Licht
Wir benutzen Licht, um zu sehen!
Sichtbares Licht ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums, den unsere Augen sehen können:
Es ist nur ein kleiner Teil des gesamten Spektrums, nicht wahr?
Sichtbares Spektrum
Sichtbares Licht: die Wellenlängen, die für die meisten menschlichen Augen sichtbar sind.
Die Hauptfarben, um, gehen „Roy G Bv“:Rot Orange Gelb Grün Blau Violett
Wie wir auf diesem schönen Regenbogen sehen:
Licht hat Wellenlängen von etwa 380 nm bis 750 nm
nm bedeutet Nanometer, ein Milliardstel Meter.
Beispiel: Rotes Licht hat eine Wellenlänge von etwa 700 Milliardstel Metern. Klein!
Definitionen variieren, aber hier ist eine grobe Anleitung:
| Color | Wavelength Range (nm) |
|---|---|
| Red | 620–750 |
| Orange | 590–620 |
| Yellow | 570–590 |
| Green | 495–570 |
| Blue | 450–495 |
| Violet | 380–450 |
The frequency of red light is about 400 THz (and for violet is about 800 THz)
THz means teraHertz, a trillion cycles per sekunde
Rotes Licht vibriert also mit etwa 400 Millionen Zyklen pro Sekunde. Schnell!
Höhere Frequenz (mit kürzerer Wellenlänge) hat mehr Energie:
- Rotes Licht hat eine niedrigere Frequenz, eine längere Wellenlänge und weniger Energie
- Blaues Licht hat eine höhere Frequenz, eine kürzere Wellenlänge und mehr Energie
Lichtgeschwindigkeit
300.000.000 Meter pro Sekunde (um genau zu sein: 299.792.458 Meter pro Sekunde) im Vakuum.
Das sind 300 Millionen Meter pro Sekunde, oder:
- 3 × 108 m/s
- 300.000 km/s
- 186.000 Meilen pro Sekunde
Bei dieser Geschwindigkeit fährt das Licht:
| Entfernung | Zeit | |
|---|---|---|
| 1 Meter | in | 3,3 ns (3,3 Milliardstel Sekunden) |
| Um den Äquator der Erde | in | 134 ms (134 Tausendstel Sekunden) |
| Von der Erde zum Mond | in | 1.3 s |
| Oberfläche der Sonne zur Erde | in | etwa 8 Minuten |
Es ist so schnell, dauert aber immer noch etwa 8 Minuten von der Oberfläche der Sonne zur Erde.
Das Symbol für diese Geschwindigkeit ist c:
c = 300.000.000 m/ s
Licht kann langsamer reisen
Wir sollten es wirklich nicht Lichtgeschwindigkeit nennen, erstens, weil es für das gesamte elektromagnetische Spektrum und Gravitationswellen und mehr gilt! (Vielleicht könnten wir es „Max Speed“ nennen!)
Sondern auch, weil Licht diese Geschwindigkeit nur im Vakuum zurücklegt! Es kann langsamer reisen …
| Mittel | Geschwindigkeit Millionen m / s |
|---|---|
| Vakuum | 299,8 |
| Luft | 299.7 |
| Eis | 228 |
| Wasser | 225 |
| Ethanol | 220 |
| Glas | 205 |
| Olivenöl | 204 |
| Diamant | 123 |
Wellenlänge und Frequenz sind verknüpft
Wellenlänge und Frequenz sind verwandt:
Frequency = VelocityWavelength
Wavelength = VelocityFrequency
Angenommen, das Licht befindet sich im Vakuum, ist die Geschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit:3 × 108 m/s
Versuchen wir ein einfaches Beispiel (in diesem Fall keine Wellenlänge des Lichts):
Stellen Sie sich eine sehr lange Wellenlänge von 75.000 km vor
Frequenz = 300.000 km/s75.000 km
= 4 /s
= 4 Hz
Wir können 4 dieser Wellenlängen in 300.000 km passen, also vibriert es 4 Mal in 1 Sekunde.
Die Frequenz beträgt also 4 Hz (4 pro Sekunde)
Oder umgekehrt, wenn wir wissen, dass es 4 Mal pro Sekunde vibriert, können wir seine Wellenlänge berechnen:
Wellenlänge = 300.000 km/s4 /s
= 75.000 km
Beispiel: Blaues Licht hat eine Wellenlänge von etwa 480 nm (480 × 10-9 m)
Die Frequenz ist also:
Frequenz = 3 × 108 m/s480 × 10-9 m
= 6,25 × 1014 / s
= 6,25 × 1014 Hz
Das sind 625 TeraHertz
Licht bewegt sich in geraden Linien
Licht bewegt sich in einer geraden Linie, bis es auf etwas trifft, oder sein Weg wird durch unterschiedliche Dichten oder durch Schwerkraft verändert.
Licht von der Sonne strömt über die Straße.
Die Schatten zeigen auch, dass sich das Licht in geraden Linien bewegt.
Dieses Licht breitet sich ein wenig aus und wird von der Atmosphäre gestreut.
Laserstrahlen machen gerade Linien.
Welle
Licht verhält sich wie eine Welle, so dass es:
- reflektieren (abprallen),
- streuen (abprallen in alle Richtungen),
- brechen (Geschwindigkeit und Richtung ändern)
- beugen (an einer Öffnung vorbei ausbreiten)
- übertragen (durchgehen)
- oder absorbiert werden
Photonen
Licht verhält sich auch als Energiepakete, die Photonen genannt werden.
- Wir können die Position und den Impuls eines Photons messen.
- Photonen haben keine Masse, aber jedes Photon hat eine Energiemenge basierend auf seiner Frequenz (Anzahl der Schwingungen pro Sekunde)
- Jedes Photon hat eine Wellenlänge
Es ist also wie ein Teilchen und auch wie eine Welle. Dies wird als „Welle-Teilchen-Dualität“ bezeichnet.
Einstein schrieb:
„Es scheint, als ob wir manchmal die eine Theorie und manchmal die andere verwenden müssen, während wir manchmal beide verwenden können.“
Intensität
Intensität ist die Leistung pro Fläche, normalerweise in Watt pro Quadratmeter:
Intensität = W/m2
Beispiel: Sonne auf einem kleinen 100 Quadratmeter großen Haus
Pro Quadratmeter werden 150 bis 300 Watt Energie von der Sonne aufgenommen.
Wählen wir die kleinere Zahl:
Intensität = 150 W/m2
Wie viel Leistung ist das über das ganze Dach?
Leistung = 150 W/m2 × 100 m2
Leistung = 15.000 W
Ein kleines Haus bekommt also etwa 15 Kilowatt auf sein Dach, was um ein Vielfaches mehr ist, als ein Haushalt verbraucht.
Aber das ist nur, solange die Sonne scheint, und nur etwa 20% können von typischen Sonnenkollektoren erfasst werden
Aber das ist immer noch viel Energie von der Sonne.
Inverses Quadrat
 |
Inverses Quadrat: Wenn ein Wert als Quadrat des anderen Wertes abnimmt. |
Beispiel: Licht und Entfernung
Je weiter wir von einem Licht entfernt sind, desto weniger hell ist es.
Die Helligkeit nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Weil sich das Licht in alle Richtungen ausbreitet:
- Die Energie, die doppelt so weit weg ist, verteilt sich auf das 4-fache der Fläche
- Die Energie, die 3-mal so weit weg ist, verteilt sich auf das 9-fache der Fläche
- etc
Polarisation
Licht kann normalerweise frei in jede Richtung im rechten Winkel zu seinem Weg schwingen.
Aber polarisiertes Licht vibriert nur in einer Ebene:
Licht wird teilweise polarisiert, wenn es
von Oberflächen wie Wasser oder Glas abprallt.
Polarisationslinsen können Licht aus dieser Ebene blockieren, um das reflektierte Licht zu reduzieren und das Sehen in Wasser zu erleichtern:
Ohne und mit einer Polarisationslinse
Faseroptik
Licht und Infrarot können entlang von Glasfaserkabeln gesendet werden, die Informationen in die Wellenlänge codieren.
Glasfaserkabel
Das Licht bleibt aufgrund einer besonderen Brechungseigenschaft im Inneren: wenn der Brechungsindex außen niedriger ist und der Winkel nicht zu steil ist, hat der Lichtstrahl eine interne Totalreflexion im Inneren:
Licht springt von den Wänden im Kabel ab
Glasfaserkabel sind viel besser als elektrische Drähte:
- Drähte erhalten mehr „Rauschen“ (andere Signale, die das Original verzerren oder stören) von Stromleitungen, TV, Radio, Blitz und etc.
- Photonen haben keine Masse und können daher schnell zwischen 0 und 1 wechseln. Elektronen haben Masse und sind im Vergleich langsam
- Glas hat viel weniger Lichtbeständigkeit als Kupfer gegenüber elektrischen Signalen, kann also viel weiter gehen, ohne einen Schub zu benötigen