Physik-LK · Skript PL4 · Wellenoptik

Strahlen, Wellen, Photonen: Modelle des Lichts

Für Spiegel, Linsen und Schatten genügt das Strahlenmodell. Macht man eine Öffnung aber immer enger, wird der Lichtstreifen irgendwann nicht mehr schmaler, sondern breiter. Hier misst du, wann das Modell versagt. Dann gehst du den Weg vom Lichtstrahl bis zum Photon nach: Jedes Modell erklärte mehr als das vorige und stieß selbst an Grenzen.

So gehst du vor

1Teil 1: Beginne mit einer weiten Blende und verenge sie Schritt für Schritt.
2Vergleiche die blaue Kurve mit dem gestrichelten Rechteck des Strahlenmodells.
3Tippe bei jeder Spaltbreite auf „Streifenbreite messen“. Überlege, bevor du die Auswertung zeigst: Wo liegt die Grenze des Strahlenmodells?
4Teil 2: Tippe die Stationen der Reihe nach an und bearbeite die Aufträge.

Teil 1: Blende verengen

Spaltbreite b

3,00 mm

Abstand zum Schirm L

2,0 m

Laser

Vergleichsgröße: b²λ · L = 7,1

Hellste Stelle: 152 % des ankommenden Lichts

Das Strahlenmodell passt nur noch grob: Die Kanten sind gewellt.

Die Rechnung ist die Fresnel-Beugung am Spalt, sie gilt für jede Spaltbreite. Gemessen wird die Breite des Streifens dort, wo die Intensität auf ein Viertel der hellsten Stelle gefallen ist.

Streifenbreite W über der Spaltbreite b

Miss bei mindestens acht Spaltbreiten, von 5 mm bis 0,2 mm. Bleibe bei einem Laser und einem Abstand.

Nr.	Spaltbreite b in mm	Streifenbreite W in mm

Teil 2: Wie sich das Bild vom Licht gewandelt hat

Euklid, Ibn al-Haitham

Die Idee: Licht läuft auf geraden Linien. Euklid dachte noch an Sehstrahlen aus dem Auge. Ibn al-Haitham zeigte: Das Licht kommt von den Dingen ins Auge.

Was es leistet: Schatten, Spiegel, Linsen und die Lochkamera lassen sich konstruieren. Snellius fand 1621 das Brechungsgesetz.

Wo es an Grenzen stößt: Das Modell sagt nichts darüber, was Licht ist. An kleinen Öffnungen versagt es: siehe Teil 1.

Aufträge

Roter Laser, L = 2 m: Wie breit ist der Streifen bei b = 5 mm und bei b = 0,1 mm? Wie viel sagt jeweils das Strahlenmodell voraus?
Zeichne deine Messwerte und suche die kleinste Streifenbreite. Warum lässt sich ein Lichtstrahl nicht beliebig dünn machen?
Prüfe mit dem Regler: Die Grenze des Strahlenmodells liegt ungefähr bei b²λ · L ≈ 1. Warum kommt es nicht auf b gegen λ allein an?
Stelle b = 2 mm und L = 2 m ein und lies die hellste Stelle ab. Wie kann es dort heller sein als im ankommenden Licht? Was sagt das Strahlenmodell dazu?
Newton erklärte die Brechung mit Teilchen, die zum Wasser hin angezogen werden. Welche Vorhersage folgt daraus für die Lichtgeschwindigkeit im Wasser, und wie entschied Foucault die Frage?
Fülle die Tabelle selbst aus, bevor du die Übersicht öffnest: Welches Modell erklärt welche Erscheinung?
Warum ist das Photon nicht einfach die Rückkehr zu Newtons Teilchen?

Theorie: Wellenoptik-Skript, Abschnitte „Wann reicht das Strahlenmodell nicht mehr aus?“ und „Ein Blick zurück: Wie sich unser Lichtmodell entwickelt hat“.