Sexl Physik 7, Schulbuch

1 Reflexion und Brechung In diesem Kapitel erfährst du, − wie man die Geschwindigkeit des Lichts messen kann, − wie man Reflexion und Brechung für den Bau optischer Geräte nutzen kann, − wie unser Auge funktioniert, 1.1 Wie schnell ist Licht? Wenn wir am Abend den Himmel betrachten, dann sehen wir in die Vergangenheit unseres Universums. Der Polarstern ist etwa 430 Lichtjahre entfernt: Das Licht des Sterns benötigt 430 Jahre, um zu uns zu gelangen. Wir sehen den Stern also so, wie er vor 430 Jahren war. Wenn wir eine Vorstellung davon haben wollen, wie weit der Stern von uns entfernt ist, müssen wir wissen, wie schnell sich Licht durch den Weltraum ausbreitet. Unsere Alltagserfahrung sagt uns, dass die Licht- geschwindigkeit sehr hoch sein muss, jedenfalls viel höher als die Schallgeschwin- digkeit ( 54.3 ). Um die Geschwindigkeit des Lichts zu messen, benötigen wir da- her entweder sehr große Entfernungen oder sehr genaue Uhren. Die astronomische Messung der Lichtgeschwindigkeit Die Orientierung auf dem Meer erfolgte lange Zeit über die Beobachtung der Ster- ne und über Zeitmessung. Die Suche nach einer Verbesserung der Zeitmessung führte zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit. Die geographische Breite kann durch Messung der Höhe des Polarsterns ( 54.2 ) oder des höchsten Punkts der aktuellen Sonnenbahn bestimmt werden. Zur Be- stimmung der geographischen Länge muss man den Unterschied zwischen der lo- kalen Sonnenzeit und der Zeit am Nullmeridian kennen (siehe auch physikplus. oebv.at ). Zur Zeit der großen europäischen Entdeckungsfahrten im 16. Jahrhundert gab es keine Schiffsuhren, auf welchen man die Zeit am Nullmeridian ablesen konnte. So kam es häufig vor, dass Schiffe hunderte Seemeilen von der vermeintlichen Positi- on entfernt waren. Im 17. Jh. wurde es mit Fernrohren möglich, die periodischen Bewegungen von Himmelskörpern als Uhren zu benutzen. Zu diesem Zweck no- tierte der französische Astronom G IOVANNI D OMENICO C ASSINI , Direktor der Pariser Sternwarte, die Verfinsterungen des Jupitermonds Io ( 55.1 ) auf Zeittafeln. Als der dänische Astronom O LE R ÖMER um 1675 zur Verbesserung dieser Zeittafeln den Jupitermond nochmals beobachtete, stellte er merkwürdige Abweichungen fest. Wenn die Erde dem Jupiter am nächsten war, stimmte alles vorzüglich, doch im Laufe des nächsten halben Jahres „ging Jupiter nach“. Nach Römers Beobach- tungen lief der Mond 22 Minuten zu spät durch den dunklen Schatten des Planeten. Römer machte sich auf Fehlersuche, prüfte die Tabellen und beobachtete den Pla- neten weiterhin. Nach einem halben Jahr ging die Jupiteruhr wieder so genau, als wäre nichts gewesen. Römer gelang damit der Nachweis, dass sich das Licht mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet. Abb. 55.1 verdeutlicht Römers Überlegungen: Befindet sich die Erde im Punkt A und tritt der Jupitermond gerade in den Schatten des Planeten, so müsste man, wenn die Erde an derselben Stelle bliebe, jeweils nach 42½ Stunden einen solchen Eintritt beobachten, denn in dieser Zeit vollendet der Mond einen Umlauf. Die Erde bewegt sich in einem halben Jahr bis B. Falls das Licht für seine Ausbreitung Zeit braucht, muss daher der Eintritt des Mondes in den Jupiterschatten in B später be- 54.1 Unser Auge ist unser wichtigstes Sinnes- organ. ? Warum benötigen wir Physik, um zu erklären, wie das Auge funktioniert? NP SP A B M Zenit Horizontal- ebene Äquatorebene Himmelsnordpol Großer Wagen Kleiner Wagen Polar- st rn 5x   54.2 Der Polarstern ist der hellste Stern im Kleinen Wagen. Die geographische Breite auf der Nordhalbkugel entspricht der Höhe des Polarsterns über dem Horizont. 54.3 Am Fußballplatz kannst du bei größe- rer Entfernung vom Spielfeld feststellen, dass du einen Tritt gegen den Ball siehst, bevor du das dazugehörige Geräusch hörst. 54 ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv