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Licht

Schatten und geradlinige Lichtausbreitung, Spiegel, Brechung und Totalreflexion, Linsen und das Auge, Farben und Prismen sowie die lange Suche nach der Lichtgeschwindigkeit. Im Wellenlabor werden Strahlen durch Glas, Wasser und Linsen mit dem Snelliusschen Brechungsgesetz und der Gleichung für dünne Linsen gezeichnet.

Fortschritt

Über diesen Kurs

1849 maß Hippolyte Fizeau mit einem rotierenden Rad mit 720 Zähnen die Laufzeit von Licht auf einem Hin- und Rückweg von etwa 17 km. So begegnet dir die lange Geschichte der Lichtgeschwindigkeitsmessung in diesem Kurs, in der letzten von sechs Einheiten zum Verhalten von Licht. Die früheren Einheiten behandeln Dinge, die du selbst sehen kannst: Schatten, Spiegel, Glas, Wasser, Linsen und Regenbögen.

Die Einheiten beginnen mit Schatten. Bei einer totalen Sonnenfinsternis bedeckt der dunkle Kern des Mondschattens oft einen Streifen von weniger als 50 Meilen Breite. Der Halbschatten erstreckt sich dagegen über tausend Meilen oder mehr. Es folgt die Reflexion: Ein ebener Spiegel muss nur halb so hoch sein wie du, um deinen ganzen Körper zu zeigen. In der Einheit zur Brechung kann Licht einen Diamanten nur verlassen, wenn es innerhalb von 24.4° zum Lot auf die Oberfläche trifft. Deshalb funkeln Diamanten. Die Einheit „Linsen und Auge“ zeigt, dass das Auge seine Brechkraft von etwa 50 auf 54 Dioptrien erhöht, um ein Buch in 25 cm Entfernung scharf zu sehen. In der Farbeinheit hat Kronglas für violettes Licht bei 410 nm einen Brechungsindex von 1.530 und für rotes Licht bei 660 nm einen von 1.512. Violett wird also stärker gebrochen. Das Wellenlabor zeichnet Strahlen nach dem snelliusschen Gesetz und der Gleichung für dünne Linsen. Verkleinere die Lampe zu einem Punkt, und der Halbschatten verschwindet. Zieh den Gegenstandspfeil über 2F hinaus und beobachte, wie das Bild kleiner wird.

Dispersion ist nicht immer erwünscht. OpenStax weist darauf hin, dass sich weißes Licht in einer Glasfaser zeitlich auseinanderziehen würde. Das ist ein Grund, warum Glasfasernetze Laser verwenden.

Bevor du anfängst

Brechung und Farbe ergeben mehr Sinn, wenn du in Wellen und Schall der Wellenlänge begegnet bist, auch wenn die Einheiten zur Strahlenoptik mit Schatten und Spiegeln für sich stehen. Einige Aufgaben verwenden Sinus und die Linsenformel, daher ist Trigonometrie nützlicher Hintergrund, dazu ein Taschenrechner.

Wenn du fertig bist

Danach kannst du mit ähnlichen Dreiecken die Breite eines Schattens berechnen, erklären, warum ein Ganzkörperspiegel nur halb so hoch sein muss wie du, und den Grenzwinkel für Diamant finden. Du bestimmst das Bild einer Linse, gibst die Brechkraft des Auges in Dioptrien an, sagst, wo die Sonne für einen Regenbogen stehen muss, und folgst Fizeaus Messung der Lichtgeschwindigkeit mit dem Zahnrad.

  1. 1Licht breitet sich geradlinig aus: SchattenBei einer totalen Sonnenfinsternis bedeckt der dunkle Kern des Mondschattens oft einen Streifen von weniger als 50 Meilen Breite. Der Halbschatten erstreckt sich dagegen über tausend Meilen oder mehr.
  2. 2Reflexion und SpiegelUm deinen ganzen Körper in einem ebenen Spiegel zu sehen, genügt ein Spiegel mit der Hälfte deiner Körpergröße, ganz gleich, wo du stehst.
  3. 3Brechung und TotalreflexionLicht im Inneren eines Diamanten kann nur austreten, wenn es unter höchstens 24.4° zum Lot auf die Oberfläche trifft. Deshalb funkeln Diamanten.
  4. 4Linsen und das AugeDein Auge stellt auf ein 25 cm entferntes Buch scharf, indem es seine Brechkraft von etwa 50 auf 54 Dioptrien erhöht, also um 8%.
  5. 5Farben, Prismen und RegenbogenKronglas bricht violettes Licht mit 410 nm etwas stärker als rotes mit 660 nm, denn sein Brechungsindex beträgt 1.530 für Violett und 1.512 für Rot.
  6. 6Die Lichtgeschwindigkeit messen1849 bestimmte Hippolyte Fizeau die Laufzeit des Lichts über einen Hin- und Rückweg von etwa 17 km mit einem rotierenden Rad mit 720 Zähnen.

Verwandte Kurse

  • Bewegung
    Ort, Tempo, Geschwindigkeit und Beschleunigung, danach fallende und geworfene Körper. Im Bewegungslabor wirfst du einen Ball auf der Erde, dem Mond oder dem Mars und kannst dabei zusehen, wie Flugzeit, Höhe und Wurfweite berechnet werden.
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  • Wellen und Schall
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Quellen zu diesem Kurs (16)
  • OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 25.2 The Law of Reflection (θr = θi, diffuse vs mirror reflection, image as far behind the mirror)
  • 25.3 The Law of Refraction (Roemer 1676 data -> 2.26 × 10⁸ m/s, about 25% low; Michelson rotating mirrors with a fixed mirror 35 km away, 0.04%; c = 2.99792458 × 10⁸ m/s; n = c/v; Table 25.1 air 1.000293, water 1.333, ice 1.309, crown glass 1.52, flint 1.66, polystyrene 1.49, zircon 1.923, diamond 2.419; Snell's law; 30.0° -> 22.0° gives 1.33; air to diamond 30.0° -> 11.9°; zircon 1.56 × 10⁸ m/s; Ibn Sahl 984; Snell 1580 to 1626; lawn-mower analogy)
  • 25.4 Total Internal Reflection (mirror more than 90%; θc = sin⁻¹(n2/n1); polystyrene 42.2°, water 48.6°, diamond 24.4°; fibre optics, cladding; corner reflectors on bicycles and on the Moon; binoculars)
  • 25.5 Dispersion (Kamal al-Din al-Farisi 1267 to 1319, camera obscura and a water-filled glass vessel; Theodoric of Freiberg; Ibn al-Haytham; about six rainbow colours; Table 25.2 n at 660/610/580/550/470/410 nm; violet bent most; rainbow seen looking away from the Sun; secondary rainbow from two reflections; lasers disperse little)
  • 25.6 Image Formation by Lenses (ray tracing rules, P = 1/f in diopters, 1/do + 1/di = 1/f, m = −di/do, 0.750 m object and f = 0.500 m -> 1.50 m and m = −2.00, magnifier do 7.50 cm -> di −30.0 cm and m = 4.00, Table 25.3 three cases)
  • 26.1 Physics of the Eye (cornea and lens act as one thin lens, most bending at the cornea, cornea n 1.38, lens-to-retina 2.00 cm, near point 25 cm, power 50.0 D to 54.0 D, hair 1.20 × 10⁻² cm at 60.0 cm)
  • 27.3 (Young 1801)
  • NASA science.nasa.gov/eclipses/geometry (umbra, penumbra; typical umbral path may be less than 50 miles wide, penumbra a thousand miles or more) and nasa.gov image article Diagram of Umbra and Penumbra (umbra shrinks, penumbra grows away from the Sun)
  • NASA Visible Light page (Newton 1665 prism experiment, 380 to 700 nm)
  • Royal Society, Fara 2015 commentary on Newton (1672) New Theory about Light and Colours (royalsocietypublishing.org/rsta/article/373/2039/20140213)
  • NIST Meter page (Evenson group 299 792 456.2 ± 1.1 m/s; 1983 definition fixes c = 299 792 458 m/s) and NIST J. Res. 1972 measurement (tf.nist.gov/general/pdf/527.pdf)
  • APS News July 2010, Fizeau (Galileo lanterns; Roemer 1676; Fizeau 1849, 313 300 km/s, about 5% high)
  • Wikipedia Fizeau's measurement (8633 m, 720 notches, 25.2 turns per second -> 313 274 304 m/s, 4.5% high) and Speed of light (Galileo proposal 1638; Foucault 1862 298 000 ± 500 km/s, −0.60%; Michelson 1926 299 796 ± 4 km/s)
  • Baez and DESY "How is the speed of light measured?" (same table)
  • NASA Moon Fact Sheet (mean distance 384 400 km)
  • IAU 2012 astronomical unit 149 597 870 700 m.

Abgerufen: 2026-10-17