Reflection and Refraction

00:01 Wir haben jetzt besprochen, wie elektromagnetische Wellen funktionieren. Wir sind also bereit, in ein neues Thema der Optik einzusteigen, nämlich, wie sich diese elektromagnetischen Wellen, dieses Licht, verhalten, wenn es umherspringt oder von einem Medium zum nächsten übergeht.

00:13 Wir beginnen diese Diskussion über Optik mit Reflexion und Brechung, diesen beiden haben eine Art von gemeinsamen Eigenschaften. Nachdem wir mit der Reflexion und Brechung begonnen haben, werden wir über Spiegel und Linsen sprechen und uns dann schließlich einigen optischen Instrumenten zuwenden und erläutern, wie sie die besprochenen Prinzipien nutzen, um das zu tun, was sie tun, ob sie nun in kleine Dinge hineinzoomen oder sehr große, sehr weit entfernte Dinge betrachten. Wir beginnen mit den Definitionen von Reflexion und Brechung.

00:44 Zunächst müssen wir wissen, dass sich Licht durch ein Medium bewegt, wie wir bereits erwähnt haben und dass die Lichtgeschwindigkeit oder die Geschwindigkeit einer Welle durch ein Medium nur von diesem Medium abhängt.

00:54 Wir wissen also, dass sich das Licht nicht immer in reinem Vakuum durch den Raum bewegt. Normalerweise bewegt es sich in unserem Kontext durch Luft oder Wasser. Durch jedes dieser verschiedenen Medien hindurch ist die Geschwindigkeit des Lichts tatsächlich unterschiedlich, da es mit allen Teilchen dieses Mediums wechselwirkt. Wir können für jedes einzelne dieser Medien, egal ob es Luft oder das Wasser ist, etwas definieren, das man den Brechungsindex nennt. Das ist das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und C für die Lichtgeschwindigkeit in dem Medium, durch das es sich bewegt.

01:29 Bei dieser Definition des Brechungsindexes N ist zu beachten, dass für ein höheres N auch ein höherer Brechungsindex gilt.

01:37 Wir meinen damit, dass die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium langsamer ist. Also, ein dichteres Medium als Wasser, hat zum Beispiel einen höheren Brechungsindex und eine geringere Lichtgeschwindigkeit.

01:48 Zweitens sollten wir über die Brechung sprechen, da wir den Index der Brechung eingeführt haben, wenn ein Lichtstrahl von einem Medium in ein anderes eintritt. Angenommen, wir haben einen Lichtstrahl, wie diesen hier. Er bewegt sich auf die Luft zu, in diesem Fall beginnt er in einem Vakuum. Wenn der Lichtstrahl auf die Luft, also auf dieses neue Medium trifft, wird er sich biegen. Wir sprechen über die Menge an Licht, die als übertragene Lichtmenge in das neue Medium eingeht. Dieser Biegeeffekt ist ein Teil der Wirkung des Lichts, aber ein Teil des Lichts wird auch reflektiert, wenn es auf die Grenze zum neuen Medium trifft. Wir haben also eine einfallende Welle, die Lichtwelle, die in das Medium eintritt. Dann wird ein Teil dieser einfallenden Welle, dieser ursprünglichen Welle, in das Medium gebogen.

02:34 Ein Teil der Strahlung wird vom Medium reflektiert. Um die einfallenden und reflektierten oder durchgelassenen Strahlen beim Eintritt in das Medium zu beschreiben, zeichnen wir zunächst einen Zugang, diese gestrichelte grüne Linie hier.

02:48 Diese gepunktete grüne Linie ist normal oder senkrecht zur Oberfläche zwischen den beiden Medien. Anhand dieser Linie und der Kenntnis des einfallenden und des austretenden Strahls, des reflektierten Strahls, können wir den Winkel eines jeden Strahls mit dieser horizontalen Linie bestimmen. Wir nennen den einfallenden Winkel den Einfallswinkel. Wir nennen ihn θ unter i für den Einfallswinkel. Dann haben wir einen reflektierten Winkel oder den Reflexionswinkel θ unter r. Schließlich können wir auch einen Transmissionswinkel definieren, den Winkel unter dem das Licht, das in das neue Medium eintritt, in dieses Medium übertragen wird. Da sich das Licht in diesem Medium gekrümmt hat, ist zu erwarten, dass sich der Einfallswinkel, wie wir hier sehen können, auf dem Weg nach innen vom Ausgangswinkel abweicht, weil die Lichtwelle auf ihrem Weg in das neue Medium gekrümmt wird. Das Ausmaß der Reflexion nimmt ab, wenn wir den Einfallswinkel verringern.

03:47 Mit anderen Worten: Wenn wir Licht direkter in ein neues Medium schicken, wird weniger von diesem Licht reflektiert und mehr in dieses Medium übertragen. Der Einfallswinkel und der Reflexionswinkel, ohne Berücksichtigung der übertragenen Lichtmenge, werden immer gleich sein. Dies entspricht unsere Intuition, dass Licht, das auf eine Oberfläche trifft und zurückgeworfen wird, in genau demselben Winkel zurückgeworfen wird, in dem es einfiel.