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

Literatur / Leseaufgabe

Erarbeiten Sie im Selbststudium folgende Kapitel des Skripts

• Kapitel 15

Weblinks

Lernvideos

• Licht
• Brechungsgesetz
• Geometrische Optik
• Interferenz

Ergänzene Information

• LEIFIphysik
• LERNHELFER

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?

Überprüfung des Lernerfolgs / Quiz

• Quiz: Optik