Thema 13 — Optik und Wellenphaenomene

Geschichte des Lichts · Photoeffekt · Grundlagen der Wellenphysik · Wellentypen · Interferenz & Beugung · Welle-Teilchen-Entsprechung · drei Bereiche der Optik

Kapitel

• 13.1 Geschichte des Lichts
• 13.2 Photoeffekt — Schulversuch
• 13.3 Grundlagen der Wellenphysik
• 13.4 Wellentypen
• 13.5 Interferenz und Beugung
• 13.6 Welle-Teilchen-Entsprechung
• 13.7 Drei Bereiche der Optik
• 13.8 Das elektromagnetische Spektrum
• 13.9 Akustik: Ton, Geräusch, Lautstärke

Selfcheck

1. Vergleiche Newtons und Huygens' Lichttheorie. Wer hatte bei der Lichtgeschwindigkeit in Glas recht?
2. Nenne die Schlüssel-Etappen der Lichtforschung (Young, Foucault, Maxwell, Planck, Einstein).
3. Beschreibe den Photoeffekt-Schulversuch. Warum wirkt nur UV, nicht sichtbares Licht?
4. Definiere Elongation, Amplitude, $\lambda$, $f$, $T$. Wie hängen $c$, $\lambda$, $f$ zusammen?
5. Unterscheide Transversal- und Longitudinalwelle mit je einem Beispiel.
6. Wann ist Interferenz konstruktiv, wann destruktiv? Was ist Beugung?
7. Wie misst man mit dem Gitter die Wellenlänge ($\lambda =ds/D$)? Welche Farbe hat die größte $\lambda$?
8. Wie entsprechen sich Farbe/Helligkeit im Wellen- und im Teilchenbild?
9. Nenne die drei Bereiche der Optik mit ihren Bedingungen ($d$ vs. $\lambda$).
10. Wie begründete Maxwell, dass Licht eine EM-Welle ist? Was trugen Hertz und Marconi bei?
11. Warum ist Schall in Luft zwingend longitudinal? Welcher Beleg zeigt, dass Licht transversal ist?
12. Ordne das elektromagnetische Spektrum von langwellig bis kurzwellig. Was haben alle Bereiche gemeinsam? In welchem Wellenlängenbereich liegt das sichtbare Licht?
13. Wie hängen $\lambda$, $f$ und die Photonenenergie $E$ durch das ganze Spektrum zusammen? Wo stehen die hochenergetischen Photonen der kosmischen Strahlung?
14. Was ist Schall physikalisch, und wie schnell ist er in Luft? Unterscheide Ton, Klang, Geräusch.
15. Wovon hängen Tonhöhe und Lautstärke ab? Warum klingt dieselbe Note auf zwei Instrumenten verschieden?
16. Warum misst man die Lautstärke in Dezibel (logarithmisch)? Nenne grob Hör- und Schmerzgrenze.

