Erklärer: Reflexion, Brechung und die Wirkungskraft von Linsen

May 26, 2023

Ein Prisma bewirkt, dass einfallendes Licht unterschiedlich stark gebogen wird, abhängig von der Wellenlänge – oder Farbe – dieses Lichts. Wenn Licht durch das Prisma fällt und auf der anderen Seite wieder austritt, breitet es sich zu einem Regenbogen aus.

Ekaterina Demidova/Moment/Getty Images

Von Trisha Muro

vor 6 Stunden

Mikroskope, Teleskope und Brillen. All dies funktioniert durch Manipulation der Lichtbewegung.

Wenn Lichtwellen auf eine glatte Oberfläche, beispielsweise einen Spiegel, treffen, werden sie von dieser reflektiert. Sie biegen oder brechen sich auch, wenn sie sich zwischen Umgebungen unterschiedlicher Dichte bewegen, etwa wenn Licht aus der Luft in und durch eine Glaslinse gelangt. Zusammengenommen ermöglichen diese grundlegenden Eigenschaften des Lichts Wissenschaftlern, Linsen und Spiegel entsprechend ihren Bedürfnissen zu entwerfen – sei es für den Blick in den Kosmos oder tief in das Innere einer Zelle.

Schauen Sie in einen Spiegel und Sie werden Ihr Spiegelbild sehen. Das Reflexionsgesetz ist einfach: Welchen Winkel ein Lichtstrahl auch bildet, wenn er auf einen Spiegel trifft, ist derselbe Winkel, den er auch hat, wenn er von der Spiegeloberfläche reflektiert wird. Wenn Sie eine Taschenlampe im 45-Grad-Winkel auf Ihren Badezimmerspiegel richten, wird dieser im 45-Grad-Winkel reflektiert. Wenn Sie Ihr Spiegelbild sehen, trifft das Licht, das auf Ihr beleuchtetes Gesicht scheint, direkt auf den Spiegel und wird direkt in Ihre Augen zurückgeworfen.

Dies funktioniert nur, weil ein Spiegel eine polierte Oberfläche ist, die extrem glatt – und daher reflektierend – ist. Aufgrund seiner Glätte wird das gesamte Licht, das aus einem bestimmten Winkel auf es trifft, in die gleiche Richtung reflektiert. Im Gegensatz dazu ist die Oberfläche einer gestrichenen Wand in Ihrem Schlafzimmer so holprig, dass sie nicht besonders gut reflektiert. Licht, das auf die Wand trifft, wird von diesen Unebenheiten reflektiert und in verschiedene Richtungen reflektiert. Deshalb sehen die meisten Wände matt und nicht glänzend aus.

Sie haben vielleicht bemerkt, dass sich im Inneren von Taschenlampen und Scheinwerfern eine einzelne kleine Glühbirne mit einem gebogenen Spiegel dahinter befindet. Diese Kurve sammelt das Licht, das von der Glühbirne in viele verschiedene Richtungen austritt, und bündelt es in einem starken Strahl, der in eine Richtung austritt: nach außen. Gebogene Spiegel sind äußerst effektiv bei der Fokussierung von Lichtstrahlen.

Der Spiegel eines Teleskops funktioniert auf die gleiche Weise. Es fokussiert die einfallenden Lichtwellen von einem entfernten Objekt, beispielsweise einem Stern, auf einen einzelnen Lichtpunkt, der jetzt hell genug ist, dass ein Astronom ihn sehen kann.

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Wissen Sie, wie sich ein Strohhalm zu verbiegen scheint, wenn er in einem Glas Wasser liegt? Das liegt an der Brechung. Das Brechungsgesetz besagt, dass Lichtwellen sich krümmen, wenn sie sich von einem Medium (z. B. Luft) in ein anderes (z. B. Wasser oder Glas) bewegen. Dies liegt daran, dass jedes Medium eine unterschiedliche Dichte hat, die auch als „optische Dicke“ bezeichnet wird.

Stellen Sie sich vor, Sie laufen am Strand entlang. Wenn Sie mit dem Laufen auf einem Betonweg beginnen, können Sie ziemlich schnell sprinten. Sobald Sie auf Sand stoßen, werden Sie langsamer. Selbst wenn Sie versuchen, Ihre Füße mit der gleichen Geschwindigkeit wie zuvor zu bewegen, gelingt Ihnen das nicht. Sie werden noch langsamer, wenn Sie versuchen, weiter durch das Wasser zu rennen. Die „Dicke“ jeder Oberfläche, durch die Sie jetzt laufen – Sand oder Wasser – verlangsamt Sie im Vergleich zu der Zeit, als sich Ihre Füße durch die Luft bewegten.

Auch Licht verändert die Geschwindigkeit in verschiedenen Medien. Und da sich Licht in Wellen ausbreitet, biegen sich diese Wellen, wenn sie ihre Geschwindigkeit ändern.

Zurück zum Strohhalm in einem Glas Wasser: Wenn Sie durch die Seite des Glases schauen, sieht der Strohhalm wie ein Zickzack aus. Oder wenn Sie jemals einen Tauchring auf dem Boden eines flachen Beckens platziert und versucht haben, ihn zu ergreifen, ist Ihnen aufgefallen, dass der Ring nicht genau dort ist, wo er zu sein scheint. Durch die Ablenkung der Lichtstrahlen sieht der Ring so aus, als befände er sich in geringer Entfernung von seinem eigentlichen Platz.

Die Auswirkungen dieser Biegung sind je nach Wellenlänge oder Farbe des Lichts größer oder kleiner. Kürzere Wellenlängen wie Blau und Violett werden stärker gebogen als längere Wellenlängen wie Rot.

Dadurch entsteht der Regenbogeneffekt, wenn Licht durch ein Prisma fällt. Es erklärt auch, warum Rot immer die oberste Farbe in einem Regenbogen und Violett der unterste Farbton ist. Weißes Licht, das in das Prisma eindringt, enthält alle verschiedenen Lichtfarben. Rote Lichtwellen biegen sich am wenigsten, sodass ihr Weg eher einer geraden Linie bleibt. Damit bleibt Rot an der Spitze des Regenbogens. Violette Lichtwellen biegen sich beim Durchgang durch das Prisma am stärksten, sodass der Farbton nach unten absinkt. Die anderen Farben des Regenbogens liegen zwischen Rot und Violett, je nachdem, wie stark sich ihre Wellen biegen.

Reflexion und Brechung können zusammenarbeiten – oft mit erstaunlichen Ergebnissen. Betrachten Sie die Ablenkung des Sonnenlichts, wenn es in einem geringen Winkel durch die Erdatmosphäre dringt. Dies geschieht in der Regel bei Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang. Die Biegung oder Brechung des Sonnenlichts malt Wolken in der Nähe des Horizonts in einer Reihe roter und oranger Farbtöne.

Sie haben vielleicht auch bemerkt, dass die spektakulärsten Sonnenuntergänge stattfinden, wenn die Luft entweder staubig oder feucht ist. In diesen Fällen wird das Sonnenlicht von der Erdatmosphäre gebrochen und von Staub- und Wasserdampfpartikeln reflektiert.

Das Gleiche passiert bei Regenbögen. Wenn Sonnenlicht in jeden einzelnen Regentropfen eindringt, wird der Lichtstrahl auf seinem Weg von der Luft zum Wasser des Tropfens gebrochen. Sobald es sich im Regentropfen befindet, wird das Licht tatsächlich von der Innenseite des Tropfens reflektiert. Es prallt einmal ab und bewegt sich dann wieder aus dem Regentropfen heraus. Doch wenn das Licht aus dem Inneren des Tropfens wieder in die Luft gelangt, wird es noch einmal gebrochen.

Das sind zwei Brechungen plus eine interne Reflexion.

Licht, das durch Regentropfen fällt, bildet aus dem gleichen Grund einen deutlichen Regenbogenbogen, wie Licht, das durch ein Prisma fällt. Rot bildet den äußersten Bogen und Blau den innersten. Während sich die Farben ausbreiten, können wir uns an der Schönheit dieser verschmierten Farbtöne erfreuen. (Ein doppelter Regenbogen entsteht, wenn das Licht in jedem Regentropfen zweimal reflektiert wird. Zwei Brechungen plus zwei interne Reflexionen. Dadurch wird die Reihenfolge der Farben im zweiten Regenbogen umgekehrt.)

Haben Sie sich jemals gefragt, warum wir im Schnee keine Regenbogen sehen wie im Regen? Vielleicht macht es jetzt Sinn. Regenbögen basieren auf der nahezu kugelförmigen Form von Wassertropfen. Auch Schnee ist Wasser, aber seine Kristalle haben eine ganz andere Form. Deshalb kann Schnee nicht das gleiche Brechungs-Reflexions-Brechungsmuster erzeugen wie Regentropfen.

Linsen sind Werkzeuge, die sich die Fähigkeit des Lichts zunutze machen, sich zu biegen. Durch die sorgfältige Formung eines Stücks Glas können Optiker Linsen entwerfen, die das Licht bündeln und so klare Bilder erzeugen. Um das Erscheinungsbild eines Objekts zu vergrößern, kombinieren Designer häufig eine Reihe von Linsen.

Die meisten Linsen bestehen aus Glas, das in eine sehr präzise Form mit glatter Oberfläche geschliffen wurde. Die anfängliche Glasplatte sieht aus wie ein dicker Pfannkuchen. Wenn es zu einer Linse gemahlen wird, wird seine Form ganz anders sein.

Konvexe Linsen sind in der Mitte dicker als an ihren Rändern. Sie lenken einen einfallenden Lichtstrahl auf einen einzigen Brennpunkt.

Konkave Linsen bewirken das Gegenteil. Außen dicker als in der Mitte, verbreiten sie einen Lichtstrahl. Beide Arten von Linsen sind in Mikroskopen, Teleskopen, Ferngläsern und Brillen nützlich. Kombinationen dieser Formen ermöglichen es Optikern, einen Lichtstrahl in jeden gewünschten Weg zu lenken.

Auch Spiegel können so geformt werden, dass sie den Weg des Lichts verändern. Wenn Sie Ihr Spiegelbild schon einmal in Karnevalsspiegeln betrachtet haben, haben diese Sie möglicherweise groß und dünn, klein und rundlich oder auf andere Weise verzerrt erscheinen lassen.

Durch die Kombination von Spiegeln und Linsen können auch starke Lichtstrahlen erzeugt werden, wie sie beispielsweise von einem Leuchtturm ausgestrahlt werden.

Bei einem der großartigsten Tricks des Universums kann die starke Schwerkraft wie eine Linse wirken.

Wenn ein extrem massereiches Objekt – etwa eine Galaxie oder ein Schwarzes Loch – zwischen einem Astronomen und dem entfernten Stern liegt, den er betrachtet, kann es so aussehen, als ob sich dieser Stern an einer falschen Stelle befände (ähnlich wie der Ring am Boden eines Pools). . Die Masse der Galaxie verzerrt tatsächlich den Raum um sie herum. Infolgedessen krümmt sich der Lichtstrahl dieses fernen Sterns mit dem Raum, durch den er sich bewegt. Der Stern könnte nun auf dem Bild des Astronomen sogar in mehreren identischen Erscheinungen seiner selbst auftauchen. Oder es sieht aus wie verschwommene Lichtbögen. Wenn die Ausrichtung genau richtig ist, kann das Licht manchmal einen perfekten Kreis bilden.

Es ist genauso seltsam wie die Lichttricks eines Funhouse-Spiegels – aber im kosmischen Maßstab.

Winkel: Der Abstand (normalerweise in Grad gemessen) zwischen zwei sich schneidenden Linien oder Flächen an oder nahe dem Punkt, an dem sie sich treffen.

Bogen: Eine Kurve, die oft etwas darstellt, das wie ein Teil eines Kreises aussieht.

Array : Eine breite und organisierte Gruppe von Objekten. Manchmal handelt es sich dabei um Instrumente, die systematisch eingesetzt werden, um Informationen auf koordinierte Weise zu sammeln. In anderen Fällen kann sich ein Array auf Dinge beziehen, die so angeordnet oder angezeigt werden, dass ein breites Spektrum verwandter Dinge, z. B. Farben, gleichzeitig sichtbar gemacht werden kann. Der Begriff kann sogar für eine Reihe von Optionen oder Wahlmöglichkeiten gelten.

Astronom: Ein Wissenschaftler, der auf dem Gebiet der Forschung arbeitet, die sich mit Himmelsobjekten, dem Weltraum und dem physischen Universum beschäftigt.

Atmosphäre: Die Gashülle, die die Erde, einen anderen Planeten oder einen Mond umgibt.

schwarzes Loch: Eine Region des Weltraums mit einem so starken Gravitationsfeld, dass keine Materie oder Strahlung (einschließlich Licht) entweichen kann.

Wolke: Eine Wolke aus Molekülen oder Partikeln, z. B. Wassertröpfchen, die sich unter der Einwirkung einer äußeren Kraft, z. B. Wind, Strahlung oder Wasserströmungen, bewegen.

konkav: Ein Begriff für die Form einer Oberfläche, die etwas abgerundet ist, wie das Innere einer Schüssel.

Beton : Um solide und real zu sein. (im Bauwesen) Ein einfaches, zweiteiliges Baumaterial. Ein Teil besteht aus Sand oder zerkleinerten Gesteinsbrocken. Der andere besteht aus Zement, der aushärtet und dabei hilft, die Materialkörner miteinander zu verbinden.

konvex: Eine Oberfläche, die eine nach außen abgerundete Form besitzt.

Kosmos: (adj. kosmisch) Ein Begriff, der sich auf das Universum und alles darin bezieht.

Grad : (in der Geometrie) Eine Maßeinheit für Winkel. Jeder Grad entspricht einem Dreihundertsechzigstel des Kreisumfangs.

Dichte: Das Maß dafür, wie kondensiert ein Objekt ist, ermittelt man, indem man seine Masse durch sein Volumen dividiert.

Umfeld : Die Summe aller Dinge, die um einen Organismus herum existieren, oder der Prozess und der Zustand, den diese Dinge schaffen. Umgebung kann sich auf das Wetter und das Ökosystem beziehen, in dem ein Tier lebt, oder vielleicht auf die Temperatur und Luftfeuchtigkeit (oder sogar auf die Platzierung von Dingen in der Nähe eines interessierenden Gegenstands).

Mittelpunkt: Die Stelle, an der mehrere Punkte zusammenlaufen oder an der sich ein Strahl zu einem Punkt verjüngt.

Fokus : (in der Physik) Der Punkt, an dem Strahlen (z. B. Licht oder Wärme) manchmal mit Hilfe einer Linse zusammenlaufen. (Im Sehen, Verb, „fokussieren“) Die Aktion, die die Augen einer Person ausführen, um sich an Licht und Entfernung anzupassen und es ihr zu ermöglichen, Objekte klar zu sehen.

Galaxis : Eine Gruppe von Sternen – und normalerweise unsichtbarer, mysteriöser dunkler Materie – alle durch die Schwerkraft zusammengehalten. Riesige Galaxien wie die Milchstraße haben oft mehr als 100 Milliarden Sterne. Die dunkelsten Galaxien haben möglicherweise nur ein paar Tausend. Einige Galaxien enthalten auch Gas und Staub, aus denen sie neue Sterne bilden.

Schwere : Die Kraft, die etwas mit Masse oder Volumen zu etwas anderem mit Masse hinzieht. Je mehr Masse etwas hat, desto größer ist seine Schwerkraft.

Farbton: Eine Farbe oder ein Farbton.

Linse : (in der Biologie) Ein transparenter Teil des Auges hinter der farbigen Iris, der einfallendes Licht auf die lichtabsorbierende Membran auf der Rückseite des Augapfels fokussiert. (in der Physik) Ein transparentes Material, das parallele Lichtstrahlen beim Durchgang entweder bündeln oder ausbreiten kann. (in der Optik) Ein gebogenes Stück transparenten Materials (z. B. Glas), das einfallendes Licht so beugt, dass es auf einen bestimmten Punkt im Raum fokussiert wird. Oder etwas wie die Schwerkraft, das einige der Lichtbeugungseigenschaften einer physischen Linse nachahmen kann.

vergrößern: Die scheinbare Größe oder Anzahl von etwas vergrößern.

Masse: Eine Zahl, die angibt, wie stark ein Objekt der Beschleunigung und Verlangsamung widersteht – im Grunde ein Maß dafür, aus wie viel Materie das Objekt besteht.

Mikroskop: Ein Instrument zur Betrachtung von Objekten wie Bakterien oder einzelnen Zellen von Pflanzen oder Tieren, die zu klein sind, um mit bloßem Auge sichtbar zu sein.

optisch: Ein Adjektiv, das sich auf Licht oder Vision bezieht.

Partikel: Eine winzige Menge von etwas.

Peer : (Substantiv) Jemand, der aufgrund seines Alters, seiner Bildung, seines Status, seiner Ausbildung oder anderer Merkmale gleichberechtigt ist. (Verb) Etwas untersuchen, nach Details suchen.

Punkt : (in der Mathematik) Ein präziser Punkt im Raum, der so klein ist, dass er keine Größe hat. Es hat lediglich eine Adresse.

Prisma : Ein dreieckiger Keil aus Glas oder einer anderen klaren Substanz, der die Komponenten des weißen Lichts in eine regenbogenartige Abfolge farbiger Bänder biegen kann. (v.) Licht in seine einzelnen Farbtöne zerlegen.

Regenbogen : Ein Farbbogen, der während oder kurz nach einem Regen am Himmel angezeigt wird. Es wird dadurch verursacht, dass Wassertröpfchen in der Atmosphäre weißes Sonnenlicht in eine Reihe seiner Farbkomponenten biegen (oder beugen): normalerweise Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett.

Strahl: (in der Mathematik) Eine Linie, die auf einer Seite einen definierten Endpunkt hat, auf der anderen Seite jedoch ewig weitergeht.

reflektierend: (V.reflektieren ; N.Betrachtung ) Adjektiv, das sich auf die Fähigkeit von etwas bezieht, Licht stark zu reflektieren. Solche Objekte können eine starke helle Blendung erzeugen, wenn das Sonnenlicht von ihnen reflektiert wird. Beispiele für reflektierende Objekte sind ein Spiegel, eine glatte Metalldose, ein Autofenster, eine Glasflasche, Eis, Schnee oder die Wasseroberfläche eines Sees.

brechen: (N.Brechung ) Um die Richtung von Licht (oder einer anderen Welle) zu ändern, wenn es durch ein Material geht. Beispielsweise wird der Lichtweg, der das Wasser verlässt und in die Luft eindringt, gebogen, sodass teilweise untergetauchte Objekte den Eindruck erwecken, sie würden sich an der Wasseroberfläche biegen.

Stern : Der Grundbaustein, aus dem Galaxien bestehen. Sterne entstehen, wenn die Schwerkraft Gaswolken verdichtet. Wenn sie heiß genug werden, emittieren Sterne Licht und manchmal auch andere Formen elektromagnetischer Strahlung. Die Sonne ist unser nächster Stern.

Fernrohr : Normalerweise ein lichtsammelndes Instrument, das entfernte Objekte durch den Einsatz von Linsen oder einer Kombination aus gebogenen Spiegeln und Linsen näher erscheinen lässt. Einige sammeln jedoch Funkemissionen (Energie aus einem anderen Teil des elektromagnetischen Spektrums) über ein Netzwerk von Antennen.

Kette : Eine Änderung der Form, normalerweise aufgrund einer Verdrehung oder Krümmung einer normalerweise flachen Oberfläche oder Ebene. Ein Stück nasses Bauholz kann sich bei ungleichmäßiger Trocknung verziehen, wodurch es sich verbiegt oder leicht verdreht.

Wasserdampf: Wasser im gasförmigen Zustand, das in der Luft schweben kann.

Welle: Eine Störung oder Variation, die sich regelmäßig und oszillierend durch Raum und Materie ausbreitet.

Wellenlänge : Der Abstand zwischen einem Gipfel und dem nächsten in einer Reihe von Wellen oder der Abstand zwischen einem Tiefpunkt und dem nächsten. Es ist auch einer der „Maßstäbe“ zur Messung der Strahlung. Sichtbares Licht – das sich wie alle elektromagnetische Strahlung in Wellen ausbreitet – umfasst Wellenlängen zwischen etwa 380 Nanometern (violett) und etwa 740 Nanometern (rot). Strahlung mit kürzeren Wellenlängen als sichtbares Licht umfasst Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und ultraviolettes Licht. Zu den längerwelligen Strahlungen zählen Infrarotlicht, Mikrowellen und Radiowellen.

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