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Tutorial MenueGeometrische OptikLerneinheit 1 von 6

Grundgesetze der geometrischen Optik

Grundgesetze der geometrischen Optik

Im Folgenden sind einige wichtige Grundgesetze der geometrischen Optik zusammengestellt, mit Hilfe derer wir dann später weitere Schlussfolgerungen für die Lichtausbreitung ziehen werden.

Geradlinige Ausbreitung
Lichtstrahlen breiten sich in homogenen Stoffen geradlinig aus.

Durch dieses Gesetz kann der Schattenwurf eines beleuchteten Körpers erklärt werden.

Abb.1

Da es von einer etwa punktförmigen Lichtquelle keine geradlinige Verbindung zum Raum hinter dem Objekt gibt, bleibt es hier also dunkel.

Beim Vorhandensein mehrerer Lichtquellen gibt es nicht nur die Zonen Licht und Schatten, sondern auch Stufen dazwischen, je nachdem von wie vielen Lichtquellen Licht auf einen Punkt trifft. Wie in der unteren Abbildung kann man diese Zonen dann mit den Begriffen Licht (L), Halbschatten (HS) und Kernschatten (KS) bezeichnen.

Beispiele für besonders große sichtbare Schatten in der Natur sind Mond- und Sonnenfinsternisse.

Abb.2
Arbeitsauftrag

Im unten stehenden Foto sehen Sie zwei Kerzen, die vor zwei Zylindern (Metallröhrchen) stehen. Bei normaler Raumbeleuchtung trifft Licht aus allen Raumrichtungen gleichmäßig auf die Röhrchen, so dass kein deutlicher Schattenwurf erkennbar ist. Zeichnen Sie auf einem Blatt diese Situation von oben betrachtet ein und überlegen Sie sich, in welchen Bereichen Kernschatten und Halbschatten auftreten, wenn die beiden Kerzen nur noch die einzigen Lichtquellen im Raum sind.

Abb.3

Abb.4
Lösung zeigenLösung ausblenden
Unabhängigkeit der Lichtstrahlen
Wenn sich Lichtstrahlen kreuzen, so beeinflussen sie sich gegenseitig nicht.
Achtung
Diese Regel für die Lichtausbreitung gilt nur für die in der geometrischen Optik gemachten vereinfachenden Annahmen!
Abb.5

So durchdringen sich bei der Lochkamera die von unterschiedlichen Punkten des Gegenstandes ausgehenden Strahlen in der Lochöffnung ohne sich dabei in ihrer geradlinigen Ausbreitung zu stören.

Umkehrbarkeit des Lichtweges
Bei einem optischen System ist der Strahlengang umkehrbar, d.h. Gegenstand und Bild können vertauscht werden.

Diese Feststellung wird uns bei der Konstruktion oder Berechnung von Strahlengängen gelegentlich hilfreich sein.

Als weiteres elementares Gesetz soll noch festgehalten werden, wie ein Lichtstrahl reflektiert wird, wenn er wie in der unten stehenden Abbildung auf eine Spiegeloberfläche fällt. Die Normale zur Fläche durch den Auftreffpunkt wird als Einfallslot bezeichnet. Die Ausbreitungsrichtung des reflektierten Strahls gehorcht dem Reflexionsgesetz.

Abb.6
Reflexionsgesetz
Trifft ein Lichtstrahl auf eine reflektierende Oberfläche, so liegen der einfallende Strahl, das Einfallslot und der reflektierte Strahl in einer gemeinsamen Ebene, der Einfallsebene.
Der Reflexionswinkel α R ist gleich dem Einfallswinkel α oder mathematisch ausgedrückt: α = α R
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