Reflexion und Brechung

Licht reflektiert und bewegt sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Richtungen, oder bricht es, je nachdem, durch welches Material es sich ausbreitet, was zu vielen interessanten optischen Phänomenen führt.

Wenn ein Lichtstrahl auf die Oberfläche eines Glasbausteins trifft, ändert ein Teil davon an der Grenzfläche die Richtung, um in das Medium zurückzukehren, aus dem er stammt. Das ist Reflexion. Und der Rest des Lichts ändert seine Richtung an der Grenzfläche und wandert durch den Glasblock, um Energie und Impuls zu sparen; Das ist Brechung.

Linsen, die in optischen Systemen wie Mikroskopen zu finden sind, nutzen Reflexion und Brechung, um Bilder zu erzeugen, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden können.

Hier werden zunächst die Prinzipien und Parameter der Reflexion und Brechung diskutiert. Dann werden wir diese Phänomene in einem System demonstrieren, in dem Luft und Wasser die beiden Medien sind. Als nächstes werden wir die Art und Weise untersuchen, wie Objektive Bilder erzeugen, gefolgt von einigen Anwendungen im Bereich der Optik.

Um die Prinzipien und Parameter der Reflexion und Brechung zu verstehen, wählen wir zwei Medien aus - Wasser und Luft.

Der erste wichtige Parameter, den es zu beachten gilt, ist der "Brechungsindex" "n" - eine Eigenschaft des Mediums, durch das sich Licht bewegt. Es ist definiert als das Verhältnis zwischen der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum "c" und der Lichtgeschwindigkeit im Medium "v". Da der n-Wert von Luft niedriger ist als der von Wasser, bewegt sich Licht im Vergleich zu Luft langsamer durch Wasser.

Nehmen wir nun an, dass die beiden Medien Wasser und Luft entlang einer Grenzfläche miteinander in Kontakt stehen.

Wenn nun Licht vom Wasser in die Luft gelangt und auf die Grenzfläche trifft, wird ein Teil davon an der Grenzfläche reflektiert, und der Rest wird um einen Winkel gebrochen oder gebeugt, der von den Brechungsindizes der beiden Medien abhängt. Sowohl die Reflexion als auch die Brechung hängen auch von einem anderen Parameter ab - dem Einfallswinkel oder ?i.

Dies ist der Winkel zwischen dem einfallenden Licht und der Normalen zur Luft-Wasser-Grenzfläche im ersten Medium, Wasser. Der "Reflexionswinkel" wird zwischen dem reflektierten Licht und der gleichen Normalen im ersten Medium, Wasser, gemessen und entspricht dem Einfallswinkel. Während der "Brechungswinkel" oder ?r der Winkel zwischen dem gebrochenen Licht und der Senkrechten zur Luft-Wasser-Grenzfläche im zweiten Medium, der Luft, ist.

Der Brechungswinkel ist somit abhängig vom Einfallswinkel und den Brechungsindizes der beiden Medien. Das Gesetz der Brechung oder das Snellsche Gesetz stellt eine Beziehung zwischen all diesen Parametern her.

Wenn nun der Einfallswinkel langsam erhöht wird, erscheint das Licht an einem Punkt entlang der Wasser-Luft-Grenzfläche, und der Brechungswinkel beträgt 90 Grad. Dieser Einfallswinkel wird als "kritischer Winkel" bezeichnet. Beachten Sie, dass dies nur passieren kann, wenn der Brechungsindex des ersten Mediums größer ist als der des zweiten.

Wird unter der gleichen Bedingung der Einfallswinkel weiter erhöht, dann wird der Lichtstrahl so stark gebrochen, dass er tatsächlich vollständig in das erste Medium zurückreflektiert wird, von dem das Licht stammt. Dieses Phänomen wird als Totale Innere Reflexion bezeichnet.

Nachdem wir die Parameter überprüft haben, die sich auf Reflexion und Brechung auswirken, sehen wir uns an, wie man ein Experiment in einem Physiklabor durchführt, das diese Prinzipien validiert. Sammeln Sie alle notwendigen Materialien und Geräte, einschließlich eines speziellen Refraktionstanks mit Lichtstrahl.

Füllen Sie eine Hälfte des Refraktionsbehälters mit Wasser. Schalten Sie den Lichtstrahl ein und richten Sie den Strahl in die Hälfte des mit Wasser gefüllten Tanks.

Messen Sie mit einem Winkelmesser den Einfallswinkel des Lichtstrahls oder den im Wasser gemessenen Winkel zwischen dem Lichtstrahl und der Grenzfläche zwischen Normaler und Luft-Wasser-Grenzfläche. Messen Sie auch den Brechungswinkel oder den in Luft gemessenen Winkel zwischen dem Lichtstrahl und der Senkrechten zur Luft-Wasser-Grenzfläche

Jetzt, da der Einfallswinkel erhöht wird, wird ein Punkt erreicht, an dem der Lichtstrahl entlang der Luft-Wasser-Grenzfläche erscheint. Notieren Sie sich diesen Einfallswinkel, da er der kritische Winkel für die Totalreflexion ist.

Vergrößern Sie anschließend den Einfallswinkel, indem Sie die Lichtquelle gegen den Uhrzeigersinn drehen. Der gebrochene Strahl wird nun vollständig in das Wasser reflektiert und zeigt die Totalreflexion.

Bewegen Sie anschließend die Lichtquelle so, dass der Strahl zuerst in die Lufthälfte des Tanks eintritt, bevor er ins Wasser gelangt. Wiederholen Sie das Protokoll für den neuen Lichtstrahlengang für verschiedene Einfallswinkel und notieren Sie den entsprechenden Brechungswinkel.

Lassen Sie uns nun über Objektive sprechen, die die Reflexion und Brechung des Lichts nutzen, um reale und virtuelle Bilder von Objekten zu erstellen. Alle Linsen, ob konvex oder konkav, haben eine Brennweite 'f', d.h. den Abstand von der Linse, in dem Lichtstrahlen, die aus unendlich großer Entfernung kommen, nach dem Durchgang durch die Linse fokussiert werden. Für konvexe Linsen ist f positiv und für konkave Linsen ist f negativ.

Wenn ein Objekt vor einer Linse platziert wird, entsteht ein Bild. Die "Thin-Lens-Gleichung" stellt eine mathematische Beziehung zwischen der Brennweite "f", dem Abstand zwischen dem Objekt und der Linse, "o", und dem Abstand zwischen der Linse und dem Bild, "i", dar.

Es ist dieser mathematische Bildabstand 'i', der uns sagt, ob ein Bild, das von der Linse erzeugt wird, real oder virtuell ist. Wenn das mathematisch berechnete "i" positiv ist, dann ist das gebildete Bild real, und wenn es negativ ist, ist das Bild virtuell.

Wenn bei einer konvexen Linse der Objektabstand 'o' größer als die Brennweite 'f' ist, ist der mathematisch berechnete Bildabstand 'i' positiv und es entsteht ein reales Bild. Dies ist auf die physikalische Konvergenz der Lichtstrahlen zurückzuführen, die vom Objekt ausgehen, wie das Bild, das von einer Kamera oder einem Mikroskop aufgenommen wird.

Ist jedoch der Objektabstand 'o' kleiner als die Brennweite 'f', ist der mathematisch berechnete Bildabstand 'i' negativ und es entsteht ein virtuelles Bild. Das liegt daran, dass die Lichtstrahlen scheinbar zusammenlaufen, aber tatsächlich physisch divergieren, und unsere Augen einen Ausgangspunkt für sie bilden. Dies ist bei einer Lupe zu beobachten, bei der ein vergrößertes virtuelles Bild entsteht.

Bei konkaven Linsen passieren die Lichtstrahlen, die vom Objekt kommen, die Linse und divergieren immer. Somit ist das berechnete 'i' immer negativ und das erzeugte Bild ist immer virtuell.

In diesem Abschnitt werden wir die Bildung von realen und virtuellen Bildern mit einfachen konvexen und konkaven Linsen validieren. Sammeln Sie die erforderlichen Materialien, nämlich eine konvexe Linse, eine konkave Linse, ein Blatt weißes Papier, ein kleines markantes Objekt und eine Klemme, um das Papier vertikal zu halten

Platzieren Sie zuerst die konvexe Linse zwischen dem Objekt und dem Blatt Papier. Achten Sie darauf, dass sie alle in einer Reihe und auf gleicher Höhe sind.

Bewegen Sie das Objekt und das Papier, bis ein scharfes Bild des Objekts auf dem Papier erscheint. Dieses Bild, das auf dem Papier zu sehen ist, ist ein echtes Bild, da es auf einem Bildschirm aufgenommen werden kann.

Messen Sie nun den Abstand von der Linse zum Objekt und von der Linse zum Papier. Verwenden Sie die Gleichung für dünne Linsen, um die Brennweite des Objektivs zu bestimmen.

