64.1 Entstehung einer Luftspiegelung: Die Luftschicht in Bodennähe ist wärmer (optisch dünner) als die darüber liegende (optisch dichtere). Ein Lichtstrahl, der aus der kälteren Schicht kommt, wird an den wärmeren, bodennahen Schichten reflektiert und gekrümmt. Voraussetzung ist, dass die Schichtung stabil ist. Reflexion und Brechung in der Atmosphäre Die Brechzahl von Luft hat für gelbes Licht auf Meeresniveau und bei 20 °C den Wert n = 1,000292. Bei abnehmender Luftdichte (z. B. wegen höherer Temperatur oder geringerem Luftdruck) wird sie kleiner. Führt der Lichtweg durch unterschiedliche Luftschichtungen, so kann es zu einer Krümmung des Lichtwegs oder zur Totalreflexion des Lichts an atmosphärischen Schichten kommen. Beispiel 1: Die atmosphärische Strahlenbrechung Das Licht der Sterne muss auf dem Weg zur Erde die Atmosphäre durchqueren. Die Dichte der Luft wächst nach unten an und die Brechzahl nimmt zu, daher wird ein schräg einfallender Lichtstrahl fortlaufend zum Lot gebrochen und gekrümmt (63.5). Das Auge sieht eine Lichtquelle stets in der rückwärtigen Verlängerung des einfallenden Strahls, daher erscheinen alle Sterne mehr oder weniger angehoben. Diese Anhebung kann in der Nähe des Horizontes bis zu einem halben Grad betragen. Die in geometrischer Hinsicht bereits untergegangene Sonne ist daher wegen der atmosphärischen Strahlenbrechung noch voll sichtbar! Da der untere Sonnenrand durch die Brechung stärker angehoben wird als der obere, erscheint die Sonne am Horizont abgeplattet. Beispiel 2: Fata Morgana und Luftspiegelung Wird der Erdboden durch Sonnenbestrahlung stark erwärmt, so bildet sich unmittelbar über dem Boden eine warme Luftschicht. Lichtstrahlen, die schräg auf diese heiße Luftschicht auftreffen, werden gekrümmt (64.1). Die heiße Luftschicht wirkt gewissermaßen als Spiegel und kann bei hellem Himmel eine Wasserfläche vortäuschen. Diese Erscheinung ist häufig an heißen Tagen auf Asphaltstraßen zu beobachten und als Fata Morgana bekannt. An heißen Tagen bildet sich in größerer Höhe eine ausgedehnte warme Luftschicht geringer Dichte aus. An dieser Schicht werden schräg auftreffende Strahlen reflektiert. Ferne Landschaften, mit freiem Auge oft nicht sichtbar, hängen gespenstisch am Himmel. 64.2 Die Verzögerung einer ebenen Welle in einer Sammellinse und einer Zerstreuungslinse. Bei der Sammellinse wird die Lichtwelle nach dem Durchgang durch die Linse in einem Punkt, dem Brennpunkt gesammelt, bei der Zerstreuungslinse von diesem Punkt weggestreut. Exakt gilt dies nur für sehr dünne Linsen und achsenparallele Lichtbündel. Den Abstand zwischen Brennpunkt und Mitte der Linse bezeichnet man als Brennweite f. F F 64.3 Gegenstände, die wir unter demselben Sehwinkel φ sehen, erscheinen uns gleich groß. c d c’, d’ Optische Instrumente Optische Geräte, wie Brillen, Lupen, Mikroskope, Fernrohre oder Projektoren erzeugen Bilder von Gegenständen. Die Bilder können den Gegenstand vergrößert oder verkleinert, aufrecht oder verkehrt, seitenrichtig oder seitenverkehrt zeigen. Dazu werden neben Glasprismen vor allem Sammel- und Zerstreuungslinsen verwendet bzw. auch kombiniert. Untersuche, überlege, forsche: Optische Instrumente 64.1 E2 Untersuche verschiedene Brillen und probiere aus, wie durch das Aufsetzen einer Brille Bilder von Gegenständen verändert werden. 64.2 W4 Hast du zu Hause optische Linsen? Beschreibe, in welchen Geräten sie verwendet werden. 64.3 W3 Informiere dich über die Bauweise eines modernen Lichtmikroskops. Mikroskop und Fernrohr sind auch aus historischer Sicht interessant. Stelle eine Präsentation über die Geschichte dieser Instrumente zusammen. In welcher Weise haben sie das Leben der Menschen verändert? Ist ein Gegenstand sehr klein, so bringen wir ihn näher an das Auge heran, um ihn genauer betrachten zu können. Auf diese Weise vergrößern wir den Sehwinkel, also den Winkel, unter dem wir den Gegenstand sehen und damit sein Bild auf der Netzhaut (64.3). Weit entfernte Gegenstände kann man zumeist nicht näher bringen, bei nahen Gegenständen kann sich die Augenlinse nicht ausreichend krümmen (akkomodieren) um auf der Netzhaut ein scharfes Bild zu erzeugen. Mikroskope und Fernrohre vergrößern den Sehwinkel. Dazu werden optische Linsen miteinander kombiniert. Beim Lichtmikroskop werden im einfachsten Fall zwei Sammellinsen verwendet: das Okular und das Objektiv. Nähere Informationen zum Lichtmikroskop und zum Fernrohr findest du im digitalen Zusatzmaterial. 64 1 Reflexion und Brechung Elektromagnetische Wellen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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