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Strahlenoptik

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Team Wissenswelt
Strahlenoptik
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse

Grundlagen zum Thema Strahlenoptik

Mit dem Strahlenmodell des Lichts kann man die Funktionsweise vieler optischer Geräte erklären. In diesem Video erhältst du in einen Überblick über alle wichtigen optischen Bauteile, wie z.B. den ebenen Spiegel, den Hohlspiegel, den Wölbspiegel, die Brechung, die Sammellinsen, die Zerstreuungslinsen, die Totalreflexion, das Mikroskop und das Fernrohr, sowie über ihre Funktionen. Dabei verfolgen wir jeweils der Gang der Strahlen durch das Bauteil. In diesem Video lernst du außerdem grundlegende Modelle und Gesetze wie das Strahlenmodell, die Schattenbilder, das Reflexionsgesetz und das Brechungsgesetz kennen. Auch das Auge wird besprochen und du lernst, wie Fehlsichtigkeit ausgeglichen wird.

Transkript Strahlenoptik

Licht hat für unser Leben auf der Erde eine fundamentale Bedeutung. Viele Prozesse in der Natur würden sonst nicht ablaufen. Ohne Licht könnten wir um uns herum nichts sehen. “Sehen und gesehen werden”, heißt es in einem Alltagsspruch. Was bedeutet das in der Optik? Wir sehen Gegenstände oder Personen dadurch, dass diese auftreffendes Licht reflektieren, dieses reflektierte Licht in unser Auge gelangt und schließlich dort ein Bild entsteht. Lichtquellen erzeugen selbst Licht. Alle anderen Körper, die nur das auftreffende Licht reflektieren, heißen beleuchtete Körper. Ein mögliches Modell der Lichtausbreitung ist das Strahlenmodell des Lichtes. Die Lichtstrahlen breiten sich von einer Lichtquelle geradlinig und allseitig aus, bis sie auf Hindernisse treffen. Wenn diese Hindernisse lichtundurchlässig sind, entsteht bei entsprechender Beleuchtung hinter diesen ein Schatten. Bei mehreren punktförmigen Lichtquellen oder einer ausgedehnten Lichtquelle, wie der Sonne oder einer Leuchtstoffröhre, können verschieden dunkle Schatten entstehen. Der Kernschatten ist das Gebiet hinter einem lichtundurchlässigen Körper, wo kein Licht hinkommt. Die verschiedenen Mondphasen wie Neumond, zunehmender Mond, Halbmond und abnehmender Mond entstehen durch die sich ändernden Stellungen von Sonne, Erde und Mond zueinander. Sonnen- und Mondfinsternisse sind immer wieder spektakuläre Schauspiele am Himmel. Sie entstehen dadurch, dass in größeren zeitlichen Abständen Sonne, Mond und Erde annähernd in einer Linie stehen. Bei einer Sonnenfinsternis liegt ein Teil der Erdoberfläche im Schatten des Mondes. Wenn dieser Erdteil im Kernschatten liegt, handelt es sich für den Beobachter um eine totale Sonnenfinsternis; befindet man sich auf der Erde im Halbschattenbereich, ist es eine partielle Sonnenfinsternis. Bei einer Mondfinsternis befindet sich der im Vergleich sehr kleine Mond entweder teilweise oder vollständig im Kernschatten der Erde. Helle Körper, wie zum Beispiel Glasflächen, helle Hausfassaden oder Schneefelder, reflektieren sehr viel Licht; dunkle Körper absorbieren viel Licht und reflektieren nur einen geringen Anteil. An glatten Oberflächen wird das Licht in eine bestimmte Richtung reflektiert; diese Reflexion heißt gerichtete oder reguläre Reflexion. Bei einer rauen Oberfläche verläuft die Reflexion diffus, also in verschiedene Richtungen. Wenn der einfallende Lichtstrahl, das senkrecht zur Spiegelfläche stehende Einfallslot und der reflektierte Strahl in einer Ebene liegen, gilt: Einfallswinkel Alpha und Reflexionswinkel Alpha' sind gleich groß. Der Lichtweg ist umkehrbar. Bei der Reflexion am ebenen Spiegel sind Gegenstand und Spiegelbild symmetrisch zueinander. Die Größe bleibt unverändert. Ein Spiegelbild kann man sehen und fotografieren, doch Spiegelbilder kann man nicht auf einem Schirm auffangen, es sind virtuelle Bilder. Diese Bildentstehungen kann man auch an Fensterscheiben und ruhigen Wasseroberflächen beobachten. Bei den ersten Mondlandungen wurden auf dem Mond Spiegel aufgestellt, die von der Erde kommendes Laserlicht reflektieren; so konnte man die Entfernung zwischen Erde und Mond ziemlich genau bestimmen. Beim Kosmetikspiegel entsteht bei geringer Entfernung des Originales ein aufrechtes, vergrößertes und virtuelles Bild. Wenn Lichtstrahlen auf einen Hohlspiegel treffen, werden sie durch Reflexion zu Brennpunktstrahlen. Im Brennpunkt kann eine sehr hohe Temperatur erreicht werden. Bei Parabolspiegeln wird das Licht in einem kleinen Bereich gesammelt. Wenn sich die Lichtquelle im Brennpunkt befindet, wird es nach der Reflexion als paralleles Licht abgegeben. Trifft paralleles Licht auf Wölbspiegel, wird es in Form eines auseinandergehenden Lichtkegels reflektiert. Deshalb findet man Wölbspiegel als nützliche Hilfen zur Vermeidung toter Winkel im Straßenverkehr. Licht ändert an der Grenze zweier lichtdurchlässiger Stoffe seine Ausbreitungsrichtung; es wird vom geradlinigen Verlauf abgelenkt. Es gilt für die Bezugsebene das Brechungsgesetz sin(Alpha)/sin(Beta)=c1/c2=n2/n1. Die Totalreflexion ist ein Sonderfall der Lichtbrechung. Wenn Licht von einem optisch dichteren Stoff in einen optisch dünneren Stoff übergeht, wird es ab einem Grenzwinkel vollständig reflektiert. Beim Aquarium ist die Totalreflexion an der Grenzfläche von Wasser zu Luft zu beobachten. Der Kern des Lichtleitkabels besteht aus einem optisch dichteren Glas, Quarz oder Kunststoff, darum liegt ein optisch dünnerer Mantel; dadurch wird das Licht immer wieder in den Kern totalreflektiert. Die bunten Lichtpunkte entstehen hier, weil sich am anderen Ende der Lichtleitkabel eine bunte Scheib befindet. Sammellinsen sind aus optisch durchlässigen Stoffen. Von der Form her sind sie in der Mitte dicker als am Rand, deshalb sammelt sich das Licht nach dem Linsendurchgang und der dabei auftretenden Brechung zunächst im Brennpunkt der Linse. Je nach Entfernung des Gegenstandes zur Linse können hier virtuelle, also scheinbare, oder reelle, also wirkliche, Bilder entstehen. Reelle Bilder kann man auf einem Schirm auffangen. Lupen sind Sammellinsen, bei denen sich der Gegenstand innerhalb der einfachen Brennweite befindet. Es entstehen vergrößerte, gleichgelegene, seitenrichtige und virtuelle Bilder. Zerstreuungslinsen brechen paralleles Licht in auseinanderlaufende Richtungen und umgekehrt. Bei Zerstreuungslinsen entsteht, unabhängig von der Gegenstandsweite, ein verkleinertes, aufrechtes, seitenrichtiges und virtuelles Bild. Das einfache Mikroskop besitzt zwei Sammellinsen, das Objektiv und das Okular, die als System funktionieren. Das reelle Zwischenbild, das nach der ersten Linse entsteht, wird durch die zweite Linse noch einmal vergrößert. Das Ergebnis ist ein stark vergrößertes, virtuelles Bild des Objektes. Mit astronomischen Fernrohren kann man sehr weit entfernte Objekte wie Sterne und Planeten gut sichtbar machen. Das Zwischenbild ist verkleinert, reell, umgekehrt und seitenvertauscht; durch die zweite Linse entsteht ein vergrößertes, virtuelles, aufrechtstehendes und seitenrichtiges Bild. Mit Fotoapparaten kann man reelle Bilder von Gegenständen auf einem Film oder einem Halbleiterspeicher festhalten. Wenn sich das Objekt außerhalb der doppelten Brennweiter befindet, sind die Bilder verkleinert, umgekehrt und seitenvertauscht. Wenn von einem Gegenstand Licht auf das Auge fällt, wird dieses Licht an Hornhaut und Augenlinse gebrochen. In der Netzhaut entsteht ein reelles, umgekehrtes, verkleinertes Bild. Die Augenlinse ist eine flexible Sammellinse, sie befindet sich hinter der Hornhaut und vor dem Glaskörper. Direkt am Glaskörper liegt die Netzhaut an, dann folgt die gut durchblutete Aderhaut und außen die Lederhaut. Die Pupille als Öffnung reguliert den Lichteinfall. Bei starkem Licht zieht sie sich zusammen; das bewirkt, dass eine optimale Lichtstärke auf die Augenlinse fällt. Sehfehler sind die Folge von Abweichungen im Bau oder in der Funktion des Auges. Die Sehfehler führen zur Entstehung unscharfer Bilder in der Netzhaut. Viele Sehfehler können durch die Anpassung von Brillen korrigiert werden. Die Spektralzerlegung des weißen Lichts ist mit dem Wellenmodell erklärbar. Lichtwellen sind elektromagnetische Wellen und Licht besitzt Welleneigenschaften wie Wellenlänge, -beugung und -interferenz. Am Prisma entsteht durch Brechung die Dispersion des Lichtes. Die Oberfläche einer CD besteht aus Pits, also den Vertiefungen, und Lens. Infolgedessen wird das Licht diffus reflektiert und anschließend treten Interferenzen auf; ein Beugungsspektrum entsteht. An den sichtbaren Bereich schließen sich die Bereiche des infraroten und ultravioletten Lichtes an. Ultraviolettes Licht kann zur Überprüfung der Echtheit von Geldscheinen genutzt werden. Lässt man das einfarbige Licht eines Lasers auf ein optisches Gitter fallen, sieht man nicht, wie vielleicht zu erwarten, die Gitterstäbe, sondern einzelne helle Streifen. Diese Maxima entstehen dadurch, dass das Licht um die feinen Hindernisse gebeugt wird und die Wellen sich dann überlagern. Die Funktion einer Solarzelle ist nur mit einem dritten Modell des Lichts, dem Quantenmodell, erklärbar. Die Photonen des auftreffenden Lichts stoßen die im Halbleiter befindlichen Elektronen auf ein höheres Niveau, auf ein Leitungsband. Dazu müssen die Photonen einen bestimmten Energiewert auf die Elektronen übertragen. Zwischen p- und n-Gebiet kann nun ein Strom fließen. Im Inneren der Glaskugel befindet sich zur Verringerung des Luftwiderstandes ein Teilvakuum. Das Licht wird von der schwarzen Seite der Metallplättchen stärker absorbiert. An den schwarzen Flächen entsteht in Wechselwirkung mit den Luftmolekülen ein höherer Druck als an den hellen Flächen. Durch einen Druckimpuls wird die Rotation des Flügelrädchens bewirkt. Licht ist Energie. Ohne Licht ist ein Alltag, wie wir ihn kennen, nicht möglich. Ohne Licht gäbe es kein Leben auf unserem Planeten.

14 Kommentare

14 Kommentare
  1. Das Video war ganz OKAY

    Von Maikely, vor fast 2 Jahren
  2. Video war ganz OKAY, aber der Sprecher kam mir LOST rüber

    Von Ricky1012, vor fast 3 Jahren
  3. also ich habe es net so gut verstanden

    Von Nikolai B., vor fast 3 Jahren
  4. Ich fand es sehr gut. Es war echt gut erklärt

    Von Tatigraf, vor etwa 3 Jahren
  5. nicht so gut erklärt :/

    Von Maja Filut, vor etwa 3 Jahren
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Strahlenoptik Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Strahlenoptik kannst du es wiederholen und üben.
  • Zeige, wie ein Bild im Auge entsteht.

    Tipps

    Die Linse im Auge projiziert das Bild des Gegenstandes auf die Netzhaut.

    Die Hornhaut grenzt das Auge nach außen ab.

    Die Linse ist viel kleiner als der Glaskörper des Auges.

    Als Schirm kann man die Region bezeichnen, wo das Bild entsteht.

    Lösung

    Eine Kamera hat eine ähnliche Funktionsweise wie ein menschliches Auge. Die Hornhaut ist die äußerste Hülle, die das Auge schützt. Betrachtest du einen Gegenstand, so tritt Licht durch die Pupille in das Auge ein. Die Pupille öffnet sich, um mehr Licht einzulassen oder zieht sich zusammen, um weniger Licht einzulassen. Dieser Bewegung entspricht bei der Kamera die Funktion der Blende. Durch die Linse wird beim Auge wie bei einer Kamera das Bild auf der Netzhaut fokussiert. Auf dem Weg zur Netzhaut geht das Licht durch den Glaskörper des Auges. Auf der Netzhaut entsteht ein reelles Bild des Gegenstandes. Die Netzhaut hat also eine ähnliche Funktion wie ein Schirm, auf der das Bild zu sehen ist. Von den Rezeptoren der Netzhaut werden elektrische Signale durch den Sehnerv zum Gehirn geleitet.

  • Vervollständige die Sätze.

    Tipps

    Ein virtuelles Bild kann man sehen, aber nicht auf einem Schirm auffangen.

    Bei einer totalen Sonnenfinsternis liegt ein Teil der Erdoberfläche im Kernschatten des Mondes.

    Stehen zwei Menschen vor einem Spiegel, so können sie einander durch den Spiegel in die Augen schauen.

    Lösung

    Folgende Sätze sind richtig:

    • „Bei einer Mondfinsternis ... liegt der Mond im Schatten der Erde.“ Dadurch ist der Mond nicht so hell zu sehen wie üblich, obwohl er nicht verdeckt ist.
    • „Ein Spiegelbild ... ist ein virtuelles Bild.“ Du kannst das Bild sehen, aber nicht auf einem Schirm auffangen.
    • „Bei einer Reflexion ... ist der Lichtweg umkehrbar.“ Betrachten sich zwei Menschen im Spiegel, so können sie einander durch den Spiegel in die Augen schauen. Der Lichtweg von einem Auge zum anderen ist also umkehrbar.
    • „Beim Durchgang durch eine Sammellinse ... sammelt sich das Licht im Brennpunkt.“ Du kannst die Linse als Brennglas benutzen, denn die Konzentration des Lichtes im Brennpunkt reicht aus, um z. B. Papier zu entflammen.
    • „Das Zwischenbild in einem Mikroskop oder Fernrohr ... ist ein reelles Bild.“ Du könntest das Bild auf einem Schirm auffangen. Stattdessen wird das von der ersten Linse – dem Objektiv – erzeugte Bild durch eine zweite Linse – das Okular – betrachtet. Durch die Verwendung zweier Linsen kommt eine stärkere Vergrößerung zustande.
  • Erschließe die Strahlenverläufe.

    Tipps

    Parallele Lichtstrahlen werden durch einen Wölbspiegel nicht gebündelt.

    Ein Spiegel fokussiert parallele Lichtstrahlen im Brennpunkt, wenn er eine parabelförmige Höhlung hat.

    Eine Sammellinse ist in der Mitte dicker als am Rand.

    Lösung

    Verschiedene optische Instrumente machen sich die Ablenkung der Lichtstrahlen bei der Reflexion an einem Spiegel oder bei der Brechung in einer Linse zunutze. Die Geometrie der Spiegel und Linsen bestimmt den Verlauf der Strahlen und ist für die jeweilige Anwendung entscheidend. In der Aufgabe oben siehst du folgende Spiegel und Linsen:

    Linsen sind lichtdurchlässig, daher findet ein Strahlengang durch die Linse statt. Spiegel dagegen reflektieren Licht, daher befinden sich die Strahlen vor und nach Auftreffen auf den Spiegel auf derselben Seite.

