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Physik behandelt die Gesetzmäßigkeiten der Natur. Die Optik befasst sich mit den Eigenschaften des Lichtes, mit Spiegelung, Brechung, Farben und vielen Phänomenen, die uns Auskunft geben über Objekte, die soweit weg sind, dass wir sie nie selbst erreichen werden. Ich sprechen von den Himmelskörpern, den Planeten, Sternen und Galaxien.
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An extrem glänzenden Oberflächen, anr ruhigen dunklen Seen, an den Glasscheiben, deren Rückseite versilbert ist, und die wir Spiegel nennen wird das Licht zurückgeworfen oder man sollte besser sagen weitergeworfen. Denn in gewisser Weise verhält sich das Licht wie ein Billardball oder Fußball, der von einer Wand abprallt. Wenn man parallele Lichtstrahlen hat, dann kann man damit ein Experiment zur Spiegelung machen. Die Physiker nennen die Spiegelung auch Reflexion. Aber Reflexion ist auch nichts anderes als das lateinische Wort für Zurückwerfen. Die meisten spiegelnden Oberflächen sind eben, auch der Spiegel auf dem Klo oder die Seeoberfläche, wenn kein Wind weht. Deswegen versteht man unter Spiegel in der Regel einen ebenen Spiegel - eben eben flach wie ein Brett, jedenfalls wie ein Brett, das nicht durch Feuchtigkeit verzogen wurde.
Wenn wir den linken Lichtstrahl anschauen, dann stellen wir fest, dass dieser an der Linie die über 0° senkrecht nach oben geht auf den Spiegel auftrifft. Diese Linie, die auf der Winkeloberfläche senkrecht steht, nennt man auch Lot oder Senkrechte. Der Lichtstrahl wird reflektiert und läuft unter dem selben Winkel nach links unten aus dem Bild. Das könnt ihr anhand der Winkelskala bis auf 0,5° genau feststellen.
Das Reflexionsgesetz besteht aus drei Worten:
Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel.
Aber Vorsicht: In manchen Schulbüchern spricht man anstatt von Ausfallswinkel auch von Reflexionswinkel. Aber damit ist dasselbe gemeint, nämlich der Winkel unter dem der Lichtstrahl bezüglich der Senkrechten, bzw. des Lotes, vom Spiegel weg verläuft.
Was Licht tatsächlich ist, dazu können wir jetzt eine Vorstellung aufbauen, wenn wir an das Billardspiel denken.
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Ein Lichtstrahl, der von Luft in Glas oder Wasser eintritt, wird zum Lot hin gebrochen. Bei durchsichtigen Körpern zeigt uns die Erfahrung, dass es Einfallswinkel gibt, bei denen sowohl Reflektion als auch Brechung auftreten. Der Lichtstrahl wird sozusagen aufgespalten. Es gibt auch Fälle, also Einfallswinkel, bei denen nur Reflektion stattfindet. Blickt man senkrecht, also in Richtung des Lotes auf eine Glas- oder Wasseroberfläche, dann bemerkt man oft nur eine geringe oder gar keine Reflektion des Lichtes.
Mittels eines CAD-Programmes habe ich für Euch einen - idealisierten - Strahlengang für Brechung und Reflektion gezeichnet. Das CAD Programm, Computer aided Drawing, übersetzt Computer unterstützes Zeichnen, kann alle Fälle durch verändern einer Größe, hier des Einfallswinkels darstellen. Das ist gut, wenn man exakt zeichnen will.
Das Reflektionsgesetz besagt, dass Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel ist. Statt Ausfallswinkel sagt man auch Reflektionswinkel. (Man kann auch Reflexionswinkel schreiben, dank der Rechtschreibreform.)
Der einfallende Strahl und der aus dem Glasquader austretende Strahl verlaufen versetzt, aber auch parallel.
Im Inneren des Glasquaders verläuft der Strahl unter einem kleineren Winkel zum Lot. Also kann man auch sagen: Der Strahl wird zum Lot hin gebrochen. Beim Austritt wird der Strahl vom Lost weggebrochen. Man sagt zu diesem Verhalten auch, dass Glas optisch "dichter" sei als Luft.
Viel mehr als eine solche technische Skizze sagt uns aber das Experimental-Foto.
Bei diesem Foto kommen zwei Lichtstrahlen von rechts unten. Diese treffen auf einen Plexiglasquader und werden sowohl reflektiert, als auch gebrochen.
Wenn ihr genau hinschaut werdet ihr verschiedene Reflexionen und Brechungen der Lichtstrahlen erkennen. Die sehr hellen "Hauptlichtstrahlen" verlaufen nach dem Austritt aus dem Plexiglasquader wieder parallel zu den Lichtstrahlen die aus der Lichtquelle austreten. Die beiden Strahlen werden sozusagen "parallel" verschoben. In diesem Beispiel könnt ihr nicht das Reflexionsgesetz anhand der senkrechten Linie über ß° nachprüfen, denn der Plexiglasquader ist nicht senkrecht zu dieser Linie ausgerichtet. Da habe ich nicht aufgepasst. Wir werden dieses Experiment von sorgfältigen Schüler-Experimentatoren korrekter wiederholen lassen. Aber es gibt noch eine Möglichkeit, wie man das Reflexionsgesetz trotzdem nachprüfen könnte! Wie?
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Ein weißer Lichtstrahl, der aus verschiedenen Lichtfarben zusammengesetzt ist, wird durch ein Prisma in seine farbigen Bestandteile zerlegt. Die Lichtbrechung, also die Größenordnung des Brechwinkels hängt von der Farbe des Lichtes ab. Die Farbe des Lichtes wird durch bestimmte physikalische Größen des Lichtes bestimmt, in diesem Fall durch die Wellenlänge, was auch immer das erstmal ist. Für Schüler der 6. oder 7. Klasse genügt es zu wissen, dass blaues Licht anders umgelenkt wird als rotes Licht. Die ganze Vielzahl der Lichtfarben nennt man Spektrum. Das euch aus der Natur bekannte Beispiel eines solchen Spektrums ist der Farbverlauf des Regenbogens.
Ihr seht, dass das blaue, violette Licht stärker umgelenkt wird, als das rote Licht.
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Die Brechung von Lichtstrahlen wird bei Linsen dazu ausgenutzt optische Bilder zu erzeugen. Das war von Anfang an der Grund für die Entwicklung von Linsen, z.B. für Brillen, Lupen oder Kameras. Von der Form her kann man sich Linsen, besonders Sammellinsen wie Gemüselinsen vorstellen. Für unsere Physikversuche arbeiten wir mit Linsenmodellen, die nur einen Schnitt durch eine Linse darstellen. Diese Linsenmodelle sind Kreissegmente. Wir werden sehen, dass zu große Kreissegmente sich nicht als Linsen eignen, die alle parallelen einfallenden Lichtstrahlen in einem Punkt, dem Brennpunkt sammeln. Doch schauen wir selbst. Schauen wir uns die Experimentalfotos an.
Wir fangen mit Sammellinsen an, die man auch Konvergenzlinsen nennt. Konvergenz bedeutet zusammenlaufen. Und das, was zusammenläuft, sind die Lichtstrahlen.
Wir erkennen, dass die 5 parallelen Strahlen hinter der Sammellinse, die aus einem Kreissegment besteht, in einem Brennpunkt zusammenlaufen. Wer genauer hinschaut wird sagen. Das ist kein Brennpunkt, sondern eine Brennfläche. Das stimmt. Aber wenn wir nur sehr achsennahe Strahlen betrachten, dann können wir von einem Brennpunkt sprechen. Was ist hier die Achse. Das ist in dem Beispiel dieses Fotos der mittlere Lichtstrahl. Und nur Strahlen die nah und parallel zu diesem Strahl verlaufen, sind achsennah.
Im nächsten Bild sehen wir eine Linse, die aus einem Halbkreiskörper besteht. Jetzt sehen wir ganz deutlich, dass die drei inneren Lichtstrahlen einen anderen Brennpunkt als die beiden äußeren Strahlen haben.
Wer sich die Strahlen hinter dem Brennpunkten ansieht, sieht, dass diese Strahlen auseinander laufen. Statt auseinander laufen sagen Physiker - divergieren. Manche Physiker finden Fremwort gut, um sich vom gemeinen Volk zu unterscheiden. Aber für andere Physiker ist das egal. Ich finde es gut, wenn ihr wisst, was Sammellinsen machen. Ach ja - oft gibt es in der Physik ein Gegenteil oder Gegenstück zu etwas. Das Gegenstück zur Sammellinse ist die Zerstreuungslinse. Die nennen die fremdwortfreundlichen Physiker auch Divergenzlinse.
Diese Linse sorgt dafür , dass Lichtstrahlen direkt nach dem Austritt aus der Linse auseinanderlaufen oder divergieren.