Jeder weiß oder hat zumindest davon gehört, dass Licht die Eigenschaft hat, sich zu brechen und zu reflektieren. Wie bzw. auf welcher Grundlage dies geschieht, können aber nur die Formeln der Geometrie- und Wellenoptik erklären. Und all diese Lehren basieren auf dem Begriff des "Strahls", der von Euklid drei Jahrhunderte vor unserer Zeitrechnung eingeführt wurde. Was ist also wissenschaftlich gesehen ein Strahl?
Ein Strahl ist eine gerade Linie, entlang der sich Lichtwellen bewegen. Wie, warum – diese Fragen beantworten die Formeln der geometrischen Optik, die ein Teilgebiet der Wellenoptik ist. Letztere behandelt, wie man annehmen könnte, Strahlen als Wellen.
Formeln der geometrischen Optik
Das Gesetz der geradlinigen Ausbreitung: Ein Strahl in einem gleichartigen Medium breitet sich tendenziell geradlinig aus. Das heißt, Licht bewegt sich auf dem kürzesten Weg, der zwischen zwei Punkten existiert. Man könnte sogar sagen, dass der Lichtstrahl versucht, sich Zeit zu sparen. Dieses Gesetz erklärt die Erscheinungen von Schatten und Halbschatten.
Zum Beispiel, wenn die Lichtquelle selbst klein ist oder sich in so großer Entfernung befindet, dass sieGrößen können vernachlässigt werden, der Lichtstrahl bildet deutliche Schatten. Aber wenn die Lichtquelle groß oder sehr nah ist, dann bildet der Lichtstrahl unscharfe Schatten und Teilschatten.
Gesetz der unabhängigen Vermehrung
Lichtstrahlen neigen dazu, sich unabhängig voneinander auszubreiten. Das heißt, sie beeinflussen sich in keiner Weise, wenn sie sich in einem homogenen Medium schneiden oder durchqueren. Die Strahlen scheinen sich der Existenz anderer Strahlen nicht bewusst zu sein.
Reflexionsgesetz
Stellen wir uns vor, eine Person richtet einen Laserpointer auf einen Spiegel. Natürlich wird der Strahl vom Spiegel reflektiert und breitet sich in einem anderen Medium aus. Der Winkel zwischen der Senkrechten zum Spiegel und dem ersten Strahl heißt Einfallswinkel, der Winkel zwischen der Senkrechten zum Spiegel und dem zweiten Strahl heißt Ausfallwinkel. Diese Winkel sind gleich.
Die Formeln der geometrischen Optik offenbaren viele Situationen, an die niemand auch nur denkt. Das Reflexionsgesetz erklärt zum Beispiel, warum wir uns in einem "direkten" Spiegel genau so sehen können, wie wir sind, und warum seine gekrümmte Oberfläche ein anderes Bild erzeugt.
Formel:
a - Einfallswinkel, b - Reflexionswinkel.
a=b
Das Brechungsgesetz
Einfallsstrahl, Brechungsstrahl und die Senkrechte zum Spiegel liegen in einer Ebene. Dividiert man den Sinus des Einfallswinkels durch den Sinus des Brechungswinkels, so erhält man den Wert n, der für beide Medien konstant ist.
n zeigt, in welchem Winkel der Strahl vom ersten Medium in das zweite übergeht und wie die Zusammensetzungen dieser Medien korrelieren.
Formel:
i - Einfallswinkel. r - Brechungswinkel. n21 - Brechungsindex.
sin i/sin r=n2/ 1= n21
Reversibilitätsgesetz
Was besagt das Gesetz der Umkehrbarkeit des Lichts? Wenn sich der Strahl entlang einer wohldefinierten Flugbahn in eine Richtung ausbreitet, wiederholt er denselben Weg in die entgegengesetzte Richtung.
Ergebnisse
Die Formeln der geometrischen Optik erklären in etwas vereinfachter Form, wie ein Lichtstrahl funktioniert. Darin ist nichts Schwieriges. Ja, die Formeln und Gesetze der geometrischen Optik vernachlässigen einige der Eigenschaften des Universums, aber ihre Bedeutung für die Wissenschaft darf nicht unterschätzt werden.
