optische Linsen

Optische Linsen

Licht wird beim Übergang von Luft zu Glas und Glas zu Luft, bei einem Einfallswinkel ungleich 0°, gebrochen. Diese Eigenschaft wurde sich zu nutzen gemacht und Linsen entwickelt. Als Linsen bezeichnet man in der Physik (Optik) transparente Scheiben, wo mindestens eine der zwei Oberflächen gekrümmt ist. Im Physikunterricht unterscheiden wir grundsätzlich zwischen zwei Linsenformen, der Konvexlinse und Konkavlinse.

  • Konvexlinsen (Sammellinsen) brechen parallel einfallende Strahlen zur optischen Achse hin, sodass sich die Lichtstrahlen im Brennpunkt kreuzen.
  • Konkavlinsen (Zerstreuungslinsen) brechen parallel einfallende Strahlen von der optischen Achse weg, sodass sie sich nicht mehr kreuzen.

Das auf eine Linse einfallende Licht wird an einer Linse zweimal gebrochen. Das erste Mal beim Eintritt in die Linse und das zweite Mal beim Austritt. Um die Bildkonstruktion eines Gegenstandes zu vereinfachen, wurde die Linsenebene eingeführt. Sie verläuft durch die Linsenmitte. Ist eine Linse in der Horizontalen achsensymmetrisch, dann liegt die Linsenebene auf der vertikalen Symmetrieachse der Linse.

Die optische Achse verläuft durch die Linsenmitte und halbiert die Linse. Die optische Achse und Linsenebene stehen senkrecht aufeinander.

Bildentstehung an einer Sammellinse

Parallel zur optischen Achse einfallende Strahlen kreuzen sich im Brennpunkt der Sammellinse Es existierten zwei Brennpunkte (F­1 und F2), die auf der optischen Achse liegen und den selben Abstand zur Linsenebene besitzen. Den Abstand zwischen Brennpunkt und Linsenebene bezeichnet man als (einfache) Brennweite (f).   

 

Den Abstand des Gegenstandes zur Linsenebene, bezeichnet man als Gegenstandweite (g) und dessen Höhe als Gegenstandsgröße (G).
Den Abstand des Bildes zur Linsenebene, bezeichnet man als Bildweite(b) und dessen Höhe als Bildgröße (B).

Konstruktion (g>f)

Ausgehend vom Gegenstand werden drei Hauptstrahlen eingezeichnet. Diese Strahlen bezeichnet man ganz nach ihren Verläufen als Parallelstrahl, Mittelpunktstrahl und Brennpunktstrahl. Die Strahlen werden (vereinfacht) an der Linsenebene gebrochen.

Der Parallelstrahl wird zum Brennpunktstrahl und der Brennpunktstrahl zum Parallelstrahl. Der Mittelpunktstrahl wird nicht gebrochen und verläuft durch den Mittelpunkt. Es entsteht ein reelles auf dem Kopf stehendes Bild.

Für eine ausführliche Erklärung der Bildentstehung kannst du dir das YouTube-Video unter diesem Link anschauen:
www.youtube.com/watch

 

Übung

  1. Eine Sammellinse hat eine Brennweite von 4 cm. Der Gegenstand ist 3 cm groß und hat eine Gegenstandsweite von 6 cm. Konstruiere die Strahlenverläufe und das Bild des Gegenstandes.
  2. Nun hat der 3 cm große Gegenstand eine Gegenstandsweite von 10 cm. Konstruiere mit der selben Sammellinse wie bei 1. die Strahlenverläufe und das Bild des Gegenstandes.
  3. Vergleiche die Bilder von Aufgabe 1 und 2. Erkläre die Unterschiede!

Bei Leifi kannst du kontrollieren, ob du die Aufgabe 1 und 2 richtig gelöst hast. Übertrage dazu die Werte aus den Aufgaben in die Simulation. Folge diesem Link: www.leifiphysik.de/optik/optische-linsen/versuche/sammellinse-simulation

Hilfestellung

Zum Abschluss gibt es nochmal eine kurze Schrittabfolgen für die Bildkonstruktion an einer Sammellinse. 

  1. Optische Achse einzeichnen
  2. Linsenebene senkrecht zur optischen Achse einzeichnen
  3. Brennweite abmessen und beide Brennpunkte einzeichnen
  4. Gegenstandweite abmesse und Gegenstand einzeichnen
  5. Parallelstrahl, Mittelpunktstrahl und Brennpunktstrahl vom Gegenstand bis zur Linsenebene einzeichnen
  6. Parallelstrahl, Mittelpunktstrahl und Brennpunktstrahl von Linsenebene einzeichnen bis sich die Strahlen treffen
  7. Bild an der Stelle einzeichnen, wo sich die die Strahlen kreuzen

Wenn diese diese Schritte korrekt ausgeführt werden, dann ist die Bildkonstriktion abgeschlossen. Falls einer der Schritte nicht verstanden wurde dann schau dir das verlinkt Erklärvideo an.