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Optik: Lernleitfaden

Kernideen

Die geometrische Optik verfolgt Licht als Strahlen. Strahlen werden an der Grenze zwischen Materialien gebrochen, und Linsen und Spiegel nutzen diese Brechung zur Bilderzeugung.

  • Das Snelliussche Gesetz n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂ verknüpft die Winkel, die zum Lot gemessen werden. Licht wird zum Lot hin gebrochen, wenn es in ein langsameres Medium mit höherem Brechungsindex eintritt.
  • Totalreflexion tritt auf, wenn Licht von einem höheren zu einem niedrigeren Index mit einem Winkel über dem Grenzwinkel läuft, sin θ_c = n₂ ÷ n₁.
  • Für eine dünne Linse oder einen Spiegel gilt 1 ÷ f = 1 ÷ dₒ + 1 ÷ dᵢ und der Abbildungsmaßstab ist m = −dᵢ ÷ dₒ. Ein negatives m bedeutet ein umgekehrtes Bild.
  • Die Lichtgeschwindigkeit im Medium ist c ÷ n, und eine Linse der Brennweite f hat die Brechkraft 1 ÷ f in Dioptrien, wenn f in Metern angegeben ist.

Wichtige Gleichungen

  • n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂
  • sin θ_c = n₂ ÷ n₁
  • 1 ÷ f = 1 ÷ dₒ + 1 ÷ dᵢ
  • m = −dᵢ ÷ dₒ
  • P = 1 ÷ f (diopters)
  • v = c ÷ n

Durchgerechnetes Beispiel

Ein Gegenstand steht 30 cm vor einer Sammellinse der Brennweite 10 cm. 1 ÷ dᵢ = 1 ÷ 10 − 1 ÷ 30 = 2 ÷ 30, also dᵢ = 15 cm auf der anderen Seite (reelles Bild). Der Abbildungsmaßstab ist m = −15 ÷ 30 = −0,50, das Bild steht also auf dem Kopf und ist halb so groß wie der Gegenstand.

Häufige Fehler

  • Winkel zur Oberfläche statt zum Lot messen.
  • Das falsche Vorzeichen bei virtuellen Bildern verwenden. Nach der üblichen Konvention hat ein virtuelles Bild eine negative Bildweite.
  • Totalreflexion erwarten, wenn Licht von einem niedrigeren zu einem höheren Index läuft. Sie tritt nur in der anderen Richtung auf.

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