Zusammenfassung
Optik ist die Lehre vom Licht, vor allem von seiner Ausbreitung. Als Licht bezeichnet man zunächst einmal diejenige Strahlung, die das Auge des Menschen wahrnimmt, also elektromagnetische Wellen in einem sehr schmalen Spektralbereich. In erweitertem Sinn werden auch die benachbarten Gebiete als Licht bezeichnet. Kennzeichen der Wellenausbreitung sind Interferenz und Beugung. Allerdings machen sie sich im makroskopischen Alltag meist gar nicht bemerkbar, weil die Wellenlänge sichtbaren Lichtes zu klein ist. Dann gelten die Regeln der geometrischen Optik. Licht überträgt Energie. Der selektiven Empfindlichkeit des menschlichen Auges wegen müssen für den Strahlungsfluss einer elektromagnetischen Welle und den Lichtstrom verschiedene Messverfahren und Einheiten definiert werden. Sichtbares Licht wird von Atomen und Molekülen emittiert und absorbiert. Weil sie so klein sind und weil die kurzen Wellenlängen hohe Frequenzen zur Folge haben, spielt hier eine Eigenschaft der Natur eine bedeutsame Rolle, die sich im Alltag sonst nicht bemerkbar macht: die Quantelung der Energie.
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(I) leicht; (II) mittel; (III) schwer
zur Geometrischen Optik
(I) Das Licht großer Laser ist so intensiv, dass man den Widerschein eines auf die abgeschattete Seite des Halbmondes gerichteten Bündels von der Erde aus beobachten kann. Von einem 1962 ausgeführten Experiment wird berichtet, das Bündel habe auf dem Mond eine Fläche von 4 km Durchmesser ausgeleuchtet. Wie groß war der Öffnungswinkel?
(II) In einem Textilhaus sollen senkrechte Garderobespiegel so aufgestellt werden, dass sich die Kunden darin von Kopf bis Fuß vollständig betrachten können. Dazu brauchen die Spiegel nicht bis zum Boden reichen, sie dürfen in einer Höhe h über ihm enden. Wie hängt h ab (1) von der Augenhöhe H des Kunden, (2) vom horizontalen Abstand d zwischen Kunden und Spiegel?
(I) Der Glaskörper des menschlichen Augen hat die Brechzahl 1,34. Welcher Grenzwinkel der Totalreflexion gegenüber Luft (n ≈ 1,00) gehört dazu?
(II) Ein Lichtstrahl trifft aus Luft auf eine Glasoberfläche (n = 1,52) und wird teilweise reflektiert und teilweise gebrochen. Der Reflexionswinkel ist doppelt so groß wie der Winkel des gebrochen Strahls. Wie groß ist der Einfallswinkel? \((\sin 2\alpha= {\textstyle{1 \over 2}}\sin \alpha\cdot \cos \alpha )\)
(III) Wenn das 60°-Prisma aus dem Flintglas der Abb. 7.32 besteht und das Lichtbündel einem Laser mit der Wellenlänge 632,8 nm entstammt, welchen Einfallswinkel α muss man ihm dann für symmetrischen Durchgang geben und um welchen Winkel δ wird es insgesamt abgelenkt?
(I) Wenn Sie Ihr Spiegelbild in einer Weihnachtsbaumkugel betrachten, sehen Sie dann ein reelles oder ein virtuelles Bild?
zur Abbildung mit Linsen
(I) Sie wollen sich selbst im Spiegel photographieren. Der Spiegel ist 1,5 m vor Ihnen. Auf welchen Abstand müssen Sie fokussieren?
(II) Zeigen Sie, dass für weit entfernte Objekte die Vergrößerung eines reellen Bildes näherungsweise proportional zur Brennweite ist.
(II) Ein Photograph will einen 22 m hohen Baum aus einer Entfernung von 50 m photographieren. Welche Brennweite muss er für sein Objektiv wählen, damit das Bild vom Baum gerade den 24 mm hohen Film ausfüllt?
(II) Wenn ein Teleobjektiv mit 135 mm Brennweite Objekte zwischen 1,5 m und ∞ scharf abbilden soll, über welche Stecke muss es dann relativ zur Filmebene verfahrbar sein?
(II) Konstruiere (am besten auf Millimeterpapier) für eine Sammellinse mit f = 30 mm den Bildpunkt P’ zu einem Gegenstandspunkt P, der 6 cm vor der Hauptebene und 2,5 cm neben der optischen Achse liegt. Konstruiere für die gleiche Linse den Bildpunkt eines Parallelbündels, dessen Zentralstrahl durch einen Punkt 6 cm vor der Hauptebene und 2 cm unter der optischen Achse läuft.
(II) Wie weit sind Objekt und reelles Bild auseinander, wenn die abbildende Linse eine Brennweise von 75 cm hat und das Bild um den Faktor 2,75 vergrößert ist?
(I) Unter welchem Sehwinkel erscheinen Sonne und Mond von der Erde ausgesehen?
(II) Welche Brennweite hat eine Lupe mit der Aufschrift „8 ד?
Strahlungsmessgrößen
(I) In welchen Raumwinkel strahlt die Sonne?
(I) Zu welcher Strahlungsmessgröße gehört die Solarkonstante (▶ Abschn. 7.3.1)?
(II) Welche Leistung strahlt die Sonne in Form elektromagnetischer Wellen ab? (Sie strahlt außerdem noch Teilchenströme ab)
zur Wellenoptik
(I) Wie müssen die Polarisationsfolien einer Spezialsonnenbrille orientiert sein, wenn sie am Strand den Augen ihres Trägers Sonnenreflexe vom Wasser mildern sollen?
(II) Einfarbiges Licht fällt auf einen Doppelspalt, bei dem die Spalte 0,04 mm Abstand haben. Auf einem 5 m entfernten Schirm sind die Interferenzmaxima 5,5 cm auseinander. Welche Wellenlänge und welche Frequenz hat das Licht?
(II) Ein Lehrer steht ein Stück hinter einer 80 cm breiten Tür nach draußen und bläst in seine Trillerpfeife, die einen Ton von etwa 750 Hz aussendet. Wenn wir annehmen, dass draußen auf dem Schulhof nichts reflektiert, unter welchem Winkel wird man die Trillerpfeife kaum hören?
(II) Für welche Wellenlänge fällt bei einem Beugungsgitter das Maximum 10. Ordnung auf das Maximum 9. Ordnung der Wellenlänge λ = 500 nm?
(I) Die Flügel eines tropischen Falters schillern in wunderschönem Blau, wenn man sie unter etwa 50° zur Senkrechten betrachtet. Dieser Farbeindruck entsteht, weil die Flügeloberfläche ein Reflexionsbeugungsgitter darstellt. Wenn wir annehmen, dass das gebeugte Licht senkrecht auf den Flügel eingefallen ist, welche Gitterkonstante hat das Beugungsgitter auf dem Flügel in etwa?
Quantenoptik
(II) Zu größeren Wellenlängen gehört kleinere Quantenenergie, zu größerer Quantenenergie kleinere Wellenlänge. Sollte das Produkt WQ · λ konstant sein?
(I) In welchem Energiebereich liegen die Quanten sichtbaren Lichtes?
(II) Welchen „Quantenstrom“ (gemessen in Anzahl der Quanten durch Sekunde) gibt ein Laser in sein Lichtbündel, wenn er 5 mW bei der Wellenlänge 632,8 nm abstrahlt?
(I) Warum gibt es keinen Leuchtstoff, der infrarotes Licht sichtbar macht?
(II) Eine Röntgenröhre beim Arzt werde mit 150 kV Anodenspannung und 20 mA Elektronenstrom betrieben. (1) Wie groß ist die höchste Quantenenergie im Bremsspektrum? (2) Welche Leistung wird in der Röhre umgesetzt? (3) In welcher Größenordnung liegt die Strahlungsleistung der erzeugten Röntgenstrahlen?
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Harten, U. (2014). Optik. In: Physik. Springer-Lehrbuch. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-53854-4_7
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Publisher Name: Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg
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