Optik

Question 1

In welcher Art breitet sich Licht aus?

Answer 1

Das Licht breitet sich geradlinig aus.

-> Beweis: Schattenbildung (Entstehen von Kern- und Halbschatten)

Question 2

Was bedeutet divergent?

Answer 2

Beschreibt Strahlen, die von einem gemeinsamen Punkt radial ausstrahlen (Bündelquerschnitt nimmt zu).

Question 3

Was bedeutet konvergent?

Answer 3

Beschreibt Strahlen, die auf einen gemeinsamen Schnittpunkt zulaufen (Bündelquerschnitt nimmt ab).

Question 4

Was bedeutet diffus?

Answer 4

Beschreibt Strahlen, die weder einen gemeinsamen Ausgangspunkt noch einen gemeinsamen Zielpunkt haben.

Question 5

Wie ist die Lichtgeschwindigkeit definiert?

Answer 5

c[0]=299792458 m/s (ungefähr 300000 km/s)
-> ist eine universelle Konstante und von der Frequenz der Strahlung unabhängig. In allen Medien ist die Lichtgeschwindigkeit kleiner als im Vakuum.

Question 6

Wie lautet das Reflexionsgesetz?

Answer 6

Einfallswinkel = Reflexionswinkel (alpha=ß)

• > alle Winkel werden zwischen dem Strahl und dem Einfallslot gemessen
• > Einfallender Strahl, reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene

Question 7

Was versteht man unter einem Ebenen Spiegel?

Answer 7

Eine glatte Oberfläche, an denen einfallende Parallelstrahlen auch nach der Reflexion parallel sind (dienen der Bilderzeugung).

• > erzeugt virtuelle (scheinbare) Bilder, die symmetrisch mit dem Gegenstand zum Spiegel liegen
• > Ein Betrachter hat den Eindruck als kämen die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel her.

Question 8

Was versteht man unter einem Hohlspiegel (Konkavspiegel)?

Answer 8

eine gekrümmte Fläche => es gilt das Reflexionsgesetz (das Lot / die Flächennormale hat allerdings in jedem Punkt der Spiegelfläche eine andere Richtung)
- sind entweder Teile von Kugelflächen (sphärische Spiegel)
- oder von Ratationsparaboloiden (Parabolspiegel)
=> parallel zur optischen Achse auf einen Hohlspiegel treffenden Strahlen werden im Brennpunkt F gesammelt
-> Den Abstand des Brennpunktes F zum Scheitel S des Spiegels nennt man Brennweite f (f=r/2)

Question 9

Was versteht man unter einem Wölbspiegel (Konvexspiegel)

Answer 9

ein gekrümmte (gewölbte) reflektierende Fläche

• > Parallel zur optischen Achse auf einen Wölbspiegel fallende Strahlen werden so reflektiert, als kämen sie vom Zerstreuungspunkt F her (liegt hinter der Spiegelfläche).
• > Der Wölbspiegel erzeugt stets virtuelle, aufrechte und verkleinerte Bilder

Question 10

Was versteht man unter dem Begriff “Brechung”?

Answer 10

Das an der Grenzfläche zweier Medien ein Lichtstrahl nicht nur reflektiert wird, sondern er mit einem Teil seiner Energie in anderer Richtung in das neue Medium übergeht -> gebrochen wird.

Question 11

Wie lautet das Brechungsgesetz?

Answer 11

sin(alpha)/sin(ß)=c[1]/c[2]=n[2]/n[1] oder
n[1]sin(alpha)=n[2]sin(ß)
[mit alpha-> Einfallswinkel (zum Lot gemessen); ß-> Brechungswinkel (zum Lot gemessen); c[i]-> Lichtgeschwindigkeit im Medium i und n[i]-> Brechzahl des Mediums i]
=> Beim Übergang in ein optisch dichteres Medium (n[2]>n[1]) wird der Strahl zum Lot hin gebrochen
=> Beim Übergang in ein optisch dünneres Medium (n[2]

Question 12

Was versteht man unter Totalreflexion?

Answer 12

Beim Übergang dichteres -> dünneres Medium kann der Einfallswinkel einen bestimmten Grenzwert (Grenzwinkel alpha[G]) nicht überschreiten, weil der Sinus des Brechwinkels maximal eins werden kann.
-> sin(alpha[G])=c[1]/c[2]=n[2]/n[1]
=> Bei allen Einfallwinkel alpha>alpha[G] tritt Totalreflexion ein. Die gesamte Lichtenergie wird dann nach dem Reflexionsgesetz in das erste, also dichtere Medium zurückreflektiert.

Question 13

Was geschieht mit Licht beim durchlaufen einer planparallelen Platte?

Answer 13

Es erfährt eine Brechung an zwei parallelen Grenzflächen, dabei erfährt der Lichtstrahl keine Richtungsänderung, sondern nur eine Parallelverschiebung.
-> Infolge der Strahlenbrechung erscheint eine planparallele Platte beim Hindruchblicken von einer geringeren Dicke.

Question 14

Was geschieht mit Licht beim durchlaufen eins Prismas?

Answer 14

Der Lichtstrahl wird zweimal von der “brechenden Kante” weg gebrochen. Die Gesamtablenkung ist abhängig vom 1. Einfallswinkel und dem brechenden Winkel.

Question 15

Welche Vorzeichenkonvention gilt für die technische Optik?

Answer 15

Alle Strecken (Gegenstands-, Bild- und Brennweiten sowie Krümmungsradien) in Richtung der Lichtstrahlen sind positiv, alle in Gegenrichtung sind negativ.

Question 16

Welche Linsenarten gibt es?

Answer 16

1. Konvexlinsen (Sammellinsen) -> sind durch zwei Kugelflächen so begrenzt, dass sie in der Mitte dicker als am Rande sind.
   => Strahlen, die parallel zur optischen Achse durch eine Konvexlinse treten, werden im Brennpunkt F’ gesammelt. Sein Abstand von der Linse heißt Brennweite f’
2. Konkavlinsen (Zerstreuungslinsen) -> sind durch Kugelflächen so begrenzt, das sie in der Mitte dünner als am Rande sind.
   => Strahlen, die parallel zur optischen Achse durch eine Konkavlinse treten, werden so gebrochen, als kämen sie von einem vor der Linse liegenden Brennpunkt F’. Sein Abstand von der Linse heißt Brennweite f’

Question 17

Wie kann das Linsenbild konstruiert werden?

Answer 17

Die Lage und Größe des von einer Linse erzeugten Bildes kann mit Hilfe der Abbildungsgesetze berechnet werden.
[mit ß-> Abbildungsmaßstab; y-> Gegenstandgröße; a-> Gegenstandweite; y’-> Bildgröße und a’-> Bildweite]
-> Abbildungsmaßstab: ß=y*/y=a’/a
-> Abbildungsgleichung: 1/f’=1/a’-1/a

Question 18

Was versteht man unter Abbildungsfehlern?

Answer 18

• in einer fehlerfreien Abbildung ist jeder Bildpunkt eindeutig einem Gegenstandspunkt zugeordnet. Ferner muss die geometrische Anordnung der Bildpunkte der der Gegenstandspunkte ähnlich sein.
  -> sphärische Linsen erfüllen diese Bedingungen nur näherungsweise => die Abweichungen werden als Abbildungsfehler (Linsenfehler, Aberrationen) bezeichnet.
  => Farbfehler (chromatische Aberraton) -> Die Bilder bekommen Farbsäume, weil Licht unterschiedlicher Wellenlänge verschieden stark gebrochen wird (Blau stärker als Rot)
  => Sphärischer Fehler -> Unschärfe im Bild, weil die durch die Randzonen der Linse gehenden Strahlen stärker gebrochen werden.
  => Bildfeldwölbung -> Die Ränder der Bilder werden unscharf, weil das Bild auf einer gewölbten Fläche erzeugt wird
  => Verzeichnung -> Die Abbildung eines rechtwinkligen Gitternetzes ist kissen- oder tonnenförmig verzeichnet, d.h. vor allem an den Rändern werden die Geraden nach innen oder außen gekrümmt.

Question 19

Welchen Arten von Lichtquellen gibt es?

Answer 19

1. Temperaturstrahler -> emittiert EM-Strahlung aufgrund seiner Temperatur. Mit wachsenden Temperatur verkürzen sich die Wellenlängen.
2. Lumineszenz -> Leuchterscheinungen die nicht auf der Temperatur des Körpers beruhen => das Licht entsteht bei Elektronensprüngen von kernfernen auf kernnähere Bahnen -> Strahlung enthält ganz bestimmte Wellenlängen (vom Atombau des jeweiligen Stoffes abhängig). Die Elektronen müssen zunächst durch Energiezufuhr auf die kernfernere Bahn gebracht werden

Question 20

Was passiert mit weißem Licht beim durchlaufen eines Prismas?

Answer 20

Der Lichtstrahl wird fächerförmig aufgespaltet (d.h. in Strahlen verschiedener Wellenlänge zerlegt). Die Ursache ist die unterschiedliche Geschwindigkeit der einzelnen Wellenlängen im Medium des Prismas.
-> weißes Licht enthält alle Wellenlängen
=> es entsteht ein Spektrum (Farbband)
=> die einzelnen Farben nennt man Spektralfarben (sind nicht weiter zerlegbar)

Question 21

Was versteht man unter Komplementärfarben?

Answer 21

Das gesamte Farbband eines Spektrums lässt sich wieder zu Weiß vereinigen.
-> Komplementärfarben sind Misch- oder Spektralfarben, die sich zu Weiß ergänzen.

Question 22

Was versteht man unter einem Emissionsspektrum?

Answer 22

• Es ist das von glühenden Festkörpern und Flüssigkeiten abgestrahlte Licht -> es enthält lückenlos alle Wellenlängen des sichtbaren Bereichs => Zerlegung ergibt ein kontinuierliches Spektrum.
• Das Licht leuchtender atomarer Gase und Dämpfe besteht nur aus einer bestimmten Auswahl von Wellenlängen. Es entsteht ein Linienspekturm, das charakteristisch für den Bau der Atomhülle des jeweiligen Elementes ist (Grundlage der Spektralanalyse)

Question 23

Was versteht man unter einem Absorptionsspektrum?

Answer 23

• Lichtdurchlässige Stoffe absorbieren einen Teil des sie durchdringenden Lichtes -> das ursprünglich kontinuierliche Spektrum erhält Unterbrechungen
  -> Glühende Gase und Dämpfe absorbieren nur die Wellen längen, die sie selbst emittieren (Absorptionslinien) => fest und flüssige lichtdurchlässige Stoffe absorbieren größere Bereiche
  => Absorptionsspektren sind charakteristisch und werden zum Nachweis und zur Identifizierung des absorbierenden Stoffes genutzt

Question 24

Was sind die Fraunhofer´schen Linien?

Answer 24

Die Unterbrechungen des sonst kontinuierlichen Spektrums der Sonne -> Absorption durch verschiedene Elemente in der Gashülle der Sonne (und vermutlich der Erdatmosphäre)

Question 25

Was versteht man unter Dispersion?

Answer 25

Sie ist ein Maß für die relative Länge eines Spektrum -> Differenz der Brechzahlen zweier Wellenlängen
=> Prismen aus unterschiedliches Material erzeugen unter sonst gleichen Bedingungen Spektren unterschiedlicher Länge.
-> wird auch zur Kennzeichnung der Lichtzerlegung durch Brechung (Prisma) verwenden (im Gegensatz zur Lichtzerlegung durch Beugung (Gitter)