Legen Sie dann das Papier beiseite und bewegen Sie das Objekt näher an das Objektiv, bis der Abstand zwischen dem Objektiv und dem Objekt kleiner ist als die Brennweite des Objektivs. Schauen Sie durch das Objektiv und beobachten Sie das Bild.

Ersetzen Sie die konvexe Linse durch eine konkave Linse. Schauen Sie durch die konkave Linse und betrachten Sie das verkleinerte virtuelle Bild.

Nachdem wir nun das experimentelle Protokoll abgeschlossen haben, sehen wir uns an, wie die erhaltenen Daten analysiert werden. Im ersten Experiment haben wir den Einfallswinkel und den Brechungswinkel an der Wasser-Luft-Grenzfläche gemessen.

Indem wir das Snellsche Gesetz verwenden und die Werte für diese Winkel zusammen mit dem Brechungsindex von Luft in die Gleichung einsetzen, können wir den Brechungsindex von Wasser berechnen, der sich aus 1,33 ergibt.

Diese Berechnung kann dann für die verschiedenen Einfalls- und Brechungswinkel wiederholt werden. Der Durchschnitt aller berechneten Brechungsindizes ermöglicht eine genauere Messung des Brechungsindex von Wasser.

Wir können auch den kritischen Winkel für die innere Totalreflexion mit Hilfe des Snellschen Gesetzes berechnen. Dies ist der Einfallswinkel, wenn der Brechungswinkel 90 Grad beträgt. Ordnen Sie diese Gleichung neu an, um den kritischen Winkel aufzulösen.

Unter Verwendung des zuvor berechneten Mittelwerts für den Brechungsindex von Wasser sagt das Snellsche Gesetz voraus, dass der kritische Einfallswinkel 48,8 Grad beträgt. Dies liegt sehr nahe an dem experimentell gemessenen Winkel, was das Snellsche Gesetz bestätigt.

Wenn der Lichtstrahl von der Luft auf das Wasser projiziert wird, tritt selbst bei Winkeln von mehr als 48,8 Grad keine interne Totalreflexion auf, da das Licht nun von einem Medium mit niedrigerem Index zu einem höheren wandert.

Im Experiment mit den Objektiven zeigt die Gleichung für dünne Linsen, dass bei einem Objektabstand von 11,02 Zentimetern zum Objektiv und einem Bildabstand von etwa 9,21 Zentimetern die Brennweite des Objektivs etwa 5,02 Zentimeter beträgt.

In dem Fall, in dem das Objekt durch eine konvexe Linse in einer Entfernung betrachtet wird, die kleiner als seine Brennweite ist, wird eine vergrößerte Version des Objekts beobachtet. Hierbei handelt es sich um ein virtuelles Bild, da dieses Bild nicht auf einem Bildschirm erfasst werden kann. In ähnlicher Weise wird bei Verwendung der konkaven Linse ein verkleinertes virtuelles Bild des Objekts beobachtet.

Optiken, insbesondere optische Linsen, werden in allen Lebensbereichen eingesetzt, von der Fotografie über die medizinische Bildgebung bis hin zum menschlichen Auge.

Optische Fasern werden in vielen heutigen Anwendungen zur Datenübertragung eingesetzt, z. B. bei der Übertragung von Telefonsignalen. Diese Fasern bestehen aus einem Kern, einer Ummantelung und einer schützenden Außenschicht oder einem Puffer sowie anderen Verstärkungsschichten.

Der Mantel leitet die Daten in Form von Lichtimpulsen mit der Methode der Totalreflexion entlang des Kerns. Diese Eigenschaft der Datenübertragung ermöglicht es faseroptischen Kameras, die von Ärzten verwendet werden, enge Räume im menschlichen Körper zu betrachten.

Unter der Mikroskopie versteht man den Bereich der Verwendung von Mikroskopen, um Objekte zu betrachten, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind. Bei der optischen oder Lichtmikroskopie wird sichtbares Licht, das durch die Probe gebrochen oder von ihr reflektiert wird, durch eine einzelne oder mehrere Linsen geleitet, um eine vergrößerte Ansicht der Probe zu ermöglichen. Das resultierende Bild kann direkt vom Auge erkannt oder digital erfasst werden.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in Reflexion und Brechung gesehen. Sie sollten nun die Prinzipien der Brechung, des Snellschen Gesetzes und der Totalreflexion verstehen und auch die Theorie hinter Linsen und wie sie Bilder erzeugen. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen!