Geometrische Optik

Wenn ein Gondoliere das Ruder ins Wasser taucht, scheint es geknickt zu sein. Gebäude spiegeln sich im Wasser. Im 18. Jahrhundert wurden schon jede Menge optische Geräte aus venezianischem Glas gefertigt, um die Einschränkungen des natürlichen Sehapparates zu überwinden: Brillen, Fernrohre, Mikroskope,…

Beschrieben werden diese Geräte und Phänomene durch die Gesetze der geometrischen Optik. Sie befasst sich mit optischen Phänomenen wie Lichtbrechung und Reflexion, bei deren Berechnung die Wellenlänge des sichtbaren Lichts (380-780nm) vernachlässigt werden kann. Sie ist ein Teilbereich der Optik, wie die Wellenoptik, die hier aber nicht behandelt wird. Man geht dabei davon aus, dass sich Licht immer geradlinig ausbreitet, Effekte wie die Beugung von Licht am Spalt oder durch große Massen werden also vernachlässigt.
Außerdem wird Licht als Strahl von Teilchen (Korpuskeln) betrachtet. Diese Sichtweise des Lichtes als Teilchen wurde von Sir Isaac Newton vertreten und bekommt heute durch den Welle-Teilchen-Dualismus in der Quantenmechanik eine neue Bedeutung. Nach diesem haben alle Wellen auch Teilcheneigenschaften.

Zurück zur geometrischen Optik: Im Vakuum beträgt die Lichtgeschwindigkeit c0=299.792.458 m/s. In allen anderen Medien ist sie geringer z.B. Glas mit c=190.000.000 m/s. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Optischer Dichte. Je höher die optische Dichte, desto langsamer wird das Licht. Um diese Unterschiede zu beschreiben, wurde der Begriff der Brechungsindex n eingeführt: n = co/ci.

Das Fermatsche Prinzip besagt nun, dass sich in einem bestimmten optischen System Licht immer den kürzest möglichen Weg sucht. In Systemen mit optisch verschieden dichten Medien muss dies nicht der geometrisch kürzeste Weg sein. Von diesem Prinzip werden das Brechungsgesetz und das Reflexionsgesetz abgeleitet.

Das Reflexionsgesetz beschreibt, in welche Richtung Licht, das auf eine Oberfläche auftrifft, von ihr zurückgeworfen wird. Es lautet:
Einfallswinkel  = Ausfallswinkel

Das Snelliussche Brechungsgesetz befasst sich mit dem Übergang zwischen Medien verschiedener optischer Dichten. Durch die veränderte Phasengeschwindigkeit des Lichts ändert es dabei seine Richtung bzw. wird „gebrochen“. Es lautet wie am Bild daneben.
Diese Gleichungen reichen eigentlich schon aus, um die meisten optischen Systeme zu beschreiben. Um sich aber die Arbeit zu erleichtern, wurde der Begriff der Brennweite von Linsen definiert. Sie bezeichnet den Abstand der Linsenmitte vom Brennpunkt. Im Brennpunkt schneiden sich Lichtlinien, die vor der Linse parallel waren.
Die Brennweite wird bei Linsensystemen auch benutzt, um die Linsen so zu einander anzuordnen, dass sich ein scharfes Bild ergibt. So lassen sich leicht die Funktionsweisen von Mikroskopen und Fernrohren erklären.

Die Optik wird in der Grundlagenvorlesung Experimentalphysik gelehrt.