Licht ist eine sehr komplizierte Erscheinung, die mit unterschiedlichen Modellen beschrieben werden kann. Da ein Modell jeweils nur einige Merkmale oder Eigenschaften eines Originals widerspiegelt, hat jedes der Modelle einen bestimmten Anwendungsbereich. Neben dem Modell Lichtstrahl und dem Modell Lichtwelle kann man Licht auch mit einem Zeigermodell und dem Modell Lichtquant (Photon) beschreiben.
Das Modell Lichtstrahl
Das Modell Lichtstrahl
ist ein Modell zur Darstellung des Weges, den das Licht zurücklegt.
Dazu zeichnet man von der Lichtquelle aus Halbstrahlen, die als Lichtstrahlen
bezeichnet werden. Dieses Modell eignet sich gut dazu, folgende Erscheinungen
zu beschreiben:
- Geradlinige
Ausbreitung des Lichtes in einem optisch homogenen Stoff (z.B. Luft
bestimmter Temperatur und Dichte, Glas),
- Entstehung von Schatten hinter
lichtundurchlässigen Körpern,
- Weg des Lichtes bei der Reflexion
an Oberflächen,
- Weg des Lichtes bei der Brechung
beim Übergang von einem Stoff in einen anderen,
- Weg des Lichtes an optischen Bauteilen (Spiegeln, Linsen, Prismen),
beim Auge sowie bei optischen Geräten (Mikroskop, Fernrohr, Fotoapparat,
Bildwerfer, Tageslichtprojektor, ...).
Der Teilbereich der Optik, in dem man mit dem Modell
Lichtstrahl arbeitet, wird als Strahlenoptik
oder geometrische Optik
bezeichnet.
Lichtstrahlen sagen nichts über das Wesen des Lichtes aus. Deshalb
ist dieses Modell auch nicht geeignet, Erscheinungen zu erklären,
die mit dem Wellencharakter des Lichtes zusammenhängen, z.B. die
Beugung, die Interferenz oder die Polarisation.
Lichtstrahlen und
Lichtbündel
Neben den Lichtstrahlen spielen Lichtbündel bei der Beschreibung
und Erklärung der Lichtausbreitung eine wichtige Rolle. Ein Lichtbündel
ist ein räumlich begrenzter Bereich, in dem sich Licht ausbreitet.
Dargestellt werden kann das reale Objekt Lichtbündel mithilfe von
Randstrahlen (Bild 2). Man
unterscheidet drei Hauptformen von Lichtbündeln:
- divergierende Lichtbündel,
- parallele Lichtbündel und
- konvergierende Lichtbündel.
Divergierend sind die Lichtbündel dann, wenn sie in Ausbreitungsrichtung
des Lichtes auseinanderlaufen.
Konvergierende Lichtbündel verengen sich in Ausbreitungsrichtung
des Lichtes.
Parallele Lichtbündel verändern sich in der Breite nicht. Das
Licht von Lasern besteht aus fast parallelem Licht und wird daher genutzt,
wenn man solches Licht für Untersuchungen oder zur Konstruktion optischer
Geräte benötigt.
Licht und Schatten
Als Schatten bezeichnet man den entweder
gar nicht oder nur teilweise beleuchteten Raum hinter Körpern, die
für Licht undurchlässig sind oder es zumindest stark schwächen.
Das Aussehen des Schattens wird durch die Form der Lichtquelle, die Gestalt
des lichtundurchlässigen Körpers und die Entfernung zwischen
Lichtquelle und Körper bestimmt. Der Bereich des Schattens kann durch
geometrische Konstruktion ermittelt werden. Dazu verwendet man Randstrahlen
(Bild 3).
Bei einer näherungsweise punktförmigen Lichtquelle entsteht ein Schatten, der durch die Randstrahlen begrenzt ist. Sind zwei Lichtquellen oder eine ausgedehnte Lichtquelle vorhanden, so entstehen neben einem Kernschatten auch Halbschatten (Bild 4), deren Lage man ebenfalls durch geometrische Konstruktion ermitteln kann. Diese Schatten spielen z.B. bei partiellen Sonnen- und Mondfinsternissen eine Rolle. Informationen dazu sind in gesonderten Beiträgen auf der CD gegeben.
Umkehrbarkeit des
Lichtweges
Der Weg des Lichtes ist umkehrbar. Das bedeutet: Wenn Licht von einem
Punkt A (Lichtquelle) zu einem beliebigen Punkt B verläuft, so würde
es, wenn die Lichtquelle in B wäre, den gleichen Weg zum Punkt A
in umgekehrter Richtung durchlaufen. Das Licht kann also einen bestimmten
Ausbreitungsweg immer in beiden Richtungen durchlaufen. Das bezeichnet
man in der Physik als Umkehrbarkeit
des Lichtweges.
Diese Eigenschaft kann bei Konstruktionsaufgaben zum Strahlenverlauf an
Spiegeln, Linsen und optischen Geräten nutzen. Ist man zunächst
nicht in der Lage, den richtigen Strahlenverlauf vom Gegenstand zum Bild
zu konstruieren, darf man die Aufgabe auch in umgekehrter Richtung angehen:
Man versucht dann, den Strahlenverlauf ausgehend vom Bild zu lösen.