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Optik 1) Geometrische Optik Fermatsche Prinzip • •

Der Weg, den das Licht nimmt, um von einem Punkt zu einem anderen zu gelangen, ist stets so, dass die benötigte Zeit minimal ist. Tritt Licht von einem Material in ein anderes, so nimmt es immer den schnellsten Weg

Reflexionsgesetz

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Wenn ein Licht geradlinig auf ein anderes Material trifft und nicht eindringt, dann muss der Strahl die Fläche wieder verlassen (Reflexion) Aufgrund „vorwärts wie rückwärts“ muss der Ausfallswinkel = Einfallswinkel sein

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Nur bei glatten Oberflächen wird alles reflektiert Raue Oberflächen erzeugen diffuse Reflexion Glatte, aber gekrümmte Flächen (Linsen) erzeugen differenzierte Strahlungswege

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Brennpunkt – Brennweite • •

Beim parabolförmigen Spiegel treffen sich alle parallel einfallenden Strahlen in einem Brennpunkt F („Focus“) Entfernung von Spiegel zu Brennpunkt ist die Brennweite

→ mit dem Wissen lassen sich Strahlengänge konstruieren

Brechungsgesetz • • •

Wenn Licht in ein anderes Material eindringt, sucht es den schnellsten Weg Lichtgeschwindigkeit = 300.000 km/s (gilt nur im Vakuum, in Glas ca. 180.000 km/s) Je höher der Brechungsindex (optische Dichte) eines Materials, desto langsamer ist die Lichtgeschwindigkeit

Totalreflexion •

Ab einem bestimmten Winkel α kann vom opt. Dichterem Material zum opt. Dünneren Material keine Brechung mehr erfolgen

Lichtgeschwindigkeit (Prisma) • • • è

Lichtgeschwindigkeit in Materialien abhängig von der Wellenlänge (=Farbe) des Lichts Brechungsindex im Medium ist für unterschiedliche Wellenlängen verschieden Daher geht das Licht für verschiedene Farben auch verschiedene Wege!

Sonnenlicht lässt sich durch ein Prisma in seine Spektralfarben zerlegen •

Lichtstrahlen werden gebrochen in dem sie von einem Medium (z.B. Luft) in ein anderes (z.B. Wasser) übergehen → Beim Regenbogen wirkt jeder Regentropfen als Prisma

2) Wellenoptik Huygens-Fresnelsches Prinzip • •

Jeder Punkt, an dem etwas „passiert“ ist Ausgangspunkt einer neuen Welle (in Form einer Kugel) Alle Wellen überlagern sich (Superpositionsprinzip)

Wellenreflexion • • •

Wellenfront kommt schräg an und erzeugt neue Kugelwelle Weitere Auftreffpunkte erzeugen neue Kugelwellen und überlagern sich zu einer neuen „Wellenfront“ Diese „Wellenfront“ zeigt Gesetz: Ausfallswinkel = Einfallswinkel

Wellenbeugung • • •

Wellenfront trifft auf einen Spalt und erzeugt neue Kugelwelle Da keine weiteren Wellen „durchkommen“, strahlt die Kugelwelle in allen Richtungen (auch „um die Ecke“) Gilt nur wenn Breite des Spalts ≈ Wellenlänge (sonst Überlagerung zu einem Strahl)

Welleninterferenz = bei zwei Spalten (Doppelspalt) treten „Muster auf – Interferenz • • • •

Wellenfront trifft auf zwei Spalte Zwei neue Kugelwellen überlagern sich hinter den Spalten Es ergibt sich ein Muster aus Auslöschung und Verstärkung → Interferenz-Muster Wenn sich Wellen verstärken, ist es ein Maximum der Interferenz

Wellenpolarisation (nur bei transversalen Wellen möglich) • • • •

Herstellen einer festen Schwingungsrichtung Durch Polarisation wird das Licht nur in bestimmten Raumrichtungen geschwungen Die Polarisationsschicht ist ein Filter, der nur ganz bestimmte Lichtwellen durchlässt Sonnenlicht ist nicht polarisiert

Beispiel LCD Display • • • • • •

Display besteht aus zwei Glasplatten (haben Polarisationsfilter, Elektrodenplatten, Farbfilter) und Flüssigkristallpanel Das Licht trifft auf den ersten Polarisationsfilter und lässt nur senkrechte Lichtwellen durch Diese Lichtwellen treffen auf dann auf die Flüssigkristalle Sie lenken die Schwingung der Lichtwelle um 90 Grad → damit sie durch den zweiten passen (lässt nur waagerechte Lichtwellen durch) Wird an den Kristallen ein Elektrisches Feld angelegt, drehen sie das Licht nicht mehr und kommen somit nicht durch den zweiten Filter durch Der Farbfilter ist für die Pixel zuständig, der die färbt

Wellenabsorption / Wellenstreuung Absorption • •

Beim Auftreten von Licht auf Material wird Licht reflektiert und ein Teil aber auch absorbiert Material absorbiert Licht → regt Elektronen an → aufgenommene Energie wird in Form von Wärmestrahlung abgestrahlt (Infarot)

Streuung • •

Ist das Material undicht geht Licht hindurch → Licht wird gestreut Streuung tritt auf, wenn Teilchen im Material kleiner als Wellenlänge sind

Warum ist der Himmel blau?

BLAUES LICHT WIRD VIEL STÄRKER GESTREUT ALS ROTES !!! • • • •

Sonne sieht Gelb aus, obwohl eigentlich Weiß ist (blau wird weggestreut) Der Himmel ist blau, da wir die Streuung des Licht an den Luftmolekülen sehen Blaues Licht wird 16 mal so oft gestreut wie rotes Licht Am Abend ist Sonne und Himmel rot, weil beim langen Weg durch Atmosphäre blau weggestreut wird

Wie kommt der Regenbogen an den Himmel? • •

Sonnenlicht wird im Regentropfen gebrochen, totalreflektiert und wieder gebrochen Regenbogen entsteht immer dann, wenn man Sonne „im Rücken“ hat

Warum ist Wasser durchsichtig, aber das Meer blau? • • •

Blaue Licht wird im Himmel stärker gestreut Das tiefe Waser filtert sämtliche Farben aus dem Sonnenlicht heraus (wird gestreut) Übrig bleibt nur blau

Lichtgeschwindigkeit messen • • •

Rotierender Spiegel reflektiert das Licht Licht fällt durch Öffnung, wird reflektiert und fällt wieder auf rotierenden Spiegel Bei hoher Frequenz wird dann das Licht auf eine Stelle neben der Öffnung reflektiert

Licht in der Quantenphysik •

Ende des 19. Jahrhunderts wurden zwei Phänomene entdeckt, die sich durch Wellenoptik nicht erklären ließen o Strahlung des Schwarzen Körpers o Fotoelektrische Effekt è Einstein fand heraus: Licht ist keine Welle, sondern ein Teilchen!

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Licht ist nicht immer Welle, aber auch nicht immer Teilchen!!! Welle-Teilchen-Dualismus...