Sexl Physik 7, Schulbuch

Kompetenzbereich: Elektromagnetische Wellen Optik – die Lehre vom Licht Die Optik, die Lehre vom Licht , gehört zu den ältesten Gebieten der Physik. Die Frage nach der Natur und den Eigenschaften des Lichts hat bis ins 20. Jahrhundert die Entwicklung der Physik wesentlich beeinflusst. Bereits in der Antike gab es Überlegungen zur Natur des Lichts und erste Untersuchungen, etwa zur Lichtbre- chung. Am Beginn der Neuzeit bestimmte zunächst das Handwerk die weiteren Entwicklungen. Im 16. Jahrhundert gelang es, Glas zu schleifen und optische Lin- sen herzustellen. Damit konnten optische Geräte gebaut werden. G ALILEI entdeckte mit dem von ihm gebauten Fernrohr, dass nicht nur die Erde über einen Mond ver- fügt, sondern auch der Jupiter von Monden umkreist wird. Er bestätigte damit, dass die Erde keine Sonderstellung im Weltall innehat, wie es die zeitgenössischen Wissenschaftler glaubten. Die damit verbundenen Konsequenzen führten zur Ge- burtsstunde der neuen Physik. Etwa um dieselbe Zeit begann die Erforschung kleiner Objekte mittels Lupe und Mikroskop. In der Medizin haben Mikroskope die Entdeckung wichtiger Krank- heitserreger und deren Bekämpfung ermöglicht. An der Entwicklung der Optik lässt sich gut das Schicksal physikalischer Theorien verfolgen. Sie entstehen, liegen miteinander im Wettstreit, werden widerlegt und modifiziert und gehen manchmal sehr überraschend in umfassenderen Konzepten auf. Im 17. Jahrhundert führte die Frage nach der Natur des Lichts zu einer der wichtigsten und fruchtbarsten Auseinandersetzungen der Physikgeschichte. Es ging dabei zunächst um die Erklärung von Phänomenen: Warum wird Licht beim Eintritt in Wasser gebrochen und an glatten Flächen reflektiert? N EWTON behaupte- te, dass Lichtquellen Teilchen aussenden, sein Zeitgenosse H UYGENS dagegen sagte, dass sich Licht wie eine Welle ausbreitet. Für beide Theorien gab es gute Argu- mente. Die geradlinige Ausbreitung von Lichtstrahlen und die Gesetze der Reflexi- on und Brechung ließen sich mit beiden Theorien erklären, erst Interferenz und Beugung bestätigten die Wellentheorie. Die Experimente und Überlegungen von H EINRICH H ERTZ (s. S. 36) legten nahe, dass es sich bei Licht um elektromagnetische Wellen handelt. Auch A LBERT E INSTEIN faszinierte die Frage nach der Natur des Lichts. Seine Überlegungen dazu führten am Beginn des 20. Jahrhunderts zur Quantentheorie und zur speziellen Relativitätstheorie (s. Physik 8). In der Unterstufe haben wir zur Erklärung optischer Phänomene das Verhalten von Lichtstrahlen betrachtet. Lichtstrahlen breiten sich geradlinig aus, werden an Grenzflächen reflektiert und beim Übergang in ein anderes Medium gebrochen. Dieses Modell bezeichnet man als geometrische Optik. Wir benutzen es auch heute noch, wenn wir etwa den Strahlengang in optischen Linsen untersuchen. In der folgenden Darstellung wählen wir das Modell der geometrischen Optik für die Dar- stellung optischer Phänomene wie Reflexion und Brechung, da diese den experi- mentellen Gegebenheiten entspricht. Wir müssen uns dabei bewusst sein, dass es sich bei Lichtstrahlen um schmale Ausschnitte aus sich kugelförmig ausbreitenden Wellen handelt. Zur Erklärung optischer Phänomene müssen wir daher auf die Wellentheorie zurückgreifen, uns also mit der Wellenoptik auseinandersetzen. Links: Blick durch ein mit Wasser gefülltes Glas. Die Welt scheint auf dem Kopf zu stehen. Mitte: Spek- trale Zerlegung des Lichts im Regenbogen. Rechts: Spektrale Zerlegung des Lichts bei der Reflexion an einer CD. u2n9ti 53 | Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv