Basics, Optische Phänomene |
Wenn zwei Wellen übereinanderlaufen, dann geschieht das im allgemeinen völlig unbeeinflusst voneinander. Die läuft durch die andere durch. Außer, wenn beide Wellen in die gleiche Richtung laufen, und die gleiche Frequenz haben. Dann gibt es zwei extreme Möglichkeiten:
- Wellenberg trifft auf Wellenberg – die Gesamtwelle verstärkt sich, wir sprechen von konstruktiver Interferenz.
- Wellenberg trifft auf Wellental – die Gesamtwelle löscht sich aus, wir sprechen von destruktiver Interferenz.
Es gibt dazu verschiedene Anwendungen und Phänomene, die man beschreiben kann. Bei Lichtwellen können sich in der Natur bestimmte Farben auslöschen. Das ist bei schillernden Schmetterlingsflügeln oder bei Ölfilmen auf der Straße sichtbar. Wir sprechen von Interferenzfarben oder von “Farben dünner Schichten”.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Interferenz_(Physik)
Diese Texte sind Starthilfen zum Lernen. Sie geben Ihnen einen Einblick, worum es bei dem Thema geht. Die Idee. Achtung: Es ist möglicherweise nicht unbedingt genau das, was Ihr:e Prüfer:in darüber hören möchte. Es ist auch nicht der ganze Stoff. Machen Sie sich nach dem Lesen des Textes ein eigenes Bild mit Ihren Büchern und den anderen Quellen. Ein freies Online-Schulbuch aus Österreich: https://physikbuch.schule, aus Deutschland: https://www.leifiphysik.de/. Weitere empfehlenswerte Schulbuchreihen der Oberstufe aus Österreich: Big Bang, Sexl, Physik kompakt.
Basics, Optische Phänomene |
Lichtwellen haben eine bestimmte Richtung, in die sie schwingen. Wir sprechen von Schwingungsebenen der elektromagnetischen Strahlung. Licht ist üblicherweise eine Mischung aus vielen unterschiedlichen Schwingungsebenen, aber unter bestimmten Umständen gibt es nur eine oder eine vorherrschende Schwingungsebene. Diese kann man dann mit Polarisationsfilter ausblenden, die gerade diese Schwingungsebene nicht durchlassen. Dann wird es dunkel.
Wann ist Licht polarisiert? Wenn es reflektiert wird, oder wenn man in einem bestimmten Winkel zum Himmel schaut. Unser Auge kann polarisiertes Licht nicht erkennen, es sieht “ganz normal” aus, aber mit einer Polarisations-Sonnenbrille werden diese Gegenden mit polarisiertem Licht dunkler. Im Kino kann Polarisation ausgenutzt werden, um dem einen Auge ein anderes Bild zu zeigen, als dem anderen Auge – man sieht den Film mit einer Polarisationsbrille, die für die Augen das jeweils andere Bild ausblendet.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Polarisation
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Basics, Optische Phänomene |
Normalwerweise breiten sich Lichtstrahlen geradlinig aus. Unser Auge und unser Gehirn “weiß” das und vermutet daher auch immer die Lichtquelle dort, wo die Lichtstrahlen herkommen. Es kann aber sein, dass diese Lichtwellen auf ihrem Weg ihre Richtung verändert haben, das sehen wir nicht und wir vermuten das Objekt dann an der falschen Stelle. Grund für die Änderung der Richtung des Lichts auf seinem Weg kann sein, dass es durch unterschiedlich dichte Luft ausbreitet, allgemeiner, durch unterschiedlich optisch dichte Medien. An den Übergängen dieser Medien wird das Licht gebrochen, es verändert seine Ausbreitungsrichtung. In der Wüste können diese unterschiedlichen Medien kühle und heiße Luftschichten sein – eine Fata Morgana entsteht. Das sieht man auch über heißen Straßen.
Oder ein Lichtstrahl wird von einer Taschenlampe schräg in ein Aquarium geleuchtet, oder ein Fisch sieht aus dem Wasser heraus eine Mücke fliegen. Je schräger er auf die Wasseroberfläche hinsieht, desto stärker ist die Lichtbrechung. Wird ein bestimmter Winkel überschritten, findet der Grenzübertritt mit Brechung gar nicht mehr statt, sondern das Licht wird reflektiert. Wir sprechen von Totalreflexion. In einem Glasfaserkabel ist das der Fall.
Link: Totalreflexion | Fata Morgana
Basics, Optische Phänomene |
Man kann davon ausgehen, dass sich Licht absolut geradlinig ausbreitet, und dabei den kürzesten Weg nimmt. Das ist das Fermat’sche Prinzip, das allerdings nicht auf der großen Skala im Universum stattfindet, wo es Raumzeitkrümmungen in der Nähe von großen Massen gibt, dem auch das Licht folgt. Eine der großen Bestätigungen für die Relativitätstheorie war die Sonnenfinsternis vom 29. Mai 1919. Damals zeigte sich, dass man einen Stern gleich neben der Sonne sehen kann, der eigentlich hinter der Sonne sein müsste. Die Sonne hat als große Masse die Raumzeit gekrümmt, und das Licht biegt sich um die Sonne herum. Aber: wie gesagt, das ist ein Spezialfall.
Auf der Erde sind die optischen Gesetze da. Geradlinig, Licht ist eine Welle. Es gibt Reflexion an spiegelnden Flächen – Einfallswinkel ist gleich Ausfallswinkel, und es gibt die Lichtbrechung, wenn das Licht von einem optisch dichten in ein optisch dünnes Medium wechselt und umgekehrt – da wird die Richtung verändert. So funktionieren Brillen, Linsen, und wenn man Linsen kombiniert, kann man Fernrohre bauen, die Entfernte Dinge vergrößern, und Mikroskope, die nahe Dinge vergrößern.
Die Lichtgeschwindigkeit kann man auch messen – rund 300.00 km pro Sekunde.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Optik und https://de.wikipedia.org/wiki/Lichtgeschwindigkeit
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Basics, Optische Phänomene |
Licht ist ja eigentlich unsichtbar. Man sieht Licht nur, wenn es auf Objekte trifft. Dann werden sie hell. Solche Objekte können auch Teilchen in der Luft sein, Nebel zum Beispiel. Wenn Sonnenlicht durch eine etwas nebelige Landschaft sieht, dann sehen wir “Lichtstrahlen”. Diese Lichtstrahlen breiten sich von der Lichtquelle aus. Wer also das Verhalten von Licht studieren will, könnte mit der Idee der Lichtstrahlen arbeiten, und so seine Zeichnungen auf Papier machen. Man kann studieren, wie Glaslinsen den Weg dieser Lichtstrahlen verändern. Wie ein Spiegel diese Lichtstrahlen reflektiert. Insgesamt sprechen wir hier von “geometrischer Optik”, weil sie mit einem Lineal gemacht wird. Es wird dabei angenommen, dass sich Licht geradlinig und auf dem kürzesten Weg ausbreitet (Fermat’sches Prinzip). Also genau so, wie man mit einem Lineal zeichnen kann.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Geometrische_Optik
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Basics, Schwingungen und Wellen |
Es gibt zwei Arten von Wellen: Die einen sehen aus wie Wasserwellen. Sie werden Transversalwellen genannt, weil das schwingungsfähige Material senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingt. Die anderen sehen aus wie Schallwellen. Sie werden Longitudinalwellen genannt, weil die Schwingungen in Ausbreitungsrichtung (Verdichtung und Entdichtung der Luft) stattfindet.
Interferenz ist, wenn zwei Wellen übereinanderlaufen und sich verstärken, weil sie die gleiche Frequenz haben und Wellenberg auf Wellenberg und Wellental auf Wellental fällt. Sie können sich aber auch auslöschen, wenn sie die gleiche Frequenz haben und Wellenberg auf Wellental trifft. Das kann bei Schall passieren (Anti-Noise-Kopfhörer), oder auch bei Licht. Da löschen sich oft nur passende Frequenzen (Farben) aus dem Lichtspektrum des weißen Lichtes, so dass schillernde Farben entstehen, bei Seifenblasen, Schmetterlingsflügeln etwa. Diese Farben werden Interferenzfarben genannt.
Von Beugung spricht man, wenn eine Welle beim Durchgang durch ein Loch “die Kurve kratzt”, also sich um die Ecke herumbiegt und in den – man sagt – Schattenraum hinter dem Loch geht. Das ist dann möglich, wenn das Loch ungefähr die Größe der Welle selbst hat. man kann also um die Ecke hören (Schallwellen haben eine Wellenlänge um 1 m, so groß ist auch die Tür), man kann Licht um die Ecke eines kleinen Löchleins schicken. Beugung und Lichtinterferenz kann es auch bei Gittern geben, bei einem feinen Vorhang zum Beispiel. Plötzlich sieht man Regenbogenfarben, die durch Interferenz entstehen.
Polarisation: Das ist zum Beispiel bei Lichtwellen, wenn die elektromagnetischen Wellen in eine Richtung schwingen. normalerweise tun sie das bei Licht in alle möglichen Richtungen, wenn Licht aber von einer spiegelnden Fläche reflektiert wird, dann ist dieses reflektierte Licht polarisiert, schwingt in eine bevorzugte Richtung. Polaroidbrillen können diese Schwingungsrichtung ausblenden, man wird also durch die reflektierten Strahlen nicht mehr geblendet, die Farben erscheinen satter, und man kann die Fische im Wasser besser beobachten.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Welle
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Basics, Schwingungen und Wellen |
Eine elektromagnetische Welle entsteht, wenn eine elektrische Ladung beschleunigt wird. Diese Wellen breiten sich im Raum aus.
Gravitationswellen entstehen, wenn Massen beschleunigt werden. Diese Wellen sind Wellen in der Raum-Zeit. Die Massen müssen groß sein, zum Beispiel wenn sich zwei schwarze Löcher vereinigen. Gravitationswellen wurden tatsächlich mit großen Interferometern gemessen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Gravitationswelle
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Basics, Schwingungen und Wellen |
Die Effekte der Quantenphysik treten in der Welt der kleinsten Teilchen auf, auf atomarem Niveau und darunter. Erst Anwendungen wie Laser, Elektronenmikroskopie oder Supraleitung machen quantenmechanische Effekte in unserer Welt erfahrbar. Die Quantenphysik bringt mit ins Spiel…
- Die Heisenberg’sche Unschärferelation: Es ist unmöglich, Ort und Geschwindigkeit eines Teilchens gleichzeitig genau festzustellen. Statt Elektronenbahnen um Atome werden daher Orbitale gezeichnet, Aufenthaltsräume für Elektronen, in denen sie sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit befinden.
- Die Quantisierung: Einige physikalische Größen wie Energie oder elektrische Ladung können nur in Vielfachen eines kleinsten Einheitswertes auftreten.
- Das Ausschließungsverbot: Elementarteilchen mit denselben Quantenzahlen, die ihren Zustand beschreiben, können nicht zur selben Zeit am selben Ort sein. Das gilt aber nicht für alle Elementarteilchen, woraus sich wiederum herrliche Fragestellungen ergeben…
- Die Verschränkung: Zwei Elementarteilchen, die „verschränkt“ sind, sich aber an zwei verschiedenen Orten befinden, sind „geisterhaft verbunden“. Beobachtet man das eine, ist unmittelbar der Zustand des anderen festgelegt. Quantenteleportation (“Beamen”), Quantenverschlüsselung und Quantencomputer werden damit möglich.
- Die schwierige Messung: Messen stört dermaßen, dass entweder quantenphysikalische Phänomene ganz verschwinden, oder die Messung das Gemessene so stark beeinflusst, dass es gravierend verändert wird.
- Den Welle-Teilchen-Dualismus: Nicht nur Licht ist eine Welle und ein Strom von Teilchen (Photonen) gleichermaßen, sondern auch Materie. Auch Elektronen, Protonen, und was auch immer sind Teilchen und Welle zugleich. Manche Experimente zeigen den Teilchencharakter, andere den Wellencharakter.
In der Quantenwelt können Sie durch die Wand gehen, ohne weiteres aus einem Glas fließen, oder sonst irgendwelche krummen Sachen machen. Aber geben Sie Acht: alles ist unvertraut, wir sind dort nicht zuhause!
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Quantenphysik
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Basics, Schwingungen und Wellen |
Das ist eine spannende Sache. Interessant, dass beide Begriffe in der Überschrift zusammenstoßen. Wir werden klären, wie das zusammenpasst.
Ein Photon ist ein Lichtteilchen. Hast du gehört/gelesen? Ein Lichtteilchen! Licht ist ein Strom von Teilchen. Ein Strom von Photonen. Das ist eine Vorstellung.
Licht besteht aus Lichtwellen. Hast du gehört/gelesen? Lichtwellen! Licht ist eine elektromagnetische Welle. Das ist etwas ganz anderes, wie ein Lichtteilung. Und das ist eine zweite Vorstellung.
Man sagt nun: Licht ist beides. Es besteht aus Lichtteilchen, den Photonen, und es ist gleichzeitig eine Welle. Irgendwie ist das halt die Formulierung, die wir Menschen verwenden. Wir sagen zu diesem “beides ist”: Welle-Teilchen-Dualismus.
Bei Materie ist das genau so. Da sind wir es gewöhnt, von Teilchen zu sprechen. Elektronen als Teilchen. Klar. Aber: wir können auch von Elektronen als Welle sprechen. Das sind dann Materiewellen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Materiewelle
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Basics, Schwingungen und Wellen |
Zwei Möglichkeiten gibt es, um Dinge in unserer Umgebung zu sehen. Und bei beiden Erklärungen spielt das Auge eine wichtige Rolle. Erstens – das könnte sein – gehen aus dem Auge sogenannte Sehstrahlen aus. Sie treffen auf die Dinge und werden von ihnen wieder reflektiert, zurückgeworfen in unser Auge. Zweitens: Es gibt noch etwas Anderes: Lichtquellen, die Licht erzeugen, das auf die Dinge trifft, von denen reflektiert und in unser Auge geworfen werden. Das ist die physikalisch richtige Erklärung.
Link: Sehstrahlen in der Antike | Richtige Erklärung (LEIFI Physik)
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Basics, Schwingungen und Wellen |
Wie kann man Informationen von der einen Seite auf die andere Bringen? Mit Lichtzeichen. Mit Radiowellen. Beides sind elektromagnetische Wellen. Sie gehen auch durch das Vakuum. Einen Sender brauchen wir, und einen Empfänger, und eine Art, wie wir die Informationen codieren.
Die Lichtwellen breiten sich nach den Gesetzen der Optik aus – normalerweise geradlinig und auf den kürzesten Weg. In der geometrischen Optik versuchen wir auch wirklich, mit dem Lineal die Lichtstrahlen zu zeichnen. In der Wellenoptik verzichten wir auf das Lineal, sondern schauen uns das Benehmen von “Elementarwellen” genauer an, um die Ausbreitung von Wellenfronten zu verstehen.
Wenn Licht aus verschiedenen Farben besteht – weißes Licht aus allen Regenbogenfarben – dann kann man beim Empfänger schauen, ob irgend ein Kobold eine Farbe auf dem Weg zwischen Sender und Empfänger “gefressen” hat. Fehlt eine Farbe, weiß man, oh, da gibt es den “gelbfressenden Kobold”. Zum Beispiel. Es ist natürlich kein Kobold, der die Farben frisst, sondern zum Beispiel Gase in der Atmosphäre, Ozon zum Beispiel. Sie absorbieren bestimmte Farben aus der weißen Sonnenlichtmischung, und wenn die fehlen, wissen wir, oh, da ist Ozon da. Das ist die Spektralanalyse. Wir analysieren die Spektren von Sternen, um herauszufinden, welche Elemente auf ihnen das Licht verursachen.
Links:
- Elektromagnetische Wellen: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Welle
- Optik: https://de.wikipedia.org/wiki/Optik
- Spektralanalyse: https://de.wikipedia.org/wiki/Spektroskopie
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Basics, Schwingungen und Wellen |
Der Dopplereffekt ist ein Phänomen der Wellenphysik. Er tritt etwa bei Schallwellen und Lichtwellen auf. Eine Schallquelle fährt auf uns zu. Oder sie fährt von uns weg. Ein Rettungsauto zum Beispiel. Die Töne des Einsatzhorns (Tatü-Tata) werden höher, wenn das Auto auf uns zukommt, wenn es von uns wegfährt, werde sie tiefer. Die Frequenz erhöht sich, oder sie wird geringer, so könnte man auch sagen. Auch mit geschlossenen Augen weiß man so, ob das Rettungsauto auf uns zukommt, oder von uns wegfährt.
Den Dopplereffekt gibt es auch bei Licht: das Licht der Sterne ist ein bisschen hin zu tieferen Frequenzen (“rot”) hin verschoben, weil sie sich von uns wegbewegen. Das ist ein Hinweis für die Expansion des Universums.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Doppler-Effekt
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Basics, Schwingungen und Wellen |
Schallwellen sind Longitudinalwellen. Die Luft (auch andere Medien sind möglich) wird in Ausbreitungsrichtung periodisch verdichtet und entspannt. Schallwellen bereiten sich unter Normalbedingungen etwa mit 300 Meter pro Sekunde aus. Sie können auch um die Ecke gehen, was man bemerkt, wenn durch eine offene Tür Geräusche von Dingen von außerhalb kommen, die man nicht sieht. Die Akustik beschäftigt sich mit dem Hören der Schallwellen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Schall und https://de.wikipedia.org/wiki/Akustik
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Basics, Schwingungen und Wellen |
Wenn man viele schwingungsfähige Systeme kombiniert, entsteht eine Welle. Das klingt zunächst ein bisschen abstrakt, aber man denke nur an die La Ola Welle der Begeisterung im Fußballstadion. Einer springt auf, der nächste sieht es, springt auch auf, und so weiter und so fort. Es gibt eine Ausbreitungsgeschwindigkeit und eine Frequenz. Eine Wellenlänge. Eine La Ola Welle ist eine “Transversalwelle”, weil die Schwingungsrichtung der Beteiligten (auf/ab) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ist (links/rechts). Auch Wasserwellen sind Transversalwellen.
Ob es sinnvoll ist, auf eine Flaschenpost zu warten? Eigentlich tanzt sie nur auf einer Welle auf und ab – die schwingungsfähigen Gebilde, die Wasserteilchen verlassen ihren Ort nicht, nur die Energie der Welle wird transportiert, es sieht also so aus, als ob die Welle als Gesamtes auf uns zukommt. De facto aber bricht die Wasserwelle aber in Strandnähe, so dass es Effekte gibt, dass die Flasche doch zu uns ans Ufer kommt.
Schallwellen sind ähnlich: hier oszillieren die Teilchen aber nach links und nach rechts, also in Richtung der Ausbreitung. Solche Wellen werden Longitudinalwellen genannt.
Und es gibt viele weitere Beispiele für sogenannte mechanische Wellen.
Links:
- Welle: https://de.wikipedia.org/wiki/Welle
- Longitudinalwelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Longitudinalwelle
- Transversalwelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Transversalwelle
- Wasserwelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserwelle
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Basics, Schwingungen und Wellen |
Wenn jemand schaukelt, dann muss die Schaukel immer wieder mal angeschupst werden. Am besten geht das, indem das Anschupsen in einer ähnlichen Frequenz wie das Schaukeln selbst passiert. Dann funktioniert die Energieübertragung am besten. Mit kleinen Schupsen – regelmäßig in Resonanz ausgeführt – kann man die Schaukel zu höchsten Höhen bringen.
Ähnliches passiert in Musikinstrumenten, bei denen ein Resonanzraum ungefähr die Ausdehnung der Wellenlänge der Schallschwingungen hat, das es spielt. Dann hilft der Resonanzraum mit, die Töne besonders gut hörbar zu machen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Resonanz
Photo by Lucia Macedo on Unsplash
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