Transcript 1-Pale_Geschichte_des_Lichts

Historische Grundlagen
und
fotometrische Einheiten
Pale Claudio
Inhaltsverzeichnis:
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Historische Entwicklung der Theorie des Lichts bis
Newton
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Physik als Naturphilosophie
Reflexion
Brechung
Beugung
Theorie des Sehens
Fotometrische Einheiten des Lichts
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Lichtstärke (Candela)
Beleuchtungsstärke (Lux)
Lichtstrom (Lumen)
Leuchtdichte
Kontrastverhältnis
Physik als reine Naturphilosophie
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Naturphilosophen wollten die Probleme
der Entstehung der Welt und der
Veränderungen in dieser nicht rein
mythologisch erklären, sondern suchten
nach Prinzipien aller Dinge.
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Materie aus der alles besteht und entstand
Agens: bewirkt alle Veränderungen
Empedokles aus Agrigent (492-439)
Demokrit von Abdera (460-370)
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Sinneswahrnehmungen erklärt
durch feine Ausströmungen
aus den Körpern und durch
Poren in den Sinnesorganen.
Poren nehmen je nach Gestalt
des Körpers verschiedenes auf.
Ströme gehen vom:
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Leuchtenden Körper zum Auge
Auge zum Leuchtenden Körper
=> Bild
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Grundsätzlich gleiche Meinung
wie Empedokles
Stellte sich der damals
gängigen Meinung, dass
Strahlen vom Auge zu den
Körpern gehen und diesen
„betasten“, entgegen
Leuchtende Körper emittieren
ständig Abbilder von sich in die
umgebende Luft.
Diese Abbilder dringen durch
Poren der Sinnesorgane in die
Seele
Aristoteles (384 – 322)
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Mit ihm endet die Alleinherrschaft der
Philosophie in der Naturwissenschaft
Wie Demokrit gegen „Gesichtsstrahlen“
Die damalige Philosophie ordnete jedem Sinn
ein Element zu. Entgegen der allgemeinen
Meinung ordnet Aristoteles dem Sehen nicht
Feuer, sondern Wasser zu!
Das Durchsichtige als Medium spielte eine große
Rolle!
Licht durch Dunkles gesehen, wodurch sich
beides mischt, erzeugt Farben.
Farbe ist nichts absolut sehbares, sondern nur
eine „Abstufung“ des Sehens. Zum Bsp.
erscheint das Sonnenlicht durch den Nebel rot.
Periode der mathematischen
Physik
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Durch die weitere Entwicklung der Mathematik
fand sie immer mehr Einzug in die Philosophie.
Es existierten mathematische und philosophische
Physik nebeneinander.
Unterscheidet verschiedene Disziplinen:
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Optik: Lehre vom Sehen
Katoptrik: Lehre von der Reflexion
Skenographie: Lehre von der Perspektive
Dioptrik: Winkelmessung mit Diopter
Euklid (ca. 300 v.Chr.)
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Nimmt die Idee der Gesichtsstrahlen wieder
auf. (obwohl von Aristoteles bereits
widerlegt!)
Betont die Abhängigkeit der scheinbaren
Größe vom Gesichtswinkel.
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Behauptet jedoch, dass diese allein vom
Gesichtswinkel abhängt.
Die Sehstrahlen pflanzen sich geradlinig fort!
Daraus resultierte Reflexionsgesetz
Dadurch wurden Reflexionsprobleme zu rein
mathematischen Problemen.
Die Optik bildet von nun an einen der am
sichersten behandelten Teile der Physik.
Kleomedes (50 n. Chr.)
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Beschreibt folgenden Versuch:
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Man stelle sich so, dass dem Auge ein am Boden
eines Gefäßes liegender Ring durch den Rand des
Gefäßes gerade verdeckt wird. Dann wird, ohne dass
man das Auge verrücken braucht, durch eingießen
von Wasser in das Gefäß der Ring sichtbar werden.
Als erster behandelte er
Brechungserscheinungen wissenschaftlich.
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Entdeckte sogar, dass beim Übergang vom dünneren
Medium ins Dichtere der Strahl zum Lot gebrochen
wird und umgekehrt vom Lot weg.
Ptolemäus (70 – 147 n. Chr.)
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Fasst die damaligen optischen Kenntnisse im
Werk Opticorum sermones quinque zusammen
und erweiterte sie.
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Es behandelt
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die Theorie des Sehens
die Reflexion
die Theorie der ebenen und sphärischen Spiegel
Refraktion
Er kannte das Brechungsgesetz nicht, vielmehr
nahm er an, dass Einfalls- und
Brechungswinkel im selben Medium
proportional sind.
Um Einfallswinkel und Brechungswinkel zu
bestimmen verwendete er eine Bronzescheibe
mit einem Stift im Mittelpunkt und zwei
beweglichen Zeigern am Rand, an dem er die
Winkel ablas.
Auch Ptolemäus vertritt wie Euklid die Theorie
der Augenstrahlen.
Alhazen (ca. 965 – 1040)
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Unterscheidet am Auge 4 Häute und 3 Flüssigkeiten,
wozu auch die Kristalllinse gehört. Er wusste jedoch
noch nichts von einem Bild auf der Netzhaut.
Beendet endgültig die alte Theorie der
Gesichtsstrahlen.
Nach seiner Annahme braucht das Licht Zeit, um sich
fortzupflanzen!
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Wenn man in einem Fensterladen ein Loch öffnet und
Licht in das dunkle Zimmer lässt, so geschehe das in
einer gewissen, wenn auch kurzen Zeit.
Kann wie Ptolemäus das Brechungsgesetz nicht
finden, er widerlegt durch seine Untersuchungen
jedoch die bis dahin angenommene Proportionalität
zwischen Einfalls und Brechungswinkel.
Sieht Farben nicht mehr direkt als Mischung von Hell
und Dunkel!
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Auf das Auge wirken Licht und erleuchtete Farben.
Roger Bacon (1214 – 1294)
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Gilt als „Begründer“
der experimentellen
Physik
Bacon weiß, dass die
Wirkung der
Sonnenstrahlen umso
größer sind, je
senkrechter sie
einfallen.
Kepler (1571 - 1630)
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Farbe ist Licht der Möglichkeit nach, in
der Materie verborgenes, d.h. durch
verschiedene Materien mehr oder
weniger getrübtes Licht.
Bemerkte, dass die Beurteilung der
Entfernung davon abhängt, dass wir mit
2 Augen sehen. Solange der Abstand der
Augen gegen den des Objekts nicht
verschwindend klein ist.
Griff auch wieder die alte Theorie auf,
dass Einfalls- und Brechungswinkel
proportional sind.
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Er nahm an, das der Brechungswinkel
aus 2 Teilen besteht:
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Einer ist proportional zum Einfallswinkel
Der andere zur trigonometrischen Sekante
des Einfallswinkels
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Beschrieb den Sehvorgang richtig:
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Akkomodation:
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Strahlen werden von der Linse gebrochen
„verkehrtes“ Bild auf der Netzhaut
Zusammenziehen und Ausdehnen der Linse
Änderung der Entfernung der Netzhaut
Weit- und Kurzsichtigkeit erklärt er über eine
falsche Wölbung der Linse
Keplers Theorie des Sehens bleibt für lange Zeit
Standard. Weiters trägt seine neue Annäherung
an das Brechungsgesetz zur baldigen
Entwicklung des Fernrohres bei.
Willebrord Snell (1620)
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Entdeckte das Brechungsgesetz
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Er maß die Strecken des
gebrochenen und die Verlängerung
des einfallenden Strahls im dichteren
Medium vom Eintritt bis zu einer
gewählten Ebene, welche parallel zur
Einfallsebene ist.
In ein und dem selben Medium ist
das Verhältnis dieser Strecken immer
konstant!
sin( )
 const.
sin( )
Descartes (1596 – 1650)
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Licht besteht in einem Druck der
Himmelskügelchen auf das Auge.
Und die Netzhaut selbst kann
ebenfalls einen solchen Druck auf die
Teilchen ausüben kann und somit
Körper auch im Dunklen sehen
könne.
Erklärung der Reflexion:
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Ein Himmelskügelchen stößt gegen eine
harte Wand. -> „Stoßgesetz“ ->
Einfallswinkel = Reflexionswinkel.
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Erklärung der Brechung nach Descartes:
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Ein Himmelskügelchen kommt an eine Wand, in
welche es eindringen kann.
In dem dichteren Stoff der Wand bewegt sich das
Kügelchen mit größerer Geschwindigkeit.
Zerlegt die Bewegung in zur Wand parallele und
vertikale Komponente
Bewegung parallel zur Wand wird nicht beeinflusst,
nur die vertikale Komponente!
Aus dem gleich bleibenden Verhältnis der Strecken
außerhalb und innerhalb der Wand ergibt sich das
Brechungsgesetz!
Wichtig: Bringt als erster Ausbreitungsgeschwindigkeit
in den Medien mit der Brechung in Verbindung!
(Brachte jedoch keinen Ruhm)
Francesco Grimaldi (1618 – 1663)
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Entdeckung der Beugung des Lichts!
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Ließ durch kleine Öffnung Licht in ein dunkles
Zimmer
In den Lichtkegel brachte er in ziemlicher
Entfernung einen Stab
Dessen Schatten fing er auf einer weißen Fläche
auf. -> Beugungsmuster
Er dachte auch schon an einen Wellencharakter des
Lichts!
„Ein leuchtender Körper kann dunkler werden,
wenn zu dem Lichte, das er empfängt noch neues
Licht tritt“
-> beobachtete Interferenzerscheinungen!
Interessantes zu den Farben:
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Führte die Farben auf unterschiedlich geschwinde
Erzitterungen des Lichtstoffes zurück!
-> Frequenz...
Farben seinen nur Bestandteile des Lichts (nicht der
Körper!)
Von den Körpern wird das Licht nur in speziell
modifizierter Weise zurückgeworfen.
Isaak Newton (1643 – 1727)
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Er entdeckte, dass weißes Sonnenlicht aus
farbigem Licht zusammengesetzt ist.
Jede Farbe wird bei der Brechung um eine andere
Größe abgelenkt.
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Die Brechung nimmt vom Roten zum Blauen hin
stetig zu
Auch die Beugungserscheinungen verändern die
Farben des weißen Lichts nicht gleichmäßig.
Jeder leuchtende Körper sendet kleine Teilchen
aus, die auf der Netzhaut Empfindungen
erzeugen. Rote Teilchen sind am größten und
violette am kleinsten.
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Um Reflexion, Beugung und Brechung zu erklären,
postulierte er immer weitere Eigenschaften des
Lichtstrahls. (z.Bsp. Anziehung und Abstoßung der
Lichtteilchen durch Materie)
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Newtons Farbringe (Farbe
dünner Blättchen):
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Plankonvexe Linse mit ihrer
Konvexen Seite auf eine Glasplatte
drücken.
Bei Beleuchtung mit einfarbigem
Licht ergaben sich:
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Bei Beleuchtung mit weißem Licht
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Beim Berührungspunkt ein dunkler
Fleck
Um diesen abwechselnd helle und
dunkle Ringe
-> selber Effekt, nur farbige Ringe
Newton erklärte dies über eine
neue Eigenschaft des Lichtstrahls,
der das Licht an der einen Stelle
leichter reflektierbar oder brechbar
macht.
Fotometrische Einheiten des Lichts
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Lichtstärke (Candela)
Beleuchtungsstärke (Lux)
Lichtstrom (Lumen)
Leuchtdichte
Kontrastverhältnis
Lichtstrom (Lumen)
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Diejenige Strahlungsleistung, die eine Quelle im
Bereich des sichtbaren Lichts abgibt, wird als
Lichtstrom ΦV bezeichnet. Die Maßeinheit für
den Lichtstrom ist Lumen [lm].
Hellempfindlichkeitskurve V(λ)
 statistisch für einen
Standardbeobachter
festgelegt
 Es gibt mehrere solcher
Kurven für verschiedene
Lichtverhältnisse.
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Lichtstrom einer monochromatischen Lichtquelle:
V  K m  e  V ( )
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Km ... Maximales photometrisches
Strahlenäquivalent
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gibt die theoretisch maximal mögliche Lichtausbeute für
eine Lichtquelle an
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Tagessehen: 683 Lumen/Watt
Nachtsehen: 1725 Lumen/Watt
Φe ... Physikalische Strahlungsleistung
V(λ) ... spektrale Hellempfindlichkeitsgrad
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Lichtstrom einer polychromatischen Lichtquelle:
V  K m  380 nm  e, ( )  V ( )  d
780 nm
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die physikalische Strahlungsleistung für jede
einzelne Wellenlänge mit dem zugehörigen
Hellempfindlichkeitsgrad multipliziert werden
Aufintegrieren im Bereich des sichtbaren
Lichts.
Meisten Quellen geben den Großteil ihrer
Leistung im Infrarotbereich ab.
Lichtstärke (Candela)
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Eine monochromatische Lichtquelle der
Frequenz 540*1012 Hz (grüngelbes Licht), die
mit einer Leistung von 1/683 W pro
Raumwinkel strahlt, hat die Lichtstärke von 1
cd.
Die Lichtstärke ist eine Eigenschaft der
Lichtquelle und hängt nicht vom Abstand
eines Beobachters ab. Sie beziffert den Teil
des Lichtstroms, der in eine bestimmte
Richtung (pro Raumwinkel) emittiert wird.
Dabei wird die spektrale
Wahrnehmungsfähigkeit des menschlichen
Auges in Betracht gezogen.
Infrarot-Strahlungsquelle -> 0cd
Haushaltskerze -> 1cd
120W Haushaltsglühlampe -> 120cd
V
IV 

Beleuchtungsstärke (Lux)
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Die Beleuchtungsstärke Ev eines
Licht-Empfängers berechnet sich
aus dem Lichtstrom, der auf eine
bestimmte Empfänger-Fläche
trifft.
Seine Größe wird in Lux [lx =
lm/m²] angegeben.
Die Beleuchtungsstärke ist eine
reine Empfängergröße und dient
als Maß für die Helligkeit.
Die Beleuchtungsstärke eines
Empfängers nimmt mit dem
Quadrat des Abstandes zur
Lichtquelle ab.

V
EV 
A
IV   IV   IV
EV 

 2
 2
A
A
r  r
V
Leuchtdichte
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Die Leuchtdichte L einer
Lichtquelle gibt an, welche
Lichtstärke Iv von einer
bestimmten Fläche aus in
den Raum abgestrahlt wird.
Die Leuchtdichte wird in
der Einheit cd/m²
angegeben.
Die Leuchtdichte gibt an,
wie hell wir eine bestimmte
Lichtquelle empfinden.
Die Helligkeit von TFTBildschirmen oder TFTFernsehapparaten wird in
cd/m² angegeben
IV
L
A
Lichtquelle
Leuchtdichte
Sonne am
Mittag
1.600.000.000
cd/m²
100 W
Glühlampe klar
10.000.000
cd/m²
Sonne am
Horizont
5.000.000
cd/m²
100 W
Glühlampe
matt
200.000 cd/m²
Blauer Himmel
10.000 cd/m²
Kerzenflamme
5.000 cd/m²
Mond
2.500 cd/m²
Nachthimmel
0,001 cd/m²
Kontrastverhältnis
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Das Kontrastverhältnis ist der Quotient aus
der maximal und der minimal darstellbaren
Leuchtdichte z.B. eines Monitors oder eines
Projektors.
In der Unterhaltungselektronik:
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gibt den relativen Helligkeitsunterschied zwischen
Schwarz und Weiß an.
Er beschreibt also die qualitative Leistungsfähigkeit
eines Bildschirms oder Projektors, ein kontrastreiches
- und somit farb- und wirklichkeitsgetreues Bild zu
erzeugen.
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Je größer das Verhältnis, desto höher der Kontrast und desto
heller und "lebendiger" wirkt das Bild.
Zitat: Empedokles aus Agrigent
Zitat: Aristoteles
Zitat: Roger Bacon
Zitat: Decartes