Optik

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Auge

Lichtgeschwindigkeit

Lichtquellen

Reflexion

Lichtausbreitung

Kernschatten

Spiegelreflexion

Grenzflaeche

Totalreflexion

Prisma

Lochkamera

Spiegelbild

Hohlspiegel

Woelbspiegel

Platte

Sammellinsen

Zerstreuungslinsen

Bildkonstruktion

Mikroskop

Diaprojektor

Schwingung

Ueberlagerung

Interferenz

Newtonringe

Lichtentstehung

Farbaddition

Farbsubtraktion

 

 

 

 


Einführung:

Die Optik gilt als die Lehre vom Licht. Ein Teil der Optik wird der klassischen Physik zugeordnet. Zur klassischen Physik gehört z.B. die geometrische Optik oder auch Strahlenoptik genannt. Hier wird das Licht als ein Bündel von geradlinigen Strahlen betrachtet. Die Strahlenoptik bietet Grundlagen für die Konstruktion von optischen Geräten und Instrumenten. Mit diesen wurden große technische Fortschritte errungen. Ein solches Instrument ist z.B. das Mikroskop. Damit kannst Du kleinste Lebewesen wie Bakterien beobachten.

Zur Erklärung einer ganzen Reihe von Erscheinungen in der Optik dient die Wellenoptik. Bei dieser stellt man sich nämlich das Licht als Welle vor. Tatsächlich weist das Licht Eigenschaften eines elektromagnetischen Wellenvorgangs auf. Unser sichtbares Licht ist aber nur ein kleiner Bereich ( ein Sechzigstel ) des gesamten elektromagnetischen Spektrums. Mit Hilfe der Wellenvorstellung können wir uns solche Phänomene wie die Interferenz des Lichtes modellmäßig erklären. 

Um die Wechselwirkung von Licht und Materie zu verstehen, müssen wir andererseits die Quantenoptik der modernen Physik heranziehen. In der Quantenoptik wird das Licht als Strom von Photonen oder Lichtquanten, den sogenannten Wellenpaketen, angesehen.

Optik heißt auch die " Lehre vom Sehen ". Du kannst nur sehen, wenn Licht vorhanden ist. Im Dunkeln kannst Du weder die Form noch die Farbe von Gegenständen erkennen. Zum Sehen brauchen wir Licht, das von unseren Augen aufgenommen wird. Diese aufgenommene Information wie z.B. Bild gelangt schließlich ins Gehirn.


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Schematischer Schnitt durch das menschliche AugeDas Auge ist ein Sinnesorgan. Mit den Augen können Menschen und Tiere sehen. Sie können optische Reize wahrnehmen. Das Auge lässt sich mit einem Fotoapparat vergleichen. Dabei entspricht die Linse des Auges einem Objektiv. Die ringförmige Iris entspricht der Blende und die Netzhaut dem Film. Von links dringt das Licht nach Passieren von durchsichtiger Hornhaut und Pupille ( Sehloch ) ins Auge ein. Das Licht läuft weiter durch die Linse und wird dabei gebündelt. Auf der Netzhaut entsteht ein verkleinertes Bild des Gegenstandes. Die lichtempfindlichen " Chemikalien " wandeln die Lichtenergie in kleine, elektrische Nervensignale um. Diese werden anschließend über den Sehnerv zum Gehirn geleitet. Hier nehmen wir die Information nach einem speziellen Wandelvorgang wahr.

 

Die Linse entspricht dem Objektiv einer Kamera

Die Iris entspricht der Blende

Die Netzhaut entspricht einer Mattscheibe


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Die erste uns überlieferte Messung der Lichtgeschwindigkeit gelang im Jahre 1675 dem Astronom Olaf Römer. Er beobachtete den Jupiter und seine vier Monde. Die Monde des Jupiter verfinstern sich mit einer gewissen Verzögerung, wenn sie in den Schatten des Jupiter eintreten. Römer untersuchte über mehrere Jahre die Umlaufzeit eines Jupitermondes.

Die Lichtgeschwindigkeit ist endlich

Dabei stellte er einen Zeitunterschied fest, je nachdem ob unsere Erde sich von dem Jupitermond wegbewegt oder sich auf ihn zubewegt. Als Grund dafür erkannte er die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit. Die Lichtgeschwindigkeit gehört zu den wichtigsten physikalischen Konstanten. Sie hat das Formelzeichen " c ". Die Lichtgeschwindigkeit stellt die höchste mögliche Geschwindigkeit dar. Sie ist im Vakuum größer als in Materie.



