Physik Step 55 (neu)

Wellenphänomene wie Interferenz und Beugung – dafür braucht es das Wellenbild des Lichts.

c ≈ 3,0 ⋅ 10⁸ m/s (rund 300'000 km/s); der genaue Wert steht in der Formelsammlung.

Die Strecke, die Licht in einem Jahr zurücklegt – eine Längeneinheit, keine Zeit: s = c ⋅ t = 3,0 ⋅ 10⁸ m/s ⋅ 3,15 ⋅ 10⁷ s ≈ 9,5 ⋅ 10¹⁵ m

Punktförmig: Strahlen gehen sternförmig von einem Punkt in alle Richtungen. Ausgedehnt: viele Punktquellen, jede strahlt für sich. Weit entfernt (Sonne): Bündel paralleler Strahlen.

Die Strahlen laufen global auseinander, aber weit weg von der Quelle ist der Winkel zwischen Nachbarstrahlen winzig – in einem kleinen Ausschnitt (lokal) erscheinen sie parallel.

Tatsächliche Helligkeit: wie viel Licht die Quelle wirklich abgibt (Eigenschaft der Quelle). Scheinbare Helligkeit: wie viel Licht beim Betrachter ankommt – sie nimmt mit der Entfernung ab, weil sich das Licht auf eine immer grössere Fläche verteilt.

Schattenraum: der ganze (dreidimensionale) Raum hinter dem Körper, in den kein Licht gelangt. Schatten: der dunkle Fleck, der entsteht, wenn der Schattenraum auf einen Schirm, eine Wand oder den Boden trifft.

Der Bereich hinter dem Körper, in den das Licht von keinem einzigen Punkt der ausgedehnten Lichtquelle gelangt – er ist völlig dunkel.

Der Bereich, in den das Licht nur von einem Teil der ausgedehnten Lichtquelle gelangt – er ist teilweise beleuchtet und bildet einen weichen Übergang zur vollen Helligkeit.

Reflexion: Licht wird zurückgeworfen (bleibt im alten Material). Absorption: Licht wird verschluckt, seine Energie wird zu Wärme. Brechung: Licht tritt ins neue Material ein und ändert dabei die Richtung.

Immer zum Lot (Normale) – der Senkrechten auf der Oberfläche im Auftreffpunkt –, nie zur Oberfläche.

α = β: Der Einfallswinkel ist gleich dem Ausfallswinkel (beide zum Lot gemessen); einfallender Strahl, reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene.

Einfallswinkel α = 90° – 25° = 65°; nach dem Reflexionsgesetz Ausfallswinkel β = α = 65°

Spiegel = glatte Oberfläche: parallele Strahlen bleiben parallel (gerichtete Reflexion, Spiegelbild). Wand = raue Oberfläche: jedes Flächenstück ist anders geneigt, die Strahlen werden in alle Richtungen gestreut (diffuse Reflexion). Für jeden einzelnen Strahl gilt trotzdem α = β.

n = c / c_Material – das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit im Material; immer n > 1. Werte in der Formelsammlung (Wasser ≈ 1,33, Glas ≈ 1,5).

c_Material = c / n = 3,0 ⋅ 10⁸ m/s / 1,5 = 2,0 ⋅ 10⁸ m/s

n_1 ⋅ sin α_1 = n_2 ⋅ sin α_2 (alle Winkel zum Lot gemessen)

Ins dichtere Material (z. B. Luft → Glas): zum Lot hin, α_2 < α_1. Ins dünnere Material (Glas → Luft): vom Lot weg, α_2 > α_1.

sin α_2 = n_1 ⋅ sin α_1 / n_2 = 1,0 ⋅ sin 50° / 1,5 = 0,766 / 1,5 = 0,511 → α_2 = arcsin(0,511) ≈ 31°

Nur beim Übergang vom optisch dichteren ins dünnere Material, wenn der Einfallswinkel grösser als der Grenzwinkel ist: sin α_g = n_klein / n_gross, beim Austritt in Luft sin α_g = 1/n. Glas: sin α_g = 1/1,5 = 0,667 → α_g ≈ 42°

Das Licht trifft an der Faserwand stets unter mehr als dem Grenzwinkel auf und wird jedes Mal total reflektiert – es bleibt gefangen und folgt der Faser auch um Kurven (Internet, Endoskope).

Weisses Licht ist ein Gemisch aller Farben; die Brechzahl hängt leicht von der Farbe ab (für Violett grösser als für Rot). Die Farben werden deshalb verschieden stark gebrochen und fächern sich am Prisma auf – so entsteht auch der Regenbogen (Wassertröpfchen statt Prisma).

Violett: Seine Brechzahl ist grösser, es wird stärker zum Lot hin gebrochen und darum stärker abgelenkt.