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Über dieses Buch

Dieses Buch beschäftigt sich mit dem Vorlesungsstoff der Optik mit Fokus auf konkrete Beispiele aus Natur, Technik und Alltag. Anschaulich werden die optischen Phänomene und ihre physikalischen Zusammenhänge – das Aquarium im Wohnzimmer, der 3D-Film im Kino, die Quantenoptik in der Glühbirne und vieles mehr – von Grund auf erklärt.

Viele Fotos, klare Abbildungen und eine Zusammenfassung der wichtigsten Formeln helfen euch beim Verstehen und Lernen. Ein „Kochrezept“ unterstützt euch dabei, Übungsaufgaben sinnvoll anzugehen. Am Ende jedes Kapitels findet ihr passende Übungen mit ausführlichen Lösungen. Auf mündliche Prüfungen bereiten euch rund 80 Prüfungsfragen vor.

Das Buch ist nicht nur für das Physikstudium geeignet, sondern für all jene, die sich mit der Optik befassen möchten, sei es im Rahmen des Studiums als Nebenfach, im Lehramts- und Ingenieursstudium oder einfach nur aus Interesse an den optischen Effekten, die uns in unseren unserem Alltag begegnen.

Der Inhalt:

Im Wasser wird’s bunt: Licht, Brechung und Farben

Von Weingläsern und verschwommener Sicht: Linsen

Nah und fern, groß und klein: Optische Geräte und Spiegel

Auf und ab mit Höchstgeschwindigkeit: Welleneigenschaften

Von Joghurt, Displays und 3D-Filmen: Polarisation

Wechselnde Wirkung durch Wechselwirkung: Interferenz

Von heißen Körpern zur Quantenphysik: Das Licht als Teilchen

Wichtige Formeln & Prüfungsfragen

Die Autoren

Max Gmelch promoviert in der Physik im Bereich der Quantenoptik und hat als Übungsleiter und Science-Slammer viel Erfahrung im Erklären komplexer Zusammenhänge gesammelt.

Sebastian Reineke ist Physik-Professor an der TU Dresden und lehrt und forscht auf dem Gebiet der organischen Halbleiter.

Inhaltsverzeichnis

Kapitel 1. Im Wasser wird’s bunt: Licht, Brechung und Farben

Zusammenfassung
Der Ausflug in die Welt der Optik beginnt mit einem sehr bunten Kapitel. Vieläugige Fische im Aquarium führen zur Lichtbrechung an Grenzflächen. Diese kann auch auf Partys und bei optischer Datenübertragung eine große Rolle spielen. Es folgt ein genauer Blick auf das gesamte elektromagnetische Spektrum, angefangen bei den Radiowellen bis hin zur Gammastrahlung, mit den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten. Und was sind eigentlich Farben? Ist weiß eine Farbe? Schließlich endet das Kapitel mit einer ausführlichen Erklärung des Regenbogens und seiner Entstehung. In den Aufgaben wird unter anderem dem Aussehen von Fettflecken auf den Grund gegangen.
Max Gmelch, Sebastian Reineke

Kapitel 2. Von Weingläsern und verschwommener Sicht: Linsen

Zusammenfassung
Gebogene Grenzflächen spielen in vieler Leute Alltag eine wichtige Rolle, zum Beispiel bei den Linsen von Brillen. Mit Linsen lässt sich nicht nur Licht fokussieren, es lassen sich auch unterschiedliche optische Bilder konstruieren. In diesem Kapitel wird detailliert auf die Entstehung und die Eigenschaften solcher Bilder eingegangen. Hierbei werden Begriffe wie „reelles Bild“ und „virtuelles Bild“ an Beispielen erklärt und die Konstruktion entsprechender Strahlengänge wird Schritt für Schritt beschrieben. Neben den verschiedenen Linsenarten und -eigenschaften werden in diesem Kapitel auch verschiedene Linsenfehler vorgestellt und veranschaulicht. Schließlich werden auch die verschiedenen Fehlsichtigkeiten des menschlichen Auges ausführlich erklärt. In den Aufgaben werden unter anderem die Sorgen von Gärtnern entkräftet.
Max Gmelch, Sebastian Reineke

Kapitel 3. Nah und fern, groß und klein: Optische Geräte und Spiegel

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden verschiedene optische Geräte vorgestellt, mit Skizzen veranschaulicht und die dazugehörigen Formeln präsentiert oder mit dem Wissen aus dem vorherigen Kapitel hergeleitet. Neben der Lupe werden die Kamera, das Mikroskop und verschiedene Teleskope beschrieben. Zusätzlich werden ebene und gebogene Spiegel samt ihren Anwendungsbereichen besprochen. Die Aufgaben helfen unter anderem bei der Wahl des richtigen Badezimmerspiegels.
Max Gmelch, Sebastian Reineke

Kapitel 4. Auf und ab mit Höchstgeschwindigkeit: Welleneigenschaften

Zusammenfassung
Das Wellenmodell des Lichts ist für viele physikalische Effekte unverzichtbar. In diesem Kapitel werden die Grundlagen für die weiteren Kapitel gelegt, es werden alle wichtigen Begriffe und Eigenschaften besprochen, die das Licht als Welle charakterisieren. Darunter fallen neben der Wellenlänge und Frequenz, der Lichtgeschwindigkeit, der Wellenform und der Intensität auch die komplizierteren Phänomene wie die Dispersion, die Polarisation, Phasen- und Gruppengeschwindigkeit sowie die räumliche und zeitliche Kohärenz. All diesen Begriffen wird anschaulich und ausführlich auf den Grund gegangen. Die Aufgaben geben unter anderem Gelegenheit, Rechnungen mit Wellenvektoren zu üben.
Max Gmelch, Sebastian Reineke

Kapitel 5. Von Joghurt, Displays und 3D-Filmen: Polarisation

Zusammenfassung
Unterschiedliche Polarisation des Lichts findet in zahlreichen technischen Entwicklungen Anwendung. Diese werden hier präsentiert und anhand ihrer die physikalischen Hintergründe von linearer und zirkularer Polarisation erklärt. Einen großen Teil des Kapitels macht auch ein sehr genauer Blick auf den Effekt der Doppelbrechung in optisch anisotropen Kristallen aus. Warum diese eine Rolle für unser Kinoerlebnis spielt und was sie mit Plastiklinealen zu tun hat sind nur zwei der vielen Fragen, die hier beantwortet werden. Die Aufgaben vertiefen diesen Blick noch an verschiedenen Stellen.
Max Gmelch, Sebastian Reineke

Kapitel 6. Wechselnde Wirkung durch Wechselwirkung: Interferenz

Zusammenfassung
Auch die Begriffe Beugung und Interferenz spielen in der Wellenoptik eine große Rolle. In diesem Kapitel wird detailliert auf verschiedenste Interferenzeffekte eingegangen, einschließlich anschaulicher Skizzen und zugehöriger Formeln. Diese Effekte sind unter anderem Interferenz am Einfachspalt, am Doppelspalt, am Gitter, an dünnen Schichten, in Interferometern und an Antireflexschichten, genauso aber auch an der herkömmlichen CD, an Seifenblasen und am Ölfleck. Auch die Begriffe der Fresnel- und der Fraunhofer-Beugung und deren Unterschiede werden ausführlich beleuchtet. In den Aufgaben wird mit Hilfe der Interferenz unter anderem die Pixeldichte eines Smartphone-Displays vermessen.
Max Gmelch, Sebastian Reineke

Kapitel 7. Von heißen Körpern zur Quantenphysik: Das Licht als Teilchen

Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt die Grundzüge der Optik jenseits der Strahlen- und Wellenoptik. Hierbei werden die physikalischen Hintergründe planckscher Strahler und Anwendungsgebiete, wie Wärmebildkameras und Herdplatten besprochen. Außerdem wird ein Ausblick auf die Quantenoptik gegeben, und wo sich diese schon heute in unserem Alltag wiederfindet. Die Aufgaben runden diesen Einblick schließlich ab.
Max Gmelch, Sebastian Reineke

Kapitel 8. Wichtige Formeln

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden noch einmal alle wichtigen Formeln des Buchs zusammengefasst. Zusätzlich enthalten sind jeweils kurze Erläuterungen zur Formel sowie eine Beschreibung sