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Historische Grundlagen und fotometrische Einheiten. Pale Claudio. Inhaltsverzeichnis:. Historische Entwicklung der Theorie des Lichts bis Newton Physik als Naturphilosophie Reflexion Brechung Beugung Theorie des Sehens Fotometrische Einheiten des Lichts Lichtstärke (Candela)
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Historische Grundlagenundfotometrische Einheiten Pale Claudio
Inhaltsverzeichnis: • Historische Entwicklung der Theorie des Lichts bis Newton • Physik als Naturphilosophie • Reflexion • Brechung • Beugung • Theorie des Sehens • Fotometrische Einheiten des Lichts • Lichtstärke (Candela) • Beleuchtungsstärke (Lux) • Lichtstrom (Lumen) • Leuchtdichte • Kontrastverhältnis
Physik als reine Naturphilosophie • Naturphilosophen wollten die Probleme der Entstehung der Welt und der Veränderungen in dieser nicht rein mythologisch erklären, sondern suchten nach Prinzipien aller Dinge. • Materie aus der alles besteht und entstand • Agens: bewirkt alle Veränderungen
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: Leuchtenden Körper zum Auge Auge zum Leuchtenden Körper => Bild 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 Empedokles aus Agrigent (492-439) Demokrit von Abdera (460-370)
Aristoteles (384 – 322) • 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 • Durch die weitere Entwicklung der Mathematik fand sie immer mehr Einzug in die Philosophie. • Es existierten mathematische und philosophische Physik nebeneinander. • Unterscheidet verschiedene Disziplinen: • Optik: Lehre vom Sehen • Katoptrik: Lehre von der Reflexion • Skenographie: Lehre von der Perspektive • Dioptrik: Winkelmessung mit Diopter
Euklid (ca. 300 v.Chr.) • Nimmt die Idee der Gesichtsstrahlen wieder auf. (obwohl von Aristoteles bereits widerlegt!) • Betont die Abhängigkeit der scheinbaren Größe vom Gesichtswinkel. • 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.) • Beschreibt folgenden Versuch: • 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. • 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.) • Fasst die damaligen optischen Kenntnisse im Werk Opticorum sermones quinque zusammen und erweiterte sie. • Es behandelt • 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) • 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! • 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! • Auf das Auge wirken Licht und erleuchtete Farben.
Roger Bacon (1214 – 1294) • Gilt als „Begründer“ der experimentellen Physik • Bacon weiß, dass die Wirkung der Sonnenstrahlen umso größer sind, je senkrechter sie einfallen.
Kepler (1571 - 1630) • 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. • Er nahm an, das der Brechungswinkel aus 2 Teilen besteht: • Einer ist proportional zum Einfallswinkel • Der andere zur trigonometrischen Sekante des Einfallswinkels
Beschrieb den Sehvorgang richtig: • Strahlen werden von der Linse gebrochen • „verkehrtes“ Bild auf der Netzhaut • Akkomodation: • 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) • Entdeckte das Brechungsgesetz • 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!
Descartes (1596 – 1650) • 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: • Ein Himmelskügelchen stößt gegen eine harte Wand. -> „Stoßgesetz“ -> Einfallswinkel = Reflexionswinkel.
Erklärung der Brechung nach Descartes: • 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) • Entdeckung der Beugung des Lichts! • 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: • 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) • Er entdeckte, dass weißes Sonnenlicht aus farbigem Licht zusammengesetzt ist. • Jede Farbe wird bei der Brechung um eine andere Größe abgelenkt. • 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. • Um Reflexion, Beugung und Brechung zu erklären, postulierte er immer weitere Eigenschaften des Lichtstrahls. (z.Bsp. Anziehung und Abstoßung der Lichtteilchen durch Materie)
Newtons Farbringe (Farbe dünner Blättchen): • Plankonvexe Linse mit ihrer Konvexen Seite auf eine Glasplatte drücken. • Bei Beleuchtung mit einfarbigem Licht ergaben sich: • Beim Berührungspunkt ein dunkler Fleck • Um diesen abwechselnd helle und dunkle Ringe • Bei Beleuchtung mit weißem Licht • -> 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 • Lichtstärke (Candela) • Beleuchtungsstärke (Lux) • Lichtstrom (Lumen) • Leuchtdichte • Kontrastverhältnis
Lichtstrom (Lumen) • 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.
Lichtstrom einer monochromatischen Lichtquelle: Km ... Maximales photometrisches Strahlenäquivalent gibt die theoretisch maximal mögliche Lichtausbeute für eine Lichtquelle an Tagessehen: 683 Lumen/Watt Nachtsehen: 1725 Lumen/Watt Φe ... Physikalische Strahlungsleistung V(λ) ... spektrale Hellempfindlichkeitsgrad
Lichtstrom einer polychromatischen Lichtquelle: 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) • 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 -> 0cdHaushaltskerze -> 1cd120W Haushaltsglühlampe -> 120cd
Beleuchtungsstärke (Lux) • 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.
Leuchtdichte • 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 TFT-Bildschirmen oder TFT-Fernsehapparaten wird in cd/m² angegeben
Kontrastverhältnis • Das Kontrastverhältnis ist der Quotient aus der maximal und der minimal darstellbaren Leuchtdichte z.B. eines Monitors oder eines Projektors. • In der Unterhaltungselektronik: • 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. • Je größer das Verhältnis, desto höher der Kontrast und desto heller und "lebendiger" wirkt das Bild.
