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Überblick Optik |
In diesem Abschnitt werden grundlegende Begriffe zum Thema Licht und Optik besprochen. Dazu zählen
- Reflexionsgesetz
- Brechungsgesetz
- Dispersion
- Interferenz
Lernaktivität |
- Bearbeiten Sie die Leseaufgabe bis spätestens zum 04.09.2018 (bb)
- Sehen Sie sich die angegebenen Lernvideos an
- Sehen Sie sich die Links zur ergänzenden Literatur an
- Arbeiten Sie das Musterbeispiel durch
- Probieren Sie die Übungsbeispiele
- Führen Sie das Quiz durch
Nutzen Sie das Comment Tool, falls Sie mir Feedback zu diesem Abschnitt geben wollen
Weblinks |
Lernvideos
Ergänzene Information
Musterbeispiel |
Reflexion und Brechung:
In der geometrische Optik spielen das Reflexionsgesetz und das Brechungsgesetz eine wichtige Rolle. Mit Hilfe dieser Gesetzmäßigkeiten wird die Änderung der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahl an einer optischen Grenzfläche beschrieben. Eine optische Grenzfläche ist dabei der Übergang zwischen zwei transparenten Materialien mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften. Eine wichtige Größe zur Beschreibung der optischen Eigenschaften ist der Brechungsindex n. Typische Grenzflächen sind beispielsweise Luft (n = 1) - Wasser (n = 1,33) oder Luft (n = 1) - Glas (n = 1,4-2). Tritt ein Lichtstrahl auf eine Grenzfläche, so wird dieser reflektiert und / oder gebrochen - siehe Abbildung.
Charakterisiert wird dies durch den Einfallswinkel a1, Reflexionswinkel a2 und Brechungswinkel a3 und der Zusammenhang ist durch das Reflexionsgesetz
Einfallswinkel a1 = Reflexionswinkel a2
und das Brechungsgesetz
n1 • sin a1 = n2 • sin a3
gegeben. Sämtliche Winkel beziehen sich dabei immer zum Einfallslot, kurz auch Lot genannt. Das Lot steht immer senkrecht auf die optische Grenzfläche. Mit dem Reflexionsgesetz und Brechungsgesetz lassen sich sehr viele Aufgaben in der Optik lösen. Dies reicht von der einfachen Beschreibung der Reflexion eines Lichtstrahls an einem Spiegel bis hin zur Erzeugung von Bildern mittels optischer Geräte wie Mikroskope oder Ferngläser. Hierzu ein Beispiel.
Ein Lichtstrahl trifft mit einem Einfallswinkel von 45° auf eine Wasseroberfläche (Grenzfläche Luft-Wasser). Um welchen Winkel wird die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls abgelenkt?
Lösung:
- für die Grenzfläche Luft - Wasser gilt: Brechungsindex Luft n1 =1 und Brechungsindex Wasser n2 =1,33.
- aus der Angabe ergibt sich ein Einfallswinkel von a1=45°
- betrachtet man das Brechungsgesetz n1 • sin a1 = n2 • sin a3, so ist nur mehr der Brechungswinkel a3 unbekannt.
- Umformung des Brechungsgesetz nach a3 ergibt den Brechungswinkel a3 =arcsin(n1/n2 • sin a1) = 32,1°
- von der Ausbreitungsrichtung wird der Strahl um a1-a3=12,9° zum Lot hin abgelenkt
⇒ Der Strahl wird um 12,9° zum Lot hin gebrochen
Übungsbeispiele |
Übungsbeispiel A:
Die Spiralgalaxie im Sternbild Andromeda ist rund 2•1019 km von uns entfernt. Wie viele Lichtjahre sind das?
Übungsbeispiel B:
Der Strahl eines roten Lasers fällt unter 45° auf die Oberfläche einer Flüssigkeit und wird dabei von der Einfallsrichtung um 15° abgeknickt. Es handelt sich dabei um einen Übergang Luft (n1 = 1) - Flüssigkeit (n2 = ?). Berechnen Sie den Brechungsindex der Flüssigkeit.
Übungsbeispiel C:
Ein Lichtstrahl trifft auf die Grenzfläche Glas (n1 = 1,42) - Luft (n2 = 1). Der Einfallswinkel beträgt dabei a1 = 60°. Geben Sie den Brechungswinkel an.
Übungsbeispiel D:
Ein Lichtstrahl fällt aus der Luft (n1 = 1) unter einem Winkel von 58° zur Normalen auf die Grenzfläche zu einer transparenten Substanz (n2). Der reflektierte und gebrochene Strahl stehen senkrecht aufeinander. Wie groß ist die Brechzahl n2 der transparenten Substanz?
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