Lernziele
Am Ende dieses Abschnitts können Sie:
- Listen Sie die Wege auf, auf denen Licht von einer Quelle zu einem anderen Ort gelangt.
Es gibt drei Möglichkeiten, wie Licht von einer Quelle zu einem anderen Ort gelangen kann. (Siehe Abbildung 1.) Es kann direkt von der Quelle durch den leeren Raum kommen, z. B. von der Sonne zur Erde. Oder Licht kann durch verschiedene Medien wie Luft und Glas zur Person gelangen. Licht kann auch ankommen, nachdem es reflektiert wurde, beispielsweise durch einen Spiegel. In all diesen Fällen wird Licht so modelliert, dass es sich in geraden Linien bewegt, die als Strahlen bezeichnet werden. Licht kann die Richtung ändern, wenn es auf Objekte trifft (z. B. einen Spiegel) oder von einem Material zum anderen übergeht (z. B. von Luft zu Glas), aber es setzt sich dann in einer geraden Linie oder als Strahl fort. Das Wort Strahl kommt aus der Mathematik und bedeutet hier eine gerade Linie, die irgendwann entsteht. Es ist akzeptabel, Lichtstrahlen als Laserstrahlen (oder sogar Science-Fiction-Darstellungen von Strahlenkanonen) zu visualisieren.
Strahl
Das Wort „Strahl“ kommt aus der Mathematik und bedeutet hier eine gerade Linie, die irgendwann entsteht.
Abbildung 1. Drei Methoden für Licht von einer Quelle zu einem anderen Ort zu reisen. (a) Licht erreicht die obere Atmosphäre der Erde, indem es direkt von der Quelle durch den leeren Raum reist. (b) Licht kann eine Person auf zwei Arten erreichen. Es kann durch Medien wie Luft und Glas reisen. Es kann auch von einem Objekt wie einem Spiegel reflektiert werden. In den hier gezeigten Situationen interagiert Licht mit Objekten, die groß genug sind, um sich wie ein Strahl in geraden Linien zu bewegen.
Experimente sowie unsere eigenen Erfahrungen zeigen, dass Licht, wenn es mit Objekten interagiert, die mehrmals so groß sind wie seine Wellenlänge, sich in geraden Linien bewegt und wie ein Strahl wirkt. Seine Welleneigenschaften sind in solchen Situationen nicht ausgeprägt. Da die Wellenlänge des Lichts weniger als ein Mikrometer (ein Tausendstel Millimeter) beträgt, wirkt es in den vielen häufigen Situationen, in denen es auf Objekte trifft, die größer als ein Mikrometer sind, wie ein Strahl. Wenn Licht beispielsweise auf etwas trifft, das wir mit bloßem Auge beobachten können, wie z. B. einen Spiegel, wirkt es wie ein Strahl mit nur subtilen Welleneigenschaften. Wir werden uns in diesem Kapitel auf die Strahlcharakteristiken konzentrieren.
Da sich Licht in geraden Linien bewegt und die Richtung ändert, wenn es mit Materialien interagiert, wird es durch Geometrie und einfache Trigonometrie beschrieben. Dieser Teil der Optik, in dem der Strahlenaspekt des Lichts dominiert, wird daher als geometrische Optik bezeichnet. Es gibt zwei Gesetze, die regeln, wie Licht die Richtung ändert, wenn es mit Materie interagiert. Dies sind das Gesetz der Reflexion für Situationen, in denen Licht von Materie abprallt, und das Gesetz der Brechung für Situationen, in denen Licht durch Materie hindurchtritt.
Geometrische Optik
Der Teil der Optik, der sich mit dem Strahlenaspekt des Lichts befasst, wird geometrische Optik genannt.
Abschnittszusammenfassung
Eine gerade Linie, die irgendwann entsteht, wird als Strahl bezeichnet.
Der Teil der Optik, der sich mit dem Strahlenaspekt des Lichts befasst, wird geometrische Optik genannt.
Licht kann auf drei Arten von einer Quelle zu einem anderen Ort wandern: (1) direkt von der Quelle durch den leeren Raum; (2) durch verschiedene Medien; (3) nachdem es von einem Spiegel reflektiert wurde.
Probleme & Übungen
Angenommen, ein Mann steht vor einem Spiegel, wie in Abbildung 2 gezeigt. Seine Augen sind 1,65 m über dem Boden und die Oberseite seines Kopfes ist 0,13 m höher. Finden Sie die Höhe über dem Boden der Ober- und Unterseite des kleinsten Spiegels, in dem er sowohl die Oberseite seines Kopfes als auch seine Füße sehen kann. Wie hängt diese Entfernung mit der Größe des Mannes zusammen?
Abbildung 2. Ein Mann steht vor einem Spiegel an einer Wand in einem Abstand von mehreren Metern. Die Oberseite des Spiegels befindet sich auf Augenhöhe, die Unterseite ist jedoch nur hüfthoch. Pfeile veranschaulichen, wie der Mann sein Spiegelbild von Kopf bis Fuß im Spiegel sehen kann.
Glossar
Strahl: gerade Linie, die irgendwann entsteht
geometrische Optik: Teil der Optik, der sich mit dem Strahlenaspekt des Lichts befasst
Lösung von Problemen & Übungen
Oben 1,715 m vom Boden, unten 0,825 m vom Boden. Höhe des Spiegels ist 0,890 m, oder genau die Hälfte der Höhe der Person.