Kapitel 2 Schatten, Abbildungen und Perspektive

345 Pages·2008·28.38 MB·German

Inhaltsverzeichnis
1 WasistLicht? 3
2 Schatten,AbbildungenundPerspektive 5
2.1 DieDefinitionvonSchatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 KernschattenundHalbschatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Lochkamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 DreidimensionalesSehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 Perspektive. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.6 SchattenundPerspektive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.7 SchattenimVolumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.8 WeitereszumThemaSchattenundPerspektive . . . . . . . . . . . 29
2.9 Moire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3 Farbe 39
3.1 GrundlagenderFarbwahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 AbsorptionundEmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 FarbpigmenteundFarbeninderNatur . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4 Farbmischung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5 Farbabgleich,FarbkonstanzundFarbwahrnehmung . . . . . . . . 61
3.6 Farba¨nderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.7 Pulver,Scha¨umeundSchnee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4 Streuung 71
4.1 Rayleigh–Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 WeitereszurFarbedesHimmels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3 Airlight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4 WoRayleigh–Streuungnochauftritt . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
i
ii INHALTSVERZEICHNIS
4.5 Mie–Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.6 Mehrfachstreuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5 Brechung 93
5.1 Fermat’schesPrinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.2 FarbeundBrechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3 Bildanhebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.4 Luftspiegelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.5 Gru¨nesLeuchten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.6 Linsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.7 BrechungundWasser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.8 Retroreflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.9 Regenbogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6 Reflexion 123
6.1 Reflexionsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.2 Spiegeloptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.3 FresnelGleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.4 ReflexionundWellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.5 Nass=Dunkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.6 Halos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.7 DreidimensionaleEffektebeiderReflexion . . . . . . . . . . . . . 154
7 InterferenzundBeugung 157
7.1 LichtalsWelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.2 InterferenzanSchichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.3 Beugung-U¨bersichtundeinfu¨hrendeBemerkungen . . . . . . . 168
7.4 Beugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.5 BeugunganGitternundSpalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.6 Auflo¨sung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.7 Koronae,GlorienundIrisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.8 BeugungundRegenbogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.9 Koha¨renzundSpeckles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8 Polarisation 199
INHALTSVERZEICHNIS iii
8.1 PolarisatorenundHelligkeitsa¨nderungen . . . . . . . . . . . . . . 200
8.2 DiePolarisationdesHimmels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.3 Doppelbrechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.4 PolarisationSehenohneHilfsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8.5 WeitereszumThemaPolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
9 Lichtquellen 219
9.1 ThermischeQuellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
9.2 Lumineszenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.3 LichtemittierendeDioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
9.4 Polarlichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.5 WeitereLeuchterscheinungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
10 Auge 239
10.1 AufbaudesAuges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
10.2 HelligkeitswahrnehmungundFotometrie . . . . . . . . . . . . . . 250
10.3 Farbwahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
11 VisuelleWahrnehmung 257
11.1 WiekommtdieWeltindenKopf? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
11.2 Mehrdeutigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
11.3 Cafe´hausIllusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
11.4 LateraleInhibition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
11.5 ScheinbareBewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
11.6 Helligkeitswahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
11.7 Farbeffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
11.8 MagnetischeHu¨gel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
11.9 Perspektiveneffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
12 Weiterfu¨hrendeLiteratur 305
iv INHALTSVERZEICHNIS
.
Vorwort &
Allgemeine Hinweise
Alles,wassietunmu¨ssen,ist,IhreAugenmit
”
demZauberstabzuberu¨hren,derdaheißt:
Wissen,woraufichachtenmuss.”
(M.Minnaert)
WasistdasSchwerstevonallem?
”
WasdirdasLeichtestedu¨nket:
MitAugenzusehen,”
wasvordenAugendirliegt.”
(J.W.Goethe)
Das obige Zitat von MarcelMinnaert beschreibt sehr gut die Problematik bei
derBeobachtungenoptischerPha¨nomeneinunsererunmittelbarenUmgebung.
VielederEffektebegleitenunsseitunsererKindheitundsindunssogela¨ufig,
dasssie garnicht weiterauffallenund unsererbewusstenWahrnehmung ent-
gehen.
Erschwerendkommthinzu,dasswenigevonunsz.B.laufenddenHimmelab-
suchen,umdorteventuelletwasungewo¨hnlicheszuentdecken.Wirsehendas,
worauf wir unsere Aufmerksam richten. Vieles in unserem Gesichtsfeld wird
dahernichtwahrgenommen.
Dieses frei verfu¨gbareeBook soll Ihnen helfen, optische Pha¨nomene in Natur
und Alltag zu sehen und diese zu verstehen. Es ist als Begleitung zur Vor-
lesung Optische Pha¨nomene” am Institut fu¨r Technische Optik der Univer-
”
sita¨tStuttgartentstanden. Hauptzielgruppesind daherStudentender Physik,
des Maschienbaus und des Studium Generales. Vorkenntnissen sind allerd-
ings keine erforderlich, so dass weite Teile auch fu¨r Schu¨ler der Oberstufe
versta¨ndlichseinsollten.
Letztlich fu¨hren uns die optischen Pha¨nomene natu¨rlich durch das gesamte
GebietderOptik,sodassessichbeidemIhnenhiervorliegendenBuchumein
Optikbuchhandelt.DasGebietistgleichermaßenfaszinierendundrießigund
oftmals konnte ich es mir nicht verkneifen (auch wenn dadurch die Didaktik
und U¨bersichtlichkeit leidet) aus meiner Sicht interessante Zusatzinformation
mit aufzunehmen. Diese Zusatzinformationen finden sich meist in Fußnoten
damitdieStrukturdesTextesnichtallzusehreingeschra¨nktwird.
Falls Sie u¨ber schlecht geschrieben Erkla¨rungen oder gar Fehler stolpern soll-
ten: Schreiben Sie mir bitte eine EMail. Außerdem freue ich mich natu¨rlich
u¨ber scho¨nes Bildmaterial aller Art und Hinweise auf beeindruckende optis-
chePha¨nomene,diehierbislangfehlen.
Stuttgart,Oktober2009,V1.2(10/2009),T.Haist([email protected])
Copyright
3
Kapitel 1
Was ist Licht?
Fu¨nfzigJahreangestrengtenNachdenkenshabenmichderAntwort
”
aufdieFrage’WassindLichtquanten?’nichtna¨hergebracht.
HeuteglaubtzwarjederLump,erwissees,abererta¨uschtsich.”
(A.Einstein)
Gerne wu¨rde ich damit beginnen, Ihnen zuna¨chst darzulegen, was Licht
eigentlich ist. Schließlich ist die Optik die Wissenschaft des Lichts. Leider bin
ich dazu nicht im Stande. Licht ist merkwu¨rdig, wichtig und faszinierend.
Und es ist mysterio¨s. Seit tausenden von Jahren bescha¨ftigen sich die großen
NaturforschermitdiesemseltsamenEtwas,daswir Licht” nennen. Viele der
”
klu¨gstenKo¨pfe,diedieMenschheithervorgebrachthat,habensichmitderWis-
senschaftdesLichtbescha¨ftigtundgewaltigeFortschrittewurdenerzielt.Den-
nochko¨nnenwirauchheutenochnichtklarerkla¨ren,wasLichteigentlichist.
LichtistundbleibteinFaszinosumundMysterium.
Neben der Faszination hat Licht eine enorme praktische Bedeutung. Ohne
Licht wa¨re unser Leben natu¨rlich nicht denkbar. Die Sonne, unsere wichtig-
ste Lichtquelle (vgl. Kapitel 9), sorgt dafu¨r, dass u¨berhaupt Leben in der uns
bekanntenFormaufderErdemo¨glichist.
ZuverstehenwasLichtist,istausgesprochenschwierig(zumindestwenndas
Versta¨ndnisu¨bereinesimpleDefinitionhinausreichensoll).EineAnna¨herung
andasPha¨nomen Licht”sollimfolgenden(insehrkurzerForm) u¨bereinige
”
EigenschaftendesLichtserfolgen:
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht ist extrem hoch (300.000
•
km/s).WedermaterielleKo¨rpernochInformationkannsichschnellerals
Lichtbewegen1.
Die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichterlaubtesuns, in
• ”
die Vergangenheit zu sehen” (indem wir sehr weit entfernte Objekte
beobachten).
Lichtverla¨uftzwischenzweiPunktenso,dassdieReisezeitfu¨rdasLicht-
•
teilchen, das sogenannte Photon extremal, also minimal oder maximal,
wird.
1DieFolgewa¨renmo¨glicheKausalita¨tsverletzungenundpassendahernichtzumu¨blichenWelt-
bildeinesPhysikers.
4 OPTISCHEPHA¨NOMENEINNATURUNDALLTAG
Lichtverha¨ltsichteilweisewieeinStromausTeilchen(Photonen).
•
Licht verha¨lt sich teilweise wie eine Welle. Dabei ist Licht die
•
(sehrhochfrequente)periodischeSchwingungeineselektromagnetischen
Felds.
Manchmal verha¨lt sich Licht in einem Experiment gleichzeitig wie eine
•
WelleundwieeinStromausTeilchen.
DieWellenla¨ngesichtbarenLichtsistsehrkurz(400bis700nm).
•
DieWellenla¨ngeλ,dieAusbreitungsgeschwindigkeitcunddieFrequenz
•
ν vonLichtsindu¨berc=λν miteinanderverknu¨pft.
Die Wechselwirkung von Licht mit Materie wird durch verschiedene
•
Modelle(insbesondereBrechung,Reflexion,Streuung,Beugung,Absorp-
tion,Quantenelektrodynamik)beschrieben.
Die Lebensdauer eines ungesto¨rten Photons ist (aus unserer Sicht) un-
•
endlich.
Photonen sind die Tra¨ger” bzw. Vermittler” der elektromagnetischen
• ” ”
Wechselwirkung.
Von Licht” bzw. Optik” als der Wissenschaft von Licht sprechen wir, wenn
” ”
dieWellenla¨ngedesLichtsinnerhalbeinesBereichsvomutraviolettenbiszum
thermischenInfrarotenliegt2.DieseEinteilungistzuna¨chstausphysikalischer
Sichtvo¨lligwillku¨rlich dadiePhotonenbzw. elektromagnetischenWellenmit
denen wir Licht beschreiben beliebige Wellenla¨ngen aufweisen ko¨nnen. Eine
Einschra¨nkungistaberinderPraxisdennochsinnvolldennvielederindiesem
Bereichgu¨ltigen technischen Prinzipien sind außerhalb des optischen” Bere-
”
ichsnichtanwendbar.
DieVernachla¨ssigungderWellenaturistdannzula¨ssig,wennalle charakteris-
”
tischenGro¨ßen”einesoptischenProblemsdeutlichgro¨ßeralsdieWellenla¨nge
des Licht sind. Solche charakteristischen Gro¨ßen sind Dimensionen der op-
tischen Elemente, aber auch insbesondere der Objekt– und Zielobjekte. Beu-
gungseffekte,wiesiez.B.zurBegrenzungdermaximalenAuflo¨sungeinerop-
tischen Abbildung fu¨hren, werden im geometrischen Modell der Optik da-
her nicht beru¨cksichtigt. Wir werdenmit dem einfachenStrahlenmodell ohne
Beru¨cksichtigung der Beugung allerdings recht weit kommen. Lediglich die
Kapitel 7 und 8 werden Effekte beschreiben, bei denen wir die Wellennatur
desLichtsberu¨cksichtigenmu¨ssenund Effekte,dieaufderQuantennaturdes
Lichtsberuhenwerdenwirkomplettaussparen.
BasisunsererBeschreibungistalsozuna¨chstderidealisierte Lichtstrahl”.Wir
”
denkenunsdasLichtalseinStromvonTeilchen,diemehroderwenigermech-
anistischbeschriebenwerden.InsbesonderelaufendieTeilcheninhomogenen
MedienaufGeraden(ebendenLichtstrahlen).
2Viele Optiker definieren Licht” einschra¨nkend auch als den fu¨r den Menschen sichtbaren
”
SpektralbereichdeselektrogmagnetischenSpektrums.