Logische Erklärung für optische Linsen?
Hiermit wird die Unterscheidung zwischen Sammellinse und Streulinse gemeint.
Gibt es hier eine logische Erklärung / ein logisches Muster, warum und weswegen sie das Licht "sammeln" / "zerstreuen" (in Bezug auf die Wölbung)?
Kann jemand auch den logischen Unterschied zwischen konvexkonkav und konkavkonvex erklären?
Bitte in einfachen Worten (8. Klasse).
3 Antworten
- Sammellinsen: Eine Sammellinse ist in der Mitte dicker als an den Rändern. Das bedeutet, sie bündelt Lichtstrahlen, die auf sie treffen. Dies geschieht, weil die Wölbung der Linse das Licht, das durch die Mitte geht, auf einen Punkt fokussiert. Das nennt man den Brennpunkt. Sammellinsen werden oft in Vergrößerungsgläsern oder Teleskopen verwendet, um weit entfernte Dinge näher und größer erscheinen zu lassen.
- Streulinsen: Im Gegensatz dazu ist eine Streulinse in der Mitte dünner als an den Rändern. Dies bewirkt, dass sie Lichtstrahlen auseinanderstreut, anstatt sie zu bündeln. Das bedeutet, dass das Licht, das durch die Linse geht, in verschiedene Richtungen verteilt wird. Streulinsen werden oft in Streuscheinwerfern verwendet, um das Licht gleichmäßig zu verteilen.
Der Unterschied zwischen "konvexkonkav" und "konkavkonvex" bezieht sich auf die Form der Linse.
- Konvexkonkave Linse: Diese Linse ist auf einer Seite konvex (gewölbt nach außen) und auf der anderen Seite konkav (gewölbt nach innen). Sie hat eine breitere Mitte und dünne Ränder. Das bedeutet, dass sie Lichtstrahlen auf der konvexen Seite sammelt und auf der konkaven Seite streut. Sie wird oft in der Optik verwendet, um Lichtstrahlen zu bündeln und dann zu streuen.
- Konkavkonvexe Linse: Diese Linse ist auf einer Seite konkav und auf der anderen Seite konvex. Sie hat eine breitere Mitte und dünne Ränder. Das bedeutet, dass sie Lichtstrahlen auf der konvexen Seite sammelt und auf der konkaven Seite streut, ähnlich wie die konvexkonkave Linse. Der Unterschied liegt nur in der Reihenfolge der Wölbungen.
Quelle: eigene Recherche und ChatGPT
Meine Frage hat sich geklärt. Danke!
Bitte. Jeder bekommt das, was er verdient.
Dies geschieht, weil die Wölbung der Linse das Licht, das durch die Mitte geht, auf einen Punkt fokussiert. Das nennt man den Brennpunkt.
Nein. Es ist anders:
Die Wölbung der Linse fokussiert parallel zueinander einfallende Lichtstrahlen auf einen Punkt. Auf den Brennpunkt fokussiert werden nur Lichtstrahlen, die parallel zur optischen Achse einfallen.
... dass sie Lichtstrahlen auf der konvexen Seite sammelt und auf der konkaven Seite streut. ... um Lichtstrahlen zu bündeln und dann zu streuen.
Was soll das denn bitte bedeuten? Kam das aus ChatGPT?
Das ist gar nicht so schnell erklärt, wenn man es wirklich logisch haben will.
Dass Linsen, egal welche, überhaupt funktionieren, liegt am sogenannten Brechungsindex. Das ist ein physikalisches Maß für die Geschwindigkeit, die Licht in einem Medium hat. In Vakuum hat Licht die Lichtgeschwindigkeit, die man als das "Tempolimit des Universums" kennt. In anderen Medien, bspw. Glas breitet sich Licht jedoch langsamer aus als im Vakuum. Wenn man die Lichtgeschwindigkeit des Vakuums durch die Lichtgeschwindigkeit des Meidums teilt, erhält man eine Zahl, die größer ist als 1. Das ist der Brechungsindex mit dem Formelzeichen n.
Wenn wir eine Linse im Alltag benutzen, haben wir es mit zwei Medien zu tun, durch die das Licht hindurch geht: Luft und Glas. Der Brechungsindex von Luft ist bei etwa 1, der von Glas bei etwa 1,5 (es gibt in der Technik verschiedene Gläser, die sich in ihren Brechungsindizes unterscheiden).
Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen mit Hochs und Tiefs. Diese können zeitlich und räumlich betrachtet werden, d.h. zeitlich kann man sagen, wie viele Hochs und Tiefs sich an einem bestimmten Punkt betrachtet pro Sekunde abwechseln (Frequenz) und räumlich kann man sagen, wie weit zwei Hochs oder Tiefs voneinander entfernt sind (Wellenlänge).
Wenn wir uns bei einer Lupe vorstellen wollen, was passiert, wenn Licht von der Luft ins Glas geht, dann hat das letzte Fitzelchen (infinetissimal kleines Volumenelement), das sich das Licht noch in der Luft aufhält, immer die gleichen elektromagnetischen Werte wie das erste Fitzelchen, das das Licht bereits im Glas ist. Die Frequenz muss also in beiden Medien die gleiche sein, sonst würde ja das letzte Fitzelchen Luft völlig andere elektromagnetische Bedingungen haben wie das erste Fitzelchen Glas. Was aber passiert mit einer zeitlich-räumlichen Welle, wenn die Frequenz konstant bleiben muss und die Geschwindigkeit sich verändert? Wir haben ja noch die Wellenlänge, die sich an diese Bedingungen anpassen kann. Die Geschwindigkeit (m/s) ist die Wellenlänge (m) multipliziert mit der Frequenz (1/s). Das heißt, wenn die Geschwindigkeit bei einem niedrigen Brechungsindex hoch ist, muss auch die Wellenlänge groß sein. In einem Material mit niedriger Geschwindigkeit wird die Wellenlänge kleiner.
Die Wellen-Hochs und -Tiefs kommen im Glas also näher zusammen. Stellen wir uns einen Lichtstrahl vor, der schräg auf eine Glasoberfläche auftrifft. Dieser sieht aus wie eine Gerade mit negativer Steigung, die sich in einem x- und y- Koordinatensystem befindet. Die x-Achse liegt auf der Glasoberfläche. Projezieren wir die Wellenlänge eines aus der Luft eintreffenden Lichtstrahls auf die x-Achse, ist diese Projektion vielleicht zum Beispiel 140 Nanometer. Da das Licht im Glas etwa 1,4 mal langsamer ist (Brechungsindex), ist die Projektion der Wellenlänge von unter der Glasoberfläche auf die x-Achse nur noch 100 nm. Der Lichtstrahl wurde also von der Oberfläche weggeknickt.Der Lichtstrahl bewegt sich jetzt nicht mehr so stark von der Y-Achse weg. In der Strahlenoptik sagt man auch: "Der Strahl bricht von niedrigem zu hohem Brechungsindex zum Lot hin" (mit Lot ist die Y-Achse am Punkt des Auftreffens des Strahls gemeint). Folglich passiert beim Austritt des Lichtstrahls aus dem Glas in die Luft das Gegenteil: Die x-Projektion der Wellenlänge verändert sich von 100 nm auf 140 und der Lichtstrahl bricht deshalb vom Lot weg.
Oberflächen von Linsen sind bekanntlich gekrümmt. Das heißt, zwei parallele Lichtstrahlen, die auf unterschiedlichen Punkten auf die Linse auftreffen, haben unterschiedliche Lote, zu denen sie hinbrechen. Ist die Linse bauchig, d.h. konvex*, zeigen die Lote auf der Glas-Seite in Richtung Mitte der Linse. Folglich brechen die Lichtstrahlen auch in Richtung Mitte. Beim Austritt aus der konvexen Sammellinse zeigen die Lote auf der Luft-Seite weg von der Mitte, die Lichtstrahlen werden also noch mehr in Richtung Mitte gebrochen. Umgekehrt bei der konkaven Streulinse: Die Lote zeigen beim Eintritt weg von der Mitte, d.h. die Lichtstrahlen brechen von der Mitte weg, beim Austritt zeigen die Lote zur Mitte, d.h. die Lichtstrahlen brechen noch weiter weg von der Mitte. Sind die Linsen sauber geformt, treffen sich bei der Sammellinse alle Lichtstrahlen an einem Punkt, den sogenannten Brennpunkt.
Das war jetzt viel Text, aber ich glaube, so kann man sich das logisch herleiten.
*unter Optikern gibt es einen Spruch, wie man "konvex" und "konkav" unterscheidet. Hintergrund ist die Wölbung des Bauches einer (ansonsten) schlanken Frau im Falle einer Schwangerschaft: "War das Mädchen brav, ist der Bauch konkav..." (entsprechend kann die Eselsbrücke fortgeführt werden, wenn man ein Wort findet, das sich auf "konvex" reimt)
Ja, es gibt eine logische Erklärung:
Wenn ein Lichtstrahl schräg auf Glas (ein optisch dichteres Medium) stößt, wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen.
Es kommt nur auf den Winkel an, mit der der Lichtstrahl auf die Glasoberfläche trifft. Senkrecht zur Glasoberfläche ist das Lot.
Der Winkel auf der Luft-Seite zum Lot ist also größer, als der Winkel auf der Glas-Seite zum Lot. Bei einer Sammellinse (hier stark vereinfacht) sorgt das dafür, dass sich die Lichtstrahlen hinter der Linse sammeln... bei einer konkaven Linse sorgt die Brechung dafür, dass die Lichtstrahlen auseinander gehen.
Dankeschön! 😊
Was meinst du genau mit "dünn" und "breit"?
Zieht sich die Seite zusammen oder wie darf ich es mir vorstellen?