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Optik und Physik – Fragen und Antworten zu Licht und Linsen

In der Optik untersuchen Physiker die Ausbreitung des Lichts und seine Effekte auf optische Materialien. Licht ist eine Strahlung, die sowohl aus Teilchen als auch aus Wellen besteht. Dieses Phänomen bezeichnen Physiker als Welle-Teilchen-Dualismus. Licht wird entweder von selbstleuchtenden Objekten wie der Sonne oder den Sternen erzeugt oder es wird von bestimmten Objekten reflektiert. Das reflektierte Licht wird auch als kaltes Licht bezeichnet. In der Astronomie werfen vor allem Planeten Licht von ihrem Mutterstern zurück. Wie stark dieses Licht reflektiert wird, hängt dabei von der Planetenoberfläche ab. Die Reflexionsstärke nennen Fachleute Albedo. Erfahre hier mehr über die Grundlagen der Optik.

Was ist die Lichtbrechung?

Licht breitet sich immer geradlinig aus. Wenn es jedoch auf ein Hindernis trifft, wird es in verschiedene Richtungen abgelenkt. Das kannst du beispielsweise mithilfe eines Prismas erkennen. Dabei werden die einfallenden Lichtstrahlen abgelenkt. Diesen Vorgang bezeichnen Fachleute als Lichtbrechung. Der Austrittswinkel des Lichts gleicht dabei dem Eintrittswinkel. Die Stärke der Lichtbrechung wird mithilfe der Brechzahl angegeben. In der Atmosphäre kann Licht durch Wassertröpfchen gebrochen und durch die Lichtbrechung in seine Spektralfarben zerlegt werden. Ein Beispiel dafür ist der Regenbogen. Die Lichtbrechung erfolgt beim Übergang des Lichts von einem Medium in ein anderes. Die Grenze zwischen den Medien Luft und Wasser heisst Grenzfläche.

Wie schnell breitet sich Licht von Lichtquellen aus?

Egal, ob es sich um selbstleuchtende Lichtquellen wie die Sonne oder Feuer handelt oder um beleuchtete Lichtquellen wie den Mond: Das Licht breitet sich mit einer Lichtgeschwindigkeit von rund 300.000 Kilometern in der Sekunde. Dies gilt für den luftleeren Raum ebenso wie für die Luft. In dichteren Elementen wie Wasser verlangsamt sich die Lichtgeschwindigkeit etwas. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts wird in der Physik und in der Astronomie auch als Messgrösse für Entfernungen und für die Energie angewandt. Ein Lichtjahr entspricht dabei der Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt.

Welche Rolle spielt die Lichtausbreitung in der Physik?

Die Ausbreitung des Lichts ziehen Physiker nicht nur für die Messung von Entfernungen heran, sondern auch für die Berechnung der Beleuchtungsstärke. Diese hängt von der Stärke der Lichtquelle ab und ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung. Das heisst, je weiter eine Lichtquelle entfernt ist, desto schwächer wird das Licht und desto geringer ist auch die Beleuchtungsstärke. Die Masseinheit für die Beleuchtungsstärke wird in Lux (lx) angegeben. Die Stärke der Lichtquelle beschreibt die Masseinheit Candela (cd). Im Alltag begegnen uns diese Beleuchtungsstärken in unterschiedlicher Weise.

  • Verkehrswege wie Bürgersteige oder Strassen sollten eine Beleuchtungsstärke von mindestens 30 Lux aufweisen.
  • Wohnräume werden mit einer Intensität von 200 Lux beleuchtet.
  • Für das Lesen und Schreiben benötigst du in der Regel eine Beleuchtungsstärke von 300 Lux.
  • Direktes Sonnenlicht hat eine Beleuchtungsstärke bis zu 20.000 Lux.

Was sind die Grundlagen der Optik?

  • Strahlenoptik: Hierzu gehören die Lichtausbreitung sowie die Reflexion des Lichts von verschiedenen Körpern.
  • Optische Linsen: Diese spielen vor allem in der Augenoptik eine grosse Rolle. Konvex- und Konkavlinsen bündeln oder streuen das Licht unterschiedlich.
  • Wellenoptik: Die Wellenoptik beschäftigt sich mit der Welleneigenschaft des Lichts. Sie beschreibt die Frequenz und die Länge von Lichtwellen unter unterschiedlichen Bedingungen wie Interferenzen, also der Überlagerung von Wellen oder der Lichtbeugung.

Was ist ein Körper?

In der Physik bezeichnet ein Körper eine abgegrenzte Ansammlung von Materie. Das können unterschiedliche Dinge wie Festkörper oder auch Wasser und Luft sein. Ein Körper kann in der Physik unterschiedliche Aggregatzustände annehmen. Dazu gehören feste, flüssige oder gasförmige Zustände. In der Physik meinen die Wissenschaftler mit Körpern alle Dinge, welche eine Masse haben und daher auch Raum einnehmen.

Was ist eine optische Linse?

Das sind Körper, die durchsichtig und zumindest auf einer Seite gekrümmt sind. Zu den wichtigsten Linsen gehören:

  • Die Konkavlinse: Diese Linse ist nach innen gewölbt und streut das einfallende Licht.
  • Die Konvexlinse: Sie weist eine Wölbung nach aussen auf und bündelt das einfallende Licht.

Darüber hinaus gibt es auch Linsen, die beidseitig nach aussen oder innen gewölbt sind. Dementsprechend bezeichnet der Optiker diese Linsen als bikonvex oder bikonkav. Diese Linsen bilden die Grundlagen für verschiedene optische Hilfsmittel und Instrumente wie Brillen, Mikroskope oder Fernrohre. Auch Kameras arbeiten mit speziellen Linsensystemen.

Wie funktioniert ein Spiegel?

Licht breitet sich von Lichtquellen in alle Richtungen geradlinig aus. Diese Ausbreitung erfolgt in der Regel sehr ungeordnet und chaotisch. Ein Spiegel hingegen besitzt eine extrem glatte und plane Oberfläche und reflektiert das Licht geordnet. Da in der Optik der Einfallswinkel dem Austrittswinkel gleicht, wirft der Spiegel das einfallende Licht auch geradlinig wieder in eine Richtung zurück. Die Abbildungen sind zwar spiegelverkehrt, erschienen jedoch im gleichen Massstab. Das menschliche Auge kann Objekte nur erkennen, wenn diese Licht von sich geben. Objekte, die nicht plan sind, reflektieren Licht nicht vollständig, sondern absorbieren es teilweise. Aus diesem Grund sind Spiegel glatt und reflektieren den Grossteil des einfallenden Lichts.

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