§§ANTWORTEN

1. Newton: Licht = Teilchen (Korpuskeln), $c$ in Glas größer als $c_0$. Huygens: Licht = Welle, $c$ in Glas kleiner, erklärt auch Beugung. Bei der Lichtgeschwindigkeit in Glas hatte Huygens recht (1856 von Foucault bestätigt). (§13.1)
2. Young (1801, Doppelspalt → Interferenz, pro Welle); Foucault (1856, $c<c_0$ in Flüssigkeit); Maxwell (1860, Licht = EM-Welle); Planck (1900, $E=hf$); Einstein (1905, Photoeffekt → Photonen). (§13.1)
3. Eine negativ geladene Zinkplatte wird mit UV bestrahlt und entlädt sich (Elektronen werden ausgelöst). Sichtbares Licht wirkt nicht, weil seine Photonenenergie $E=hf$ zu klein ist — selbst bei hoher Intensität (Intensität = nur mehr Photonen). (§13.2)
4. Elongation = momentane Auslenkung; Amplitude = max. Auslenkung; $\lambda$ = Abstand gleicher Schwingungszustände; $f$ = Schwingungen/s; $T=1/f$. Zusammenhang: $\boxed{{\displaystyle c=\lambda f}}$. (§13.3)
5. Transversal: Auslenkung senkrecht zur Ausbreitung (z. B. EM-/Wasserwelle). Longitudinal: Auslenkung parallel (z. B. Schallwelle). (§13.4)
6. Konstruktiv bei $\mathrm{\Delta }\phi =2\pi n$ (Berg+Berg), destruktiv bei $\mathrm{\Delta }\phi =(2n+1)\pi$ (Berg+Tal). Beugung = Abweichung der Wellenausbreitung von der Geradlinigkeit an Spalt/Hindernis. (§13.5)
7. Farbfilter vor die Quelle, Abstand $s$ zwischen 0. und 1. Maximum am Schirm messen; bei kleinem Winkel $\sin \phi \approx \tan \phi =s/D$, also $\lambda =ds/D$. Die größte Wellenlänge hat Rot (≈ 650 nm), die kleinste Violett/Blau (≈ 480 nm). (§13.5)
8. Farbe: Welle = Frequenz $f$ ↔ Teilchen = Photonenenergie $E=hf$. Helligkeit: Welle = Amplitude $A$ ↔ Teilchen = Anzahl der Photonen. Beide Beschreibungen sind gleichwertig. (§13.6)
9. Geometrische Optik ($d\gg \lambda$, Strahlen); Wellenoptik ($d\approx \lambda$, Interferenz/Beugung); Quantenoptik (wenige Photonen, hohe Energie/Photon). (§13.7)
10. Maxwell: Die Störung der Felder durch veränderte Ladungen/Magnetpole breitet sich als Welle aus → EM-Welle; ihre Geschwindigkeit folgt aus zwei rein elektromagnetischen Konstanten: $c=1/\sqrt{{\epsilon }_0{\mu }_0}\approx 3\cdot {10}^8$ m/s — exakt die gemessene Lichtgeschwindigkeit, „kann kein Zufall sein" → Licht = EM-Welle (Elektromagnetismus + Optik = Elektrodynamik). Hertz (1888) erzeugte im Experiment Mikrowellen und bestätigte die Vorhersage; Marconi (~1900/01) gelang die erste transatlantische Funkverbindung — die praktische Anwendung. (§13.1)
11. Gase/Flüssigkeiten haben keine rücktreibende Scherkraft; sie übertragen nur Verdichtungen/Verdünnungen → Schall in Luft ist zwingend longitudinal (im Festkörper gibt es zusätzlich transversale S-Wellen). Licht lässt sich polarisieren — nur eine Transversalwelle hat eine herausfilterbare Schwingungsrichtung → Licht ist transversal. (§13.4)
12. Von langwellig nach kurzwellig: Radiowellen → Mikrowellen → Infrarot → sichtbares Licht → Ultraviolett → Röntgen → Gamma. Gemeinsam: Alle sind EM-Wellen und breiten sich im Vakuum mit demselben $c_0\approx 3\cdot {10}^8$ m/s aus; sie unterscheiden sich nur in $\lambda$/$f$. Das sichtbare Licht liegt nur im schmalen Band von 400 nm (violett) bis 750 nm (rot). (§13.8)
13. Durch $c_0=\lambda f$ und $E=hf=h{c}_0/\lambda$: kurze $\lambda$ → hohe $f$ → große Photonenenergie $E$. Die hochenergetischen Photonen der kosmischen Strahlung/Höhenstrahlung stehen am energiereichsten Ende, im Gamma-Bereich. (§13.8)
14. Schall = Longitudinalwelle aus Druckschwankungen in einem Medium; in Luft $c_{\text{Schall}}\approx 343$ m/s. Ton = reine Sinusschwingung (eine Frequenz); Klang = periodisch, Grundton + Obertöne; Geräusch = nicht-periodisch (Frequenzgemisch ohne feste Tonhöhe). (§13.9)
15. Tonhöhe ↔ Frequenz $f$, Lautstärke ↔ Amplitude $A$. Dieselbe Note (gleicher Grundton/Tonhöhe) klingt auf zwei Instrumenten verschieden, weil die Obertonzusammensetzung und damit die Klangfarbe unterschiedlich ist. (§13.9)
16. Weil das Ohr einen riesigen Intensitätsbereich umfasst und Lautstärke logarithmisch empfindet → Schallpegel in dB, $L=10{\log }_{10}(I/I_0)$. Grob: 0 dB = Hörschwelle, ~120 dB = Schmerzgrenze (+10 dB = 10-fache Intensität). (§13.9)