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Arten von LichtquellenWir unterscheiden punktförmige Lichtquellen und ausgedehnte Lichtquellen. Zu den angenähert punktförmigen Lichtquellen gehören das Licht eines Leuchtturms, das Licht einer Glühlampe oder das Kerzenlicht. Dem genannten Licht ist gemeinsam, dass es von einer relativ kleinen Stelle ausgeht. Im Gegensatz dazu steht eine weit ausgedehnte Lichtquelle wie z.B. eine Leuchtstoffröhre.
Weil es zweckmäßiger ist, idealisiert man in der geometrischen Optik Licht als Lichtstrahl, obwohl es sich eigentlich um ein Lichtbündel handelt.



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Beim Auftreffen von Licht auf ein undurchsichtiges Hindernis können wir drei Erscheinungen beobachten: Reflexion, Streuung und Absorption.
Reflexion:
Ein Spiegel hat eine glatte, helle Oberfläche. Außerdem ist er glatt und nicht gewölbt. Das auf einen Spiegel auffallende Licht wird gezielt zurückgeworfen. Hier gilt das Reflexionsgesetz der Optik. Das Licht wird in eine bevorzugte Richtung reflektiert.
Lichtstrahlen treffen auf undurchsichtige KörperStreuung:
Die Lichtstrahlen treffen auf eine raue, helle Oberfläche. Stelle Dir dafür z.B. eine zerknitterte Alufolie vor. Auch hier gilt das Reflexionsgesetz. Das Licht wird aber in alle Richtungen reflektiert. Es wird gestreut oder diffus zurückgeworfen.
Absorption:
Trifft das Licht auf eine raue, schwarze und undurchsichtige Oberfläche, so wird es absorbiert. Es wird nur ein sehr geringer Teil des Lichts reflektiert. So erscheint uns ein aufgerautes, schwarzes Stück Pappe als dunkle Oberfläche. Ein Körper ist umso dunkler, je mehr Licht er verschluckt bzw. absorbiert.



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Die geometrische Optik beantwortet die Fragen der geradlinigen Lichtausbreitung. Im Mittelpunkt stehen die Lichtstrahlen. Sie beschreiben die Bahnen der Licht-Energie-Fortpflanzung. Solche linienartigen Strahlen gibt es in der Natur nicht. Sie sind eher als winzige Lichtbündel anzusehen. Diese nennen wir Lichtstrahlen. Wir unterscheiden gemäß Quelle und Zielort der Strahlen drei Fälle:

Unterschiedliche Arten von StrahlenDivergente ( zerstreuende ) Strahlen gehen von einem Punkt aus. Konvergente ( zusammenlaufende ) Strahlen laufen auf einen gemeinsamen Punkt zu. Strahlen ohne gemeinsamen Schnittpunkt und ohne gemeinsamen Ausgangspunkt nennt man diffuse Strahlen.

 


 

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Beleuchten wir einen Gegenstand mit einer punktförmigen Lichtquelle, so entsteht hinter dem Hindernis ein Kernschatten. Es kann kein Licht von einer Lampe hinter einem lichtundurchlässigen Körper in diesen Raum gelangen.

 

Kernschatten und Halbschatten beim Schattenwurf

Im zweiten Versuch wird ein Gegenstand mit zwei Lampen beleuchtet. Es entstehen zwei unterschiedliche Schatten an der Wand. Der besonders dunkle Schatten, der von keiner Lampe Licht erhält, ist der Kernschatten. Schattenbereiche, die noch von einer Lampe beleuchtet werden, sind die Halbschatten.


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Reflexion von LichtFür die Reflexion an einem glatten, ebenen Spiegel finden wir die folgenden Zusammenhänge: Wenn ein schmales Lichtbündel ( von links ) auf eine Spiegeloberfläche trifft, wird es reflektiert. Wir messen den Winkel " α ", der zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und dem Einfallslot liegt. Den Winkel nennen wir Einfallswinkel. In der Abbildung erkennst Du weiterhin den Winkel " β ", der Reflexionswinkel genannt wird. 

Der Einfallswinkel " α " und der Reflexionswinkel " β " sind bei dieser Spiegelreflexion gleich groß. Außerdem liegen das Einfallslot und die beiden Lichtstrahlen in einer Ebene.


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Ein Lichtstrahl trifft schräg auf die Grenzflaeche zweier Medien. Wir nennen sie Medium A und Medium B. Dabei könnte es sich um Luft und Wasser handeln. Ein Teil des Lichtstrahls wird an der Grenzfläche reflektiert, der andere Teil tritt in das Medium B hinein. Dieser erfährt eine Richtungsänderung, die wir als Brechung bezeichnen. Die Senkrechte auf der Grenzfläche im Einfallspunkt des Lichtstrahls heißt Einfallslot. Der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und dem Einfallslot wird Einfallswinkel α genannt. Der Winkel zwischen gebrochenem Strahl und Einfallslot heißt Brechungswinkel β. Einfallender Strahl, Einfallslot und gebrochener Strahl liegen in einer Ebene. Vielleicht hast Du Dir so etwas schon gedacht.

Brechung von LichtStatt Medium A könnten wir auch Luft schreiben und Medium B als Wasser bezeichnen. Das haben wir oben schon angedeutet. Brechung erfolgt aber nicht nur beim Übergang von Luft in Wasser. Brechung erfolgt immer dann, wenn die zwei Medien unterschiedliche optische Dichten aufweisen.

 





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An der Grenzfläche zweier Medien mit unterschiedlichen optischen Dichten wie Glas und Luft kann eine totale Reflexion des Lichts eintreten. Bei einem bestimmten Einfallswinkel " α ", der Grenzwinkel der Totalreflexion genannt wird, ergibt sich ein Brechungswinkel von 90 Grad. An dieser Stelle tritt gerade keine Brechung mehr auf. Der Lichtstrahl läuft längs der Grenzfläche beider Medien.
Wird nun der Einfallswinkel größer als dieser Grenzwinkel, so kann der Lichtstrahl nicht mehr aus dem optisch dichteren Medium heraustreten. Er wird eben vollständig oder " total " reflektiert.


Die Totalreflektion von Licht









Erst nach der Erfindung der Glasfaser war eine technische Ausnutzung des beschriebenen Phänomens möglich. Licht in einem langen, dünnen Glasstab kann die Längsseiten nicht verlassen. Der Lichtstrahl folgt dabei sogar der Krümmung des Lichtleiters. Auf Grund der Totalreflexion kann das Licht erst wieder am anderen Ende den Lichtleiter verlassen.


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Ein optisches Prisma ist ein lichtbrechender Körper. Sein Querschnitt hat die Form eines gleichschenkligen Dreiecks. Es ähnelt also einem Hausdach. Ein Lichtstrahl, der von links auf eine Seitenfläche des Prismas fällt, wird beim Eintritt in das Prisma und beim Austritt aus dem Prisma gebrochen. Die zweimalige Brechung erfolgt nach dem Brechungsgesetz. Fällt weißes Licht auf die Seite eines Prismas und durchdringt das Licht das Prisma, so wird das Licht in seine Spektralfarben zerlegt. Diese Aufspaltung wird Dispersion genannt.

Ein Prisma zerlegt weißes LichtDas entstehende Band hat die Farben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und schließlich Violett. Das Phänomen der Aufspaltung von weißem Licht ist Dir sicher vom Regenbogen her bekannt.





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Eine sehr einfache Form eines Fotoapparats ist eine Lochkamera, auch Lochblende genannt. Das ist ein lichtdichter, innen geschwärzter Kasten oder Karton. Durch eine kleine Öffnung in seiner Vorderwand dringen Lichtstrahlen ein. Jeder Punkt eines Gegenstandes links vor der Öffnung erzeugt einen hellen Lichtpunkt auf dem Schirm innen an der Rückwand. Nach den Gesetzen der Strahlenoptik breitet sich das Licht geradlinig aus. Das Licht lässt auf der gegenüberliegenden Wand ein reelles Bild entstehen.

Schnittzeichnung für eine LochkameraDas  Bild ist scharf, sehr lichtschwach, steht auf dem Kopf und ist seitenverkehrt. Bei diesem  "optischen System" wurden keine Linsen eingesetzt. Es ist deshalb frei von Abbildungsfehlern.

 

 

 


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Von der glatten Oberflaeche eines ebenen Spiegels werden die auftreffenden Lichtbündel eines Gegenstandes zurückgeworfen. Das geschieht nach den Reflexionsgesetzen. Alle von einem Punkt " P " des Gegenstandes vor dem Spiegel ausgehenden Strahlen verlaufen so, als kämen sie von einem Punkt " P' " hinter dem Spiegel her!
Reflexion am ebenen SpiegelDabei liegen die Punkte P und P' bezüglich der Spiegelfläche symmetrisch zueinander. Das Bild liegt scheinbar ebenso weit hinter dem Spiegel, wie der Gegenstand sich davor befindet. Gegenstand und Bild sind gleich groß. Beim Spiegelbild sind allerdings vorn und hinten vertauscht, so dass Du es seitenverkehrt siehst. Es ist ein scheinbares ( virtuelles ) Bild entstanden. Dieses Bild kann mit einem Fotoapparat aufgenommen werden, aber nicht direkt auf einen Bildschirm projiziert werden.






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Außer den genannten ebenen Spiegeln kennst Du wahrscheinlich auch Hohlspiegel und Wölbspiegel. Die auf ihrer Innenseite verspiegelten Hohlspiegel nennt man auch erhabene Spiegel oder Konkavspiegel. Die nach außen gekrümmten Flächen werden auch Konvexspiegel genannt.

Zusammenlaufen von Lichtstrahlen beim Hohlspiegel

Für beide Arten gelten natürlich die Reflexionsgesetze.
Bei Hohlspiegeln wird das Licht nach der Reflexion verengt. Bei Wölbspiegeln werden die Lichtstrahlen nach der Reflexion aufgefächert. Das Licht läuft auseinander.





Bei Hohlspiegeln hängt die Beschaffenheit eines reflektierten Bildes von der Lage des Gegenstandes ab. Das Spiegelbild eines Gegenstandes, der außerhalb des Krümmungsmittelpunktes liegt, ist wirklich ( reell ) und umgekehrt. Liegt der Gegenstand aber zwischen Brennpunkt und dem optischen Mittelpunkt, so ist sein Spiegelbild virtuell ( reflektierte Strahlen scheinen von dem Bild auszugehen ) und aufrecht.



Woelbspiegel liefern nur virtuelle und aufrechte Bilder, die bei Annäherung an den Spiegel größer werden.
Mit einem blank polierten Löffel kannst Du solche verzerrten Spiegelbilder betrachten. In der Innenseite siehst Du ein verkleinertes Zerrbild auf dem Kopf stehend.

Auseinanderlaufen von Lichtstrahlen beim WölbspiegelDrehst Du den Löffel um, so erscheint auf der Außenseite ein Bild, das aufrecht steht.
   
Diese Aussagen über die Spiegelerscheinungen und die Abbildungen gelten annähernd und unter vereinfachten Annahmen.





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Eine planparallele Platte wird von zwei Ebenen begrenzt und sie ist durchsichtig. Sie kann aus Glas oder sie kann aus Kunststoff bestehen. Ein senkrecht ( Winkel von 90 Grad ) auf die Platte treffender Lichtstrahl geht ungebrochen durch sie hindurch.

Parallelverschiebung von Licht bei einer planparallelen PlatteEin schräg von unten auftreffender Lichtstrahl wird beim Eintritt und beim Austritt aus der planparallelen Platte gebrochen. An der ersten Grenzfläche ( Luft/Glas ) wird er zum Lot hin gebrochen. An der zweiten Grenzfläche ( Glas/Luft ) wird er vom Lot weg gebrochen. Die auftretenden Richtungsänderungen sind entgegengesetzt. Sie heben sich gegenseitig auf. Eine planparallele Platte bewirkt für einen Lichtstrahl bei zweimaliger Brechung nur eine Parallelverschiebung, aber keine Richtungsänderung.





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Linsen sind wichtige Bestandteile von Brillen und Ferngläsern. Linsen sind durchsichtig. Von ihnen können in optischen Geräten ganz bestimmte Aufgaben erfüllt werden. Feuchter Beschlag und Kratzer hindern das Licht auf seinem Weg durch die Linse. Jede Sammellinse hat zwei Begrenzungsflächen, die gleiche oder unterschiedliche Form haben können. Durch einen entsprechenden Schliff sind drei verschiedene Linsenformen möglich, die Du auf der Abbildung sehen kannst. Sie werden als " bikonvex " , " plankonvex " , und " konkavkonvex " bezeichnet.

Sammellinsen bündeln das LichtSammellinsen sind also einseitig oder beidseitig von gewölbten Flächen begrenzt. Sie sind in der Mitte dicker als am Rand. Die Seitenflächen können mathematisch genau erfasst werden. Damit lässt sich die Ausbreitung der Lichtstrahlen exakt vorherbestimmen. Bei Sammellinsen werden eintreffende Lichtstrahlen in einem Punkt auf der anderen Seite der Linse vereinigt. Dieser Punkt heißt Brennpunkt F der Linse. Da die Richtung von Lichtstrahlen umkehrbar ist, besitzt die Linse auf jeder Seite einen Brennpunkt, F und F genannt.

Eine Leselupe ist z.B. ein einfaches optisches Gerät. Die Lupe besteht aus einer bikonvexen Sammellinse. Wenn Sonnenlicht durch eine Lupe hindurchtritt und auf ein dünnes Stück Papier fällt, entsteht dort ein Lichtfleck. Er ist je nach Abstand zwischen Lupe und Papier unterschiedlich groß. In einer bestimmten Entfernung ist er ganz klein. Das Licht wird an dieser Stelle, dem Brennpunkt F, gesammelt. Die Temperatur ist dort hoch. Das Papier kann entzündet werden. Es fängt dann zu brennen an.


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Zerstreuungslinsen bestehen aus dem gleichen Material wie Sammellinsen. Zerstreuungslinsen unterscheiden sich aber von Sammellinsen in ihrer Form. Die drei unterschiedlichen Eigenschaften von Zerstreuungslinsen werden als " bikonkav ", " plankonkav " und " konvexkonkav " bezeichnet.

Zerstreuungslinsen fächern das Licht aufDer Körper von Zerstreuungslinsen ist in der Mitte dünner als am Rand. Für den Strahlenverlauf an Zerstreuungslinsen gelten die gleichen Gesetze wie bei Sammellinsen. Parallel zur optischen Achse der Linse einfallendes Licht ist nach der Brechung allerdings divergent. Das Licht läuft nach Passieren der Linse weiter nach außen. Aus einem parallel einlaufenden Strahl wird ein Brennstrahl. Der virtuelle Brennstrahl liegt vor der Linse auf der quellennahen Seite und er kann auch als " Zerstreuungspunkt " bezeichnet werden. 

Beim Durchgang durch Linsen wird Licht an beiden Grenzflächen gebrochen. Bei dünnen Linsen kann man eine zweimalige Brechung bei Zerstreuungslinsen wie bei Sammellinsen vernachlässigen, was in der Abbildung zu sehen ist. 

In einem Linsensystem wie dem Mikroskop oder dem Projektor sorgen Zerstreuungslinsen zusammen mit Sammellinsen für optimale Ergebnisse.


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Es gibt zwei Arten von optischen Linsen: Sammellinsen und Zerstreuungslinsen. Linsen sind durchsichtige Körper aus meist dünnem Glas, Quarz oder Kunststoff. Sie werden durch gekrümmte Flächen begrenzt. Linsen dienen dazu, die Richtung von Lichtstrahlen durch Brechung zu beeinflussen. Eine Sammellinse sammelt parallel auffallende Strahlen und vereinigt sie in einem Punkt, dem Brennpunkt, hinter der Linse. Je nach Krümmung besitzen Linsen unterschiedliche Brennweiten ( Brennweite: Das ist Abstand zwischen Brennpunkt F und Linsenmitte ). Zerstreuungslinsen zerstreuen parallel zur optischen Achse auffallende Strahlen, so dass sie von einem Punkt vor der Linse zu kommen scheinen.

Strahlenverlauf und Bildkonstruktion bei LinsenDer Linsenkörper aller Sammellinsen ist an den Seiten dünner als in der Mitte. Die Gestaltung von Bildern von einem Gegenstand mit Sammellinsen zeigt die Abbildung. Bei dünnen Linsen können wir den Mittelpunktstrahl geradlinig durch die Linsenmitte zeichnen, weil die auftretende Verschiebung gering bleibt.

Steht ein Gegenstand außerhalb der Brennweite wie rechts oben in der Abbildung, so entsteht ein auf dem Kopf stehendes und seitenverkehrtes Bild. Dieses Bild ist verkleinert und reell. Das Bild lässt sich auf einem Schirm abbilden. 

Bewegt man den Gegenstand zwischen Brennpunkt und Linse wie rechts unten in der Abbildung, so erhält man ein Bild, das man zwar sehen aber nicht auf einem Schirm auffangen kann. Dieses Bild ist virtuell. Das Bild befindet sich auf der gleichen Seite wie der Gegenstand, also auf der gegenstandsnahen Seite. Es erscheint aufrecht und vergrößert.

Diese Anordnung findest Du bei einer Lupe, einem Vergrößerungsglas.


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Das Mikroskop ermöglicht eine sehr starke Vergrößerung. Es vergrößert einen Gegenstand in zwei Schritten. Die Vergrößerungsarbeit teilt sich zwischen einem Objektiv und einem Okular auf. Das Objektiv wird an das Objekt herangeführt. Das Okular ist dem Auge näher. Es wird auch "Augenlinse" genannt. Das Okular soll hier zuerst betrachtet werden.

Strahlengang bei Mikroskop und Lupe

Ein Okular ist im unteren Teil der Abbildung zu sehen. Dabei handelt es sich um eine Sammellinse bzw. Lupe von kurzer Brennweite. Die Lupe wird so weit an den Gegenstand herangeführt, dass dieser innerhalb der Brennweite in der Nähe des Brennpunkts liegt. Das Bild des Gegenstandes erscheint durch die Lupe unter einem größeren Winkel, dem Sehwinkel, als mit dem bloßen Auge. Mit Hilfe der Lupe erhälst Du so ein vergrößertes, aufrechtes und virtuelles Bild. 

Die gesamte Anordnung für das Mikroskop ist im oberen Teil der Abbildung dargestellt. Im Mikroskop wird zuerst mit dem Objektiv ein Zwischenbild des Gegenstandes erzeugt. Der Gegenstand soll sich dabei zwischen einfacher und doppelter Brennweite der Sammellinse befinden. Dann erzeugt das Objektiv ein stark vergrößertes reelles Zwischenbild. Dieses reelle Bild wird durch eine Lupe, wie eben beschrieben, betrachtet. Dadurch tritt eine nochmalige Vergrößerung ein. Die Brennweiten der eingesetzten Linsen lassen sich in geeigneter Weise ändern, um das beste Ergebnis zu erhalten.

Mikroskope bestehen also hauptsächlich aus zwei Sammellinsen ( oder Linsensystemen ) und zusätzlich einer Beleuchtungseinrichtung. Die letztere sorgt für eine optimale Ausleuchtung des Gegenstandes.


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Durch geeignete Linsensysteme bildet ein Fotoapparat Gegenstände verkleinert auf einem Film ab. Die Linsen von Bildwerfern, so genannten Diaprojektoren, dagegen erzeugen ein stark vergrößertes Bild. Kleine Bilder werden hier auf einen Schirm oder eine Leinwand projiziert, so dass sie gleichzeitig von mehreren Personen gesehen werden können.

Aufbau eines DiaprojektorsBeim Diaprojektor wird mit Hilfe einer Sammellinse ein stark vergrößertes, reelles Bild erzeugt. Durch die Sammellinse, die auch Kondensor genannt wird, ist eine gleichmäßig gute Ausleuchtung des Dias möglich. Der Kondensor bündelt das Licht. Diese Linse bricht das Licht der Lampe so, dass die gesamte Strahlung, welche durch das Dia läuft, auch vom Objektiv erfasst wird. Bei richtigem Strahlengang entsteht ein helles Bild auf der Projektionsleinwand.

Beim Diaprojektor wird der Gegenstand im Durchlicht beleuchtet. Wird ein Objekt jedoch mit Auflicht bestrahlt, so heißt das entsprechende Gerät Episkop. Projektoren, die beide Möglichkeiten bereithalten, heißen Episdiaskope.


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Lichtwellen sind elektromagnetische Wellen, die sich mit Röntgenstrahlen oder Radiowellen vergleichen lassen. Sie benötigen zu ihrer Ausbreitung keinen Träger. Lichtwellen breiten sich also auch im luftleeren Raum aus. Sie entstehen durch die Schwingungen eines elektromagnetischen Feldes. Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit c fort. Lichtwellen besitzen eine Frequenz ν ( gesprochen: Ny ) und eine Wellenlänge λ. Es gilt:

                                                                                                c = ν mal λ

Je kürzer die Wellenlänge λ ist, desto höher ist die Frequenz ν und umgekehrt. In der vorliegenden eindimensionalen Darstellung dieser Zusammenhänge ist die Wellenlänge der Abstand, mit dem zwei Wellenberge aufeinander folgen. Entsprechendes gilt auch für den Abstand, auf den zwei Wellentäler nacheinander folgen.

Die Schwingung ist eine periodische BewegungAls Schwingungszahl oder Frequenz ν bezeichnet man die Anzahl der Schwingungen, die in einer Sekunde ausgeführt werden. Man misst sie in Hertz ( Hz ). Hertz gehört zu den abgeleiteten Einheiten im Internationalen Einheitensystem. Den Abstand zwischen der Ruhelage des schwingenden Körpers und dem von dieser Ruhelage am weitesten entfernten Punkt, der in einer Schwingung erreicht werden kann, nennt man größte Schwingungsweite. Zu dieser größten Auslenkung wird auch Amplitude gesagt.


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Wellen können als Schwingungen um eine Ruhelage betrachtet werden. Überlagert man nun Wellenzüge gleicher Wellenlänge λ, so dass die entsprechenden Wellenberge und Wellentäler übereinander liegen, so addieren sich die Auslenkungen. Die Welle wird größer. Legt man aber die Schwingungsberge einer Welle genau auf die Schwingungstäler einer anderen, so ergibt die Summe der beiden einen kleineren Wert.
Überlagerung von gleichartigen Wellen
Sind Berge und Täler beider Wellen gleich hoch, dann löschen sich die Wellen sogar gegenseitig aus. Aus solch einer Überlagerung von Licht kann also Dunkelheit entstehen. Diese Art der Überlagerung gleichartiger Wellen heißt Interferenz. Bei dem Zusammenwirken der Amplituden der Einzelwellen kann es zur Verstärkung, Schwächung oder sogar zur Auslöschung der resultierenden Welle kommen.
Die Farben von dünnen Ölschichten auf Wasser lassen sich durch Interferenz erklären. Hier werden aus den verschiedenen Wellenlängen des weißen Lichts einzelne Wellenlängen ausgelöscht. Die übrig gebliebenen Wellenlängen des weißen Lichts werden Dir dann als Farbe erkennbar.


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Bei Schallwellen und Wasserwellen können sich Wellenzüge überlagern, wenn sie an einem bestimmten Raumpunkt eine feste Phasenbeziehung zueinander aufweisen. Für diese Art von Wellen wird der Fachausdruck " kohärente Welle " benutzt. Je nachdem, wie die verschiedenen Wellen aufeinander treffen, erfolgt eine Verstärkung oder eine Schwächung der resultierenden Welle. Trifft ein Wellenberg auf einen Wellenberg, so tritt eine Verstärkung der Welle ein. Wenn ein Wellenberg auf ein Wellental trifft, so kann die Welle ausgelöscht werden. Diese physikalische Erscheinung, dass sich kohärente Wellen überlagern, wird als Interferenz bezeichnet.
Interferenz bei kohärenten LichtwellenAuch bei Lichtwellen tritt infolge der Überlagerung von Wellen Interferenz auf. Das Licht ist hier als elektromagnetische Welle zu verstehen. Es kann zu einer Verstärkung, Schwächung oder Auslöschung des Lichts kommen. Das hängt ganz von der Phasenverschiebung oder dem Gangunterschied der Wellen ab. So tritt eine Verstärkung ein, wenn der Gangunterschied ein geradzahliges Vielfaches von " ½ λ " ist. Bei einem ungeradzahligen Vielfachen von " ½ λ " für die Wellenzüge, tritt Schwächung auf.
Trifft eine ebene Lichtwelle von links auf die Oberfläche einer dünnen durchsichtigen Glasplatte wie in der Abbildung, so wird an der oberen Grenzfläche ein Teil der Welle reflektiert. Ein anderer Teil dringt in das Glas ein. Beim Verlassen der Glasplatte wird auch dieser Teil reflektiert. Auch er tritt an der oberen Grenzfläche der Glasplatte aus. Durch diese Aufspaltung der Wellenzüge überlagern sich vor der ersten Grenzebene die beiden kohärenten Wellen. Auf diese Art tritt bei einer Reflexion der Wellenzüge Interferenz auf.


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Eine Plankonvexlinse liegt mit ihrer gekrümmten Seite auf einer planparallelen Glasplatte. Die Linse mit großem Krümmungsradius hat eine große Brennweite. Es ist eine relativ dünne Linse, bei der die auftreffenden Lichtstrahlen weniger stark gebeugt werden. Zwischen der Linse und der Platte erstreckt sich ein keilförmiger Luftspalt, der nach außen hin in seiner Dicke zunimmt.
Interferenz bei Newtonschen Ringen
Die Punkte gleicher Luftschichtdicke liegen auf Kreisen um den Berührungspunkt herum. Bei Beleuchtung mit Licht von nur einer Wellenlänge entstehen an Orten der Auslöschung durch Interferenz dunkle Ringe -- und an den Orten der Verstärkung helle Ringe. Es überlagern sich die an der Grenzschicht Glas-Luft reflektierten Wellen und die an der Glasplatte reflektierten Wellen.
Dieses bemerkenswerte Ergebnis kann von oben beobachtet werden.
Im Licht von nur einer Wellenlänge erscheinen konzentrische, hell bis dunkle Kreise. Weißes Licht führt zu farbigen Newtonschen Ringen. Isaac Newton ( 1643-1727 ) fand als Erster eine tiefer gehende Deutung dieser nach ihm benannten Ringe.


 

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 Betrachtung zur Entstehung und Ausbreitung von Licht

Damit Licht entsteht, muss Energie vorhanden sein. Nach der Vorstellung der Physiker werden Elektronen in Atomen und in Molekülen durch Aufnahme von Energie angeregt. Elektronen erreichen so ein " höheres Energieniveau ". Sobald die Elektronen wieder auf einen niedrigeren Energiezustand oder den Grundzustand zurückspringen, wird die vorher aufgenommene Energie als Licht frei. Bei einer solchen Art von " Lichtquelle "  entsteht Licht von nur einer Wellenlänge, also einer bestimmten Farbe.

Entstehung und Ausbreitung von LichtZwei sich ergänzende -- und sich paradoxerweise gegenseitig ausschließende -- Modellvorstellungen für die Ausbreitung des Lichts tragen erfolgreich zur Beschreibung vieler Phänomene bei. Die Physiker schreiben dem Licht also eine doppelte Natur zu. Die eine Modellvorstellung versteht das Licht als bewegtes Teilchen, das heißt, als so genannte Korpuskel.

In der anderen Modellvorstellung wird das Licht als transversale, räumliche Welle angesehen, wie in der unteren Abbildung dargestellt. Diese Vorstellung geht auf den englischen Physiker James Clerk Maxwell ( 1831-1879 ) zurück.

Die Ausbreitung des Lichts konnte von Maxwell mit Hilfe von mathematischen Gleichungen in Form einer elektromagnetischen Wellenbewegung zufriedenstellend beschrieben werden. Nach dieser elektromagnetischen Lichttheorie findet eine zeitlich und räumlich periodische Änderung der elektrischen Feldstärke E und der magnetischen Feldstärke H statt. Die Vektoren der Feldstärken stehen senkrecht zur Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichts und bilden auch miteinander einen rechten Winkel.

Wie alle Wellen besitzen auch elektromagnetische Wellen eine Frequenz ν und eine Wellenlänge λ.


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Reine Spektralfarben werden durch das Licht einer einzigen Wellenlänge erzeugt. Mischfarben setzen sich aus mehreren Spektralfarben zusammen. Ingenieure und Maler wissen, die Erzeugung von neuen Farbtönen kann durch additive Farbmischung erfolgen. 

Farbaddition von LichtstrahlenEine Farbaddition liegt vor, wenn die neue Farbe durch das Zusammenwirken zweier oder mehrerer so genannter Primärfarben erfolgt. Additive Farbmischung ist eine Überlagerung unterschiedlicher Farben. Für uns ergibt sich eine Farbwahrnehmung aus der Summe der Einzelfarben. In der (vereinfachten) Abbildung wird ein weißer Schirm mit unterschiedlichen Farben beleuchtet. Rotes,  blaues und grünes Licht überdecken sich auf der Fläche zum Teil. Der Überdeckungsbereich aller drei Primärfarben erscheint uns weiß. An dieser Stelle sind alle Farbanteile aus dem Spektrum des weißen Lichts vorhanden.

Dieses Geschehen wird beim Farbfernsehen genutzt. Hier wird jede Farbe durch Mischung der drei Primärfarben Rot, Grün und Blau dargestellt. Aus der Gesamtheit dieser Farben wird der Farbeindruck weiß, also farblos, erzeugt. Aus Rot und Grün allein entsteht für uns der Farbeindruck gelb.



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Die Farben lichtundurchlässiger Körper, die so genannten Körperfarben entstehen durch Farbwegnahme. So verschluckt z.B. die metallic rote Oberfläche eines roten Autos aus dem auffallenden weißen Tageslicht alle Farben außer Rot, Orange und Gelb. Diese Farben werden gestreut und rufen in unserem Auge den Eindruck eines ganz bestimmten Rots hervor.

Farbsubtraktion bei FarbstoffenWir sprechen von Farbsubtraktion, wenn zur Herstellung einer neuen Farbe einzelne Spektralbereiche aus einer Mischfarbe ausgesondert werden. Bei einer Mischung von den Farbstoffen Gelb und Blau entsteht z.B. die Farbe Grün. Das kommt daher, dass die nicht selbstleuchtenden Körper die Farbanteile des auffallenden Lichts unterschiedlich stark aufnehmen, also absorbieren, und nur den Rest reflektieren. Die betreffenden Körper erscheinen uns dann in der Farbe, die vorwiegend reflektiert wird. Genau das ist die Körperfarbe. Im letztgenannten Beispiel ist Grün die einzige Farbe, die nicht absorbiert wird, deshalb wird sie zurückgeworfen. (Wurde in der vorliegenden Abbildung nicht berücksichtigt).

Werden die Farbstoffe der Primärfarben Rot Gelb und Blau gemischt, so tritt eine vollständige Absorption des weißen Lichts ein. Das Ergebnis einer solchen Überdeckung  ist die Farbe Schwarz, wie es in der Abbildung angedeutet wird. Wir sehen also bei der Mischung von den Primärfarben Rot, Gelb und Blau durch Farbwegnahme allein die Farbe Schwarz. 

Während bei subtraktiver Farbmischung von Gelb und Blau, wie oben beschrieben, ein tiefes Grün entsteht, kann sich als Ergebnis einer additiven Farbmischung von Gelb und Blau als Ergebnis nahezu Unbunt ergeben.


Rubrik Optik im November 2006 erweitert