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Einige physikalische Größen in der Natur haben einen bestimmten, festen Wert, der im Laufe der Zeit immer genauer bestimmt worden ist. Man nennt solche physikalischen Größen Naturkonstanten. Typische Beispiele für solche Naturkonstanten sind die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum als die größtmögliche in der Natur auftretende Geschwindigkeit, der absolute Nullpunkt der Temperatur als die tiefstmögliche Temperatur oder die Fallbeschleunigung, die angibt, welche Beschleunigung ein Körper beim Fall im luftleeren Raum hat.

* 19. 9. 1819 Paris
† 11. 2. 1868 Paris
Er war ein französischer Physiker und Astronom, der auf verschiedenen Gebieten der Physik und Astronomie tätig war und u. a. mit einem Pendel die Rotation der Erde direkt nachwies, eine Methode zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit entwickelte und sich auch Verdienste um die Herstellung großer Hohlspiegel für astronomische Zwecke erwarb.

Das Licht breitet sich im Vakuum in allen Richtungen und unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit der Lichtquelle oder des Lichtempfängers mit einer Geschwindigkeit von 299792,458 km/s aus. Die Lichtgeschwindigkeit ist eine grundlegende Naturkonstante der gesamten Physik.

Luftspiegelungen entstehen, wenn Licht an der Grenze zwischen Warmluft und Kaltluft scheinbar total reflektiert wird und dadurch für einen Beobachter Objekte an Stellen erscheinen, an denen sie sich in Wirklichkeit nicht befinden. Wird das Vorhandensein einer ausgedehnten Wasserfläche vorgetäuscht, so spricht man von Fata Morgana.

Der Übergang von Licht aus dem Vakuum in einen anderen Stoff kommt auf der Erdoberfläche praktisch nicht vor. Hier beobachtet man im Grunde immer nur die Übertritte von Licht zwischen zwei beliebigen lichtdurchlässigen Stoffen. Um vorhersagen zu können, ob das Licht dabei zum Einfallslot hin oder von ihm weg gebrochen wird, hat man die Begriffe optisch dichte Stoffe und optisch dünne Stoffe eingeführt.

Licht kann man sich als einen Strom von winzigen kleinen Teilchen, den Photonen, vorstellen. Jedes dieser Photonen besitzt Energie und bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit.
Photonen entstehen in der Atomhülle. Zwischen ihrer Energie und der Frequenz des Lichtes besteht direkte Proportionalität.

* 25. 9. 1644 Arhus
† 19. 9. 1710 Kopenhagen
Er war ein dänischer Astronom, Mitarbeiter an der Pariser Sternwarte und Direktor der Sternwarte in Kopenhagen. RÖMER bestimmte aus der Verfinsterung der Jupitermonde erstmals die Lichtgeschwindigkeit.

Der englische Physiker JAMES CLERK MAXWELL hatte im Jahre 1868 die Existenz elektromagnetischer Wellen vorhergesagt. Dem deutschen Physiker HEINRICH HERTZ gelang im Jahre 1888 der experimentelle Nachweis elektromagnetischer Wellen.

Das elektrische Feld ist ein bestimmter Zustand des Raumes um einen geladenen Körper. Auf geladene Körper, die sich in einem elektrischen Feld befinden, wirkt eine Kraft.

Ein magnetisches Feld ist der Zustand des Raumes um Magnete, durch den auf andere Magnete oder Stoffe mit magnetischen Eigenschaften Kräfte ausgeübt werden.

* 19.09.1819 Paris
† 11.02.1868 Paris

Er war ein französischer Physiker und Astronom, der auf verschiedenen Gebieten der Physik und Astronomie tätig war und u. a. mit einem Pendel die Rotation der Erde direkt nachwies, eine Methode zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit entwickelte und sich auch Verdienste um die Herstellung großer Hohlspiegel für astronomische Zwecke erwarb.

Unter einem Gravitationsfeld versteht man den besonderen Zustand des Raumes um einen massebehafteten Körper. In einem Gravitationsfeld werden auf andere Körper Gravitationskräfte ausgeübt.
Veranschaulichen kann man sich ein Gravitationsfeld ähnlich wie ein elektrisches oder ein magnetisches Feld durch Feldlinien oder Äquipotenziallinien. Die quantitative Beschreibung eines Gravitationsfeldes kann mithilfe von Feldgrößen (Gravitationsfeldstärke, Potenzial) erfolgen.

Fällt Licht geneigt auf die Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Stoffen, dann wird es in der Regel aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt. Diesen Vorgang bezeichnet man als Brechung.
Die wesentliche Voraussetzung für das Zustandekommen der Brechung ist eine unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes in den Stoffen, die aneinandergrenzen. Für die Brechung von Licht gilt das Brechungsgesetz:
$\frac{\sin \alpha }{\sin \beta }=\frac{c_1}{c_2}\text{oder}\frac{\sin \alpha }{\sin \beta }=n$
Das Brechungsgesetz kann man z.B. experimentell oder aus dem fermatschen Prinzip herleiten.

Das von dem französischen Mathematiker und Juristen PIERRE DE FERMAT (1601-1665) gefundene Prinzip ist ein Extremalprinzip für die Ausbreitung von Licht. Es besagt, dass Licht zwischen zwei Punkten den zeitlich kürzesten Weg zurücklegt, der nicht immer der geometrisch kürzeste ist. Damit wird die Laufzeit des Lichtes zwischen zwei Punkten ein Minimum. Das fermatsche Prinzip ist ein grundlegendes Prinzip der geometrischen Optik. Mithilfe des fermatschen Prinzips kann man z.B. das Brechungsgesetz herleiten.

Das Licht breitet sich im Vakuum in allen Richtungen und unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit der Lichtquelle oder des Lichtempfängers mit einer Geschwindigkeit von 299.792,458 km/s aus. Das ist zugleich die größte Geschwindigkeit, mit der sich Informationen ausbreiten können. Die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist eine grundlegende Naturkonstante. Sie wird heute auch genutzt, um die Einheit 1 m zu definieren, die eine Basiseinheit des Internationalen Einheitensystems ist. In Luft breitet sich Licht näherungsweise mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit aus, in anderen Stoffen ist die Lichtgeschwindigkeit kleiner.

* 25.09.1644 in Arhus
† 19.09.1710 in Kopenhagen

Er war ein dänischer Astronom, Mitarbeiter an der Pariser Sternwarte und Direktor der Sternwarte in Kopenhagen. RÖMER bestimmte aus der Verfinsterung der Jupitermonde erstmals die Lichtgeschwindigkeit.

Geht Licht von einem optisch dichten in einen optisch dünnen Stoff über, dann ist der Brechungswinkel größer als der Einfallswinkel. Bei einem Brechungswinkel von 90° gelangt das Licht gar nicht mehr in den zweiten Stoff, es verläuft entlang der Grenzfläche. Vergrößert man davon ausgehend den Einfallswinkel noch weiter, dann wird an Licht an der Grenzfläche vollständig reflektiert. Dieser Vorgang wird als Totalreflexion bezeichnet. Totalreflexion wird z.B. bei Lichtleitern genutzt. Sie spielt auch bei Luftspiegelungen eine Rolle.

Grundlegende Kenntnisse über die Ausbreitung von Licht und die Wechselwirkung des Lichts mit Stoffen wurden bereits in der Sekundarstufe 1 vermittelt. Das gilt für die Schattenbildung ebenso wie für die Reflexion und die Brechung. Neu ist in der Oberstufe die Einbeziehung des huygensschen Prinzips. Damit ist bei Nutzung des Wellenmodells nicht nur eine Beschreibung, sondern auch eine Erklärung für Reflexion und Brechung möglich. Im Test geht es vorrangig darum zu prüfen, ob grundlegendes Wissen zu elementaren Grundlagen vorhanden ist und auf einfache Sachverhalte angewendet werden kann.

Hier kannst du dich selbst testen. So kannst du dich gezielt auf Prüfungen und Klausuren vorbereiten oder deine Lernerfolge kontrollieren.

Multiple-Choice-Test zum Thema "Physik - Ausbreitung von Licht und Wechselwirkung mit Stoffen".

Viel Spaß beim Beantworten der Fragen!

WISSENSTEST

Licht kann man sich als einen Strom von winzigen Energieportionen, den Photonen, vorstellen. Jedes dieser Photonen besitzt Energie und bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit. Ihm kann eine Masse und ein Impuls zugeordnet werden.
Photonen entstehen in der Atomhülle. Zwischen ihrer Energie und der Frequenz des Lichtes besteht direkte Proportionalität.

Unter Temperaturstrahlung versteht man die elektromagnetische Strahlung, die ein Körper aufgrund seiner Temperatur an seine Umgebung abgibt. Hauptbereiche der Temperaturstrahlung sind das infrarote, das sichtbare und das ultraviolette Licht.
Bei ihrer Ausbreitung im Raum wird Temperaturstrahlung teilweise an Körpern reflektiert, teilweise durch Körper absorbiert und geht teilweise auch durch Körper hindurch.

Für die Erkenntnis, dass alle elektromagnetischen Wellen von gleicher physikalischer Beschaffenheit sind, ist ihre einheitliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von etwa 300 000 km/s im Vakuum von großer Bedeutung. Mit dieser Geschwindigkeit pflanzen sich zum Beispiel Lichtwellen, Röntgenwellen, aber auch Radiowellen durch den Raum hindurch fort.

Für die Brechung von Licht an einer Grenzfläche zwischen zwei lichtdurchlässigen Stoffen gilt das Brechungsgesetz. Es lautet:

Geht Licht von einem Stoff in einen anderen über, so gilt:

$\begin{array}{l}\frac{\sin \alpha }{\sin \beta }=\frac{c_1}{c_2}\text{ oder }\frac{\text{sin}\alpha }{\text{sin}\beta }=n\\ \alpha \text{ Einfallswinkel}\\ \beta \text{ Brechungswinkel}\\ c_{\text{1}},c_{\text{2}}\text{ Lichtgeschwindigkeiten in den}\\ \text{ Stoffen 1 und 2}\\ n\text{ Brechzahl}\end{array}$

Einfallender Strahl, Einfallslot und gebrochener Strahl liegen in einer Ebene.

Licht hat Welleneigenschaften und kann mit dem Modell Lichtwelle beschrieben werden. Lichtwellen sind ihrem physikalischen Charakter nach elektromagnetische Wellen kleiner Wellenlänge und damit großer Frequenz, wobei der für den Menschen sichtbare Bereich Wellenlängen zwischen
390 nm und 780 nm hat. Lichtwellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Sie können gebeugt werden, sich überlagern (interferieren) und polarisiert werden.

Einige physikalische Größen in der Natur haben einen bestimmten, festen Wert, der im Laufe der Zeit immer genauer bestimmt worden ist. Man nennt solche physikalischen Größen Naturkonstanten. Typische Beispiele für solche Naturkonstanten sind die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum als die größtmögliche in der Natur auftretende Geschwindigkeit, der absolute Nullpunkt der Temperatur als die tiefstmögliche Temperatur oder die Fallbeschleunigung, die angibt, welche Beschleunigung ein Körper im Gravitationsfeld beim Fall im luftleeren Raum hat.