Geometrische Optik

Der Teil der Physik, der sich mit dem Phänomen „Licht“ beschäftigt, wird Optik genannt. Man unterscheidet zwei Teilbereiche: Hier soll zur Einführung die geometrische Optik betrachtet werden, da sie von alltäglichen Beobachtungen ausgehend und ohne physikalisches Vorwissen behandelt werden kann.

1. Licht und Sehen

1.1 Lichtquellen

Versuchen Sie zur Einstimmung folgende Fragen zu beantworten. Da hier die Frage nach der Natur des Lichtes ausgespart werden soll, wird die für die geometrische Optik völlig ausreichende einfache Definition getroffen:

Licht ist etwas, das wir mit dem Sinnesorgan Auge wahrnehmen können.

Licht geht von Lichtquellen aus.

Als Lichtquellen (oder selbstleuchtende Körper) bezeichnet man alle Körper, die ihr Licht selbst erzeugen.


Übung

a) Zählen Sie verschiedene Lichtquellen auf.
b) Manche Lichtquellen sind sehr heiße Körper. Andere Lichtquellen erzeugen Licht, ohne heiß zu werden. Ordnen Sie die in a) genannten Lichtquellen ein bzw. nennen Sie weitere Beispiele.
c) Welche Vorstellung steckt hinter dem Wort Lichtquelle? Suchen Sie andere zusammengesetzte Wörter, in denen das Wort -quelle vorkommt. Vergleichen Sie.


1.2 Die Ausbreitung des Lichtes

Versuch:

Beobachten Sie a) eine brennende Kerze, b) eine an eine Batterie angeschlossene kleine Glühlampe, c) eine eingeschaltete Taschenlampe, d) eine Experimentierleuchte mit verschiebbarer Glühlampe, deren Licht streifend an einer Pappe entlang läuft.

Was können Sie daraus über die Lichtausbreitung ablesen?

Diese alltäglichen Beobachtungen führen zu der Erkenntnis:

Licht breitet sich geradlinig und nach allen Seiten aus.

Mit undurchsichtigen Blenden kann die Lichtausbreitung beeinflusst werden.
 
Versuch:

Das Licht einer Experimentierleuchte wird durch nacheinander angeordnete Lochblenden mit kleiner werdenden Durchmessern auf einen Schirm gestrahlt.

Zur Beschreibung der Lichtausbreitung werden folgende Begriffe verwendet.

Licht, das hinter einer Blende austritt, nennt man ein Lichtbündel.

Verengt man in Gedanken ein Lichtbündel so weit, dass es keinen Durchmesser mehr hat, entsteht ein Lichtstrahl. Real ist dies natürlich nicht möglich: Damit sich das Licht ausbreiten kann, muss die Blende eine Öffnung haben. Wie klein auch immer der Durchmesser gewählt wird, stets bleibt noch ein schmales Lichtbündel übrig.

(Bei sehr kleinen Durchmessern kommt es jedoch zu Abweichungen davon. Es treten dann Beugungserscheinungen auf, die mit dem – hier nicht behandelten – Wellencharakter des Lichtes zusammenhängen.)

Lichtstrahlen sind also eine gedankliche Abstraktion, mit der die Wirklichkeit besser beschrieben werden kann, also eine Modellvorstellung oder Modell. Das Modell des Lichtstrahls dient dazu, Beobachtungen zu erklären und Lichtbündel zu zeichnen: Durch Randstrahlen werden Lichtbündel begrenzt. Die Richtung eines Lichtbündels wird mit dem Richtungsstrahl angegeben, der in der Mitte des Bündels gedacht wird.

Nach dem Verlauf der Randstrahlen können die Lichtbündel in drei Gruppen eingeteilt werden. Die Randstrahlen

Die Herstellung dünner Parallel-Lichtbündel ist heute mit einem Laser sehr einfach möglich. (Laser: Abkürzung der englischen Bezeichnung Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
 
Versuch:

Ein Laser wird eingeschaltet. In den Lichtweg wird Kreidestaub eingebracht.

Nach dem Einschalten des Lasers ist zunächst nichts zu sehen – außer einem Leuchtfleck auf der Wand. Erst durch den Kreidestaub wird das Lichtbündel in der Länge sichtbar. Dieser einfache Versuch verdeutlicht:

Licht wird nur wahrgenommen, wenn es ins Auge fällt. Körper, die selbst kein Licht erzeugen, können nur gesehen werden, wenn sie beleuchtet werden. Das Licht fällt dabei von einer Lichtquelle auf den Körper, und dieser wirft es in viele Richtungen in den Raum zurück; diesen Vorgang nennt man Streuung. Das Streulicht kann ins Auge gelangen.


Übungen

1. Kann man „Sonnenstrahlen“ sehen?

2. Im Weltraum sind Sterne zu sehen, die unvorstellbar weit entfernt sind. Warum ist aber auf der Erde selbst in klaren Nächten eine Lichtquelle kaum 50 km weit zu sehen?

3. Warum erscheint der Weltraum außerhalb der Lufthülle der Erde tiefschwarz?

4. Warum wird es nicht „Nacht“, wenn sich eine Wolke vor die Sonne schiebt?


Die Lichtgeschwindigkeit

Spricht man von Lichtausbreitung, so ist damit die Vorstellung verbunden, dass Licht von einer Lichtquelle ausgeht und sich durch den Raum bewegt. Eine Bewegung erfolgt aber immer mit einer Geschwindigkeit. Schon Galileo Galilei (1564 – 1642) versuchte – jedoch erfolglos – diese Vorstellung zu überprüfen und die Lichtgeschwindigkeit zu messen. Die erste erfolgreiche Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit gelang Ole Römer 1676 durch astronomische Beobachtungen. Die erste terrestrische Messung führte Hippolyte Fizeau 1849 durch.

Seit 1983 ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum durch Definition festgelegt:

.

(Die Einheit 1 m wird daraus abgeleitet.)

Bei einfachen Berechnungen genügt die Verwendung der Näherung

.

 

Übungen

1. Recherchieren Sie nach der Messung der Lichtgeschwindigkeit durch Römer und Fizeau.

2. Rechnen Sie die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit  in die Einheit km/h um.

3. Die mittlere Entfernung der Erde von der Sonne ist d = 149,6 Millionen km. Wie lange braucht das Sonnenlicht zur Erde?

4. Ein Lichtjahr ist die Strecke, die Licht in einem Jahr zurücklegt. Wieviel Kilometer beträgt ein Lichtjahr?

5. In Beschleunigeranlagen der Teilchenphysik, wie z.B. dem DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) in Hamburg, können Elektronen auf sehr hohe Geschwindigkeiten gebracht werden, z.B. auf 99,9% der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit. Wie lange braucht ein solches Elektron, um einmal die Erde zu umlaufen? Der Erdradius beträgt rE = 6370 km.

6. Der mittlere Abstand des Mondes von der Erde ist d = 384 400 km. Nach welcher Zeit kommt ein von der Erde ausgesandter Laserstrahl, der von einem Spiegel auf dem Mond reflektiert wird, wieder auf der Erde an?