,99792458·108 m/s  300 000 km/s

        Laufzeit zwischen Sonne und Erde:   149·109 m  ->  500 s = 8,3 min

Eine vollständige Beschreibung der Ausbreitung erfordert die Hinzunahme von Beugung und Interferenz, da Licht eine Welle ist. Aber man kann wegen der kleinen Wellenlänge von Licht (Was heißt hier eigentlich "klein"?) eine Vereinfachung einführen:     ->       Lichtstrahl

Versuch: Bildung eines Strahls aus einer Bogenlampe durch Einfügen von Blenden oder aus einem Laser.
Der Strahl beschreibt eine geometrische Linie, er folgt der Geometrie des Raumes (Es gäbe gekrümmte Strahlen in einem gekrümmten Räumen.).            ->    geometrische Optik


Lochkamera




Abhängigkeit der  Schärfe von der Blendenöffnung oder Größe der Lichtquelle
  Schattenwurf



Licht im Medium (oder Material)

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Materie hat fast immer kleinere Werte als im Vakuum. Man führt das Verhältnis zwischen beiden Geschwindigkeiten als Brechungsindex des Materials ein:

           

Man beobachtet bei der Lichtausbreitung im Material Absorption (Verlust von Strahlungsenergie, meist Umwandlung in Wärme), Streuung (z.B. an Staubteilchen in Luft) und Fluoreszenz (Reemission von Licht, häufig mit Änderung der Wellenlänge, Farbe).

Verhalten an Grenzflächen zwischen Medien:   z.B. Luft und Glas

Versuch: Laserstrahl an einer Glasplatte (rauhe und glatte Oberfläche)
                 ->        Streuung, Reflexion und Transmission

Durch dieses Verhalten wird praktisch die Eigenschaft der Oberfläche eines Objektes auf  das Lichtfeld übertragen, das man schließlich mit den Augen sieht, d.h. auswertet.

Reflexionsgesetz:  alpha , dadurch bleibt ein breites Parallelstrahlbündel nach Reflexion ein gleiches Parallelstrahlbündel. (Siehe später    Huygenssches Prinzip für Erklärung des Reflexionsgesetzes im Wellenbild.)


Anwendung auf die Erzeugung eines Spiegelbildes   ->   virtuelles Bild
 

Strahlenkonstruktion für eine
gekrümmte Fläche (Hohlspiegel)

F  Brennpunkt
M  Kugelmittelpunkt
  Brennweite


Parallelbündel durchläuft den Brennpunkt, wird also ein divergentes Bündel!
Versuch mit Modellobjekten gekrümmter Spiegel  ->  Brennpunkt und Brennweite werden sichtbar.

 
Der Teil des Lichtes, der nicht gestreut und reflektiert wird, dringt durch die Grenzfläche in das Medium ein. Es bildet sich aus einem unter dem Winkel 1 einfallenden Strahl nach der Grenzfläche im neuen Medium ein Strahl unter dem Winkel 2.   ->   Das nennt man Brechung an der Grenzfläche.
              
 Versuch zu verschiedenen Winkeln ->    Winkelbeziehung Brechungsgesetz  von Snellius
         
                                         

Dieses Gesetz kann aus der Bedingung abgeleitet werden, daß ein Parallelstrahlbündel von einem Medium in ein Parallelstrahlbündel im anderen Medium übergehen soll. (siehe nebenstehende Skizze und später Ableitung nach dem Huygensschen Prinzip aus der Welleneigenschaft)

Typische Werte für Brechungsindizes sind:
   nVakuum = 1 und für Glas n  1,5
Man sagt, Glas ist das optisch dichtere Medium gegenüber Luft.
Wenn Medium1 Luft ist und Medium 2 Glas, so ist  alpha1>alpha2,  kurz gefaßt, der Strahl wird zum Lot hin gebrochen. Der umgekehrte Strahlengang ist natürlich auch möglich, also wird von Glas nach Luft der Strahl vom Lot weg gebrochen. Wie sieht entsprechend der Strahlengang beim Durchgang durch eine ebene Glasplatte aus?   ->   Austritt unter gleichem Winkel aber mit Strahlversatz des Parallelstrahls.

Beim Durchgang von Luft nach Glas (allgemein von einem optisch dünnen nach einem dichten Medium) kann man jeden beliebigen Einfallswinkel wählen und beobachtet immer einen gebrochenen Strahl, da es bei n1/n2 < 1 immer eine Lösung für alpha2 gibt, nämlich:

   

Ist jedoch n1/n2 > 1, so gibt es einen Einfallswinkel alpha1, genannt alphaT, ab dem sin alpha2 > 1 werden würde, also eine Lösung für alpha2 nicht mehr existiert.      

  für    Glas  ->  Luft       typisch alpha 42°


alphaT wird der Grenzwinkel der Totalreflexion genannt, da für größere Winkel nur ein reflektierter aber kein gebrochener Strahl mehr auftritt. Die Reflexion ist unter der Bedingung "Totalreflexion" meistens verlustfreier als mit einem regulären Spiegel!


Versuch zur Anwendung der Totalreflexion: Führen von Licht in einem Wasserstrahl   ->  leuchtender Wasserstrahl als Lichtleiter
Allgemeine Anwendung: Lichtleiter durch Glasfaser (optische Nachrichtenübertragung, Beleuchtung )


Lichtleitfaser mit geometrischem Strahlverlauf; der ausgehende Strahl ist divergent, und es gibt keine Ordnung der Austrittspunkte gegenüber den Eintrittspunkten (Man verfolge einzelne Strahlen).

 

 

 

 

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