    Parabolischer Hohlspiegel:

    Der Spiegel hat die Form eines Parabelastes. Der Strahlenverlauf befindet sich auf der „Innenseite“ der Krümmung, also in der Höhlung. Parallele Lichtstrahlen werden in einem Punkt auf derselben Seite fokussiert.

    Sphärischer Hohlspiegel:

    Wie bei dem Parabolischen Hohlspiegel werden parallele Strahlen auf derselben Seite fokussiert. Hier hat die Krümmung des Spiegels aber die Form eines Kreissegments. Dadurch werden die Strahlen nicht genau in einem Punkt fokussiert. Die entstehende Strahlenfigur heißt Katakaustik.

    Wölbspiegel:

    Die Lichtstrahlen befinden sich auf der „Außenseite“ der Krümmung, also auf der Wölbung. Parallele Lichtstrahlen werden auf derselben Seite gestreut.

    Sammellinse:

    Diese Linse ist in der Mitte dicker als am Rand. Parallele Lichtstrahlen werden auf der anderen Seite in einem Punkt fokussiert.

    Zerstreuungslinse:

    Diese Linse ist am Rand dicker als in der Mitte. Parallele Lichtstrahlen werden auf der anderen Seite gestreut.

  • Erschließe die Phänomene.

    Tipps

    Bei einer Beugung entstehen viele Bilder einer Lichtquelle.

    Bei einer Reflexion entsteht keine spektrale Aufspaltung.

    Lösung

    In der Aufgabe kommen Beispiele dreier verschiedener optischer Phänomene vor: Reflexion, Brechung und Beugung. Bei der Reflexion treffen Lichtstrahlen auf eine Fläche und werden auf dieselbe Seite in eine andere Richtung umgelenkt. Bei der Brechung treten Lichtstrahlen in ein optisch dichteres Medium ein und werden beim Durchgang durch das Medium von der Geraden abgelenkt. Die Beugung lässt sich im Strahlenmodell nicht erklären, sondern nur in einem Wellenmodell des Lichts. bei der Beugung entstehen viele verschiedene Bilder einer Lichtquelle. Die Beugungsbilder können wie Lichtbrechungen eine Spektralzerlegung haben. Sie sind in regelmäßigen Mustern angeordnet, die sich aus der Anordnung der Spalten des Gitters ergibt.

    In der Aufgabe siehst du folgende Bilder:

    Reflexion:

    • Auf einer glatten Oberfläche siehst du bei einer Reflexion ein gestreutes Bild des Gegenstandes. Ist die Oberfläche nicht glatt, wie z. B. bei bewegtem Wasser, so können sich auch verschiedene Reflexionen desselben Gegenstandes überlagern. In einem Bild siehst du die Reflexion der Sonne auf dem Wasser. Auf jeder Welle entsteht eine etwas andere Richtung der Wasserfläche. Dadurch sind die verschiedenen Reflexionen der Sonne zu einem langen Bild verschmiert.
    • Auf einer Brücke stehen in regelmäßigen Abständen Straßenlaternen, deren Licht sich im Wasser spiegelt. Auf den ersten Blick sieht das Bild aus wie die Interferenzen eines Beugungsbildes. Es handelt sich aber bei jedem der Lichtstreifen auf dem Wasser um ein Bild einer Lichtquelle. Bei der Beugung hingegen entstehen stets viele Bilder einer Lichtquelle.
    • Ein klassisches Beispiel für Reflexion ist ein Lichtstrahl, der von einem Spiegel abgelenkt wird. Dabei ist der Einfallswinkel des Lichtstrahls genauso groß wie der Reflexionswinkel.
    Brechung:
    • Im Wasser erscheint der Trinkhalm abgeknickt. Die Lichtstrahlen werden beim Eintritt in das optisch dichtere Medium Wasser von der Geraden abgelenkt. Der Trinkhalm erscheint daher wie gebrochen. Von dieser optischen Erscheinung rührt der Name Brechung her.
    • Ein Tapetenmuster erscheint durch ein Wasserglas betrachtet anders als durch Luft betrachtet. Es ist erkennbar dasselbe Muster, aber gegenüber dem direkt betrachteten verschoben oder eben gebrochen.
    Beugung:

    • Das Merkmal der Beugung ist, dass stets mehrere Bilder einer Lichtquelle entstehen. Das kannst du auch im Alltag vielfältig beobachten, z. B. bei den Scheinwerfern eines Autos. Durch die Textur des Scheinwerferglases entsteht ein Beugungsbild der Lichtquelle des Scheinwerfers.
    • Betrachtest du eine weiße Lampe durch ein Kreuzgitter, so entsteht ein horizontal und vertikal regelmäßig angeordnetes Muster aus einzelnen Lichtpunkten. Die Punkte – mit Ausnahme des mittleren – zeigen eine Spektralzerlegung, die durch die unterschiedlich starke Ablenkung der verschiedenen Wellenlängen zustande kommt.
  • Beschrifte das Bild.

    Tipps

    Im Kernschatten ist es am dunkelsten.

    Die Sonne ist größer als Mond und Erde.

    Bei einer Mondfinsternis liegt der Mond im Schatten, aber bei einer Sonnenfinsternis liegt nicht die Sonne im Schatten.

    Lösung

    Bei einem Schattenwurf durch mehrere Lichtquellen oder eine ausgedehnte Lichtquelle entstehen verschieden dunkle Schatten. Der Kernschatten ist der dunkelste Schatten, der durch die Überlagerung aller Schattenwürfe durch die einzelnen Lichtquellen zustande kommt. Die anderen, deutlich helleren Schatten heißen Halbschatten.

    Im Bild siehst du eine schematische Darstellung einer Mondfinsternis. Dabei liegt der Mond genau im Schatten der Erde. Im Bild ist die Sonne der größte Himmelskörper, der Mond der kleinste. Eine solche Mondfinsternis kommt in größeren, regelmäßigen zeitlichen Abständen zustande, wenn sich Sonne, Erde und Mond annähernd in einer Linie befinden.

  • Prüfe die Erklärungen.

    Tipps

    Die Blende einer Kamera regelt den Lichteinfall. Ist die Blende weit geöffnet, so fällt viel Licht ein.

    Ein reelles Bild erscheint auf einem Schirm, ein virtuelles nicht.

    Lösung

    Folgende Aussagen sind richtig:

    • „Vergleichst du das Auge mit einer Kamera, so entspricht die Pupille der Blende.“ Die Blende lässt unterschiedlich viel Licht in das Innere der Kamera. Eine ähnliche Funktion hat auch die Pupille des Auges.
    • „Der Ort des virtuellen Spiegelbildes hat denselben Abstand zum Spiegel wie der Betrachter.“ Das virtuelle Bild hat dieselbe optische Entfernung zum Spiegel wie der Gegenstand, dessen Bild es ist. Der Strahlenverlauf des Lichtes ist symmetrisch zum Spiegel.
    Folgende Aussagen sind falsch:

    • „Eine VR-Brille erzeugt auf der Netzhaut des Auges ein virtuelles Bild.“ Auf der Netzhaut entsteht auch in virtuellen Welten immer ein reelles Bild.
    • „Die Lichtmühle wird durch den Sonnenwind bewegt.“ Die Bewegung der Sonnenmühle kommt durch die unterschiedlich starke Absorption auf den beiden verschiedenen Seiten der Segel zustande. Der Sonnenwind dagegen ist ein Teilchenstrom, der von der Sonne ausgeht und z. B. Nordlicht verursacht.
    • „Je länger die Wellenlänge des Lichtes ist, desto länger braucht das Licht von der Lichtquelle zum Auge.“ Die Lichtgeschwindigkeit ist immer dieselbe, unabhängig von der Wellenlänge des Lichtes. Sie ist sogar eine Naturkonstante.
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