Licht: Strahlen, Reflexion, Dispersion und das elektromagnetische Spektrum
Licht als elektromagnetische Welle, c = f·λ, das Reflexionsgesetz, warum Prismen und Regentropfen Spektren erzeugen, Farbe und Streuung. Mit einem Versuch zum Reflexionsgesetz.
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Licht ist eine elektromagnetische Welle. Im Vakuum breitet es sich mit c = 3,00 × 10⁸ m/s aus (in Luft nur wenig langsamer), und wie jede Welle gehorcht es c = f·λ. Sichtbares Licht hat Wellenlängen von etwa 400 nm bis 750 nm: Rot hat die größte Wellenlänge und die niedrigste Frequenz, Violett die kleinste Wellenlänge und die höchste Frequenz.[6]
In der geometrischen Optik wird Licht als Strahlen modelliert, die sich geradlinig ausbreiten und an einem Spiegel oder an der Grenzfläche zwischen zwei Stoffen ihre Richtung ändern. An einem Spiegel gilt: Der Reflexionswinkel ist gleich dem Einfallswinkel, beide vom Lot aus gemessen. Eine im Vergleich zur Wellenlänge glatte Oberfläche liefert ein scharfes Bild; eine raue Oberfläche streut Licht in alle Richtungen (diffuse Reflexion).[3][4]
Weißes Licht ist eine ziemlich gleichmäßige Mischung aller sichtbaren Wellenlängen. Weil die Brechzahl eines Stoffs von der Wellenlänge abhängt, wird jede Farbe unterschiedlich stark gebrochen: Das ist die Dispersion. In Glas und Wasser ist die Brechzahl für kürzere Wellenlängen größer, darum wird Violett stärker gebrochen als Rot. Ein Regenbogen entsteht, wenn Sonnenlicht beim Eintritt in einen Regentropfen gebrochen, an dessen Rückseite reflektiert und beim Austritt erneut gebrochen wird.[5]
Trifft Licht auf Materie, kann es durchgelassen, reflektiert, absorbiert, gebrochen oder gestreut werden. Die Farbe eines Gegenstands sind die Wellenlängen, die er reflektiert, während die anderen absorbiert werden.[2]
Der Himmel ist blau, weil Moleküle in der Luft kurze Wellenlängen viel stärker streuen als lange. Bei Sonnenuntergang ist der Weg durch die Atmosphäre viel länger, darum wird das meiste Blau aus dem direkten Strahl herausgestreut und die Sonne sieht rot oder orange aus.[1]
Licht von der Sonne legt etwa 1,5 × 10¹¹ m in etwa 500 s zurück: acht Minuten. Du siehst die Sonne so, wie sie vor acht Minuten war.[7][6]
Ausprobieren: Das Reflexionsgesetz prüfen
Du brauchst
- Ein ebener Spiegel mit Halter (oder einem Klotz, der ihn aufrecht hält)
- Eine Experimentierleuchte mit Einzelspalt oder eine Taschenlampe, die mit schwarzem Karton bis auf einen schmalen Spalt abgeklebt ist
- Ein Blatt A4-Papier, ein Lineal, ein spitzer Bleistift und ein Winkelmesser
- Ein abgedunkelter Raum
Sicherheit
Experimentierleuchten werden heiß: die Lampe nicht berühren. Wenn ein Laserpointer verwendet wird, dann nur ein schwacher Schullaser unter Aufsicht der Lehrkraft, und ihn nie auf Augen oder auf glänzende Flächen richten, die zu Personen zeigen.
So geht's
- Zeichne eine gerade Linie quer über das Papier und stelle den Spiegel mit der spiegelnden Seite entlang dieser Linie darauf.
- Zeichne das Lot: eine Linie im Winkel von 90° zur Spiegellinie, in der Mitte des Blatts.
- Lass einen schmalen Lichtstrahl so über das Papier laufen, dass er den Spiegel genau dort trifft, wo das Lot auf ihn stößt.
- Markiere den einfallenden und den reflektierten Strahl mit je zwei Bleistiftpunkten, nimm dann den Spiegel weg und zeichne die Strahlen mit dem Lineal ein.
- Miss den Einfallswinkel i und den Reflexionswinkel r vom Lot aus.
- Wiederhole das für mindestens fünf Winkel (zum Beispiel 15°, 30°, 45°, 60°, 75°) und trage r gegen i auf.
Was passiert, und warum?
Die Punkte sollten auf der Geraden r = i liegen. Kleine Abweichungen entstehen durch die Breite des Strahls, die Dicke des Spiegelglases (die verspiegelte Rückseite reflektiert, nicht die Vorderseite) und das Ablesen am Winkelmesser. Das ist das Reflexionsgesetz.[4]
Spielen: Sichtbar oder nicht?
Nutze c = f·λ (c = 3,00 × 10⁸ m/s). Ist dieses Licht sichtbar (400–750 nm), jenseits von Rot (Infrarot) oder jenseits von Violett (Ultraviolett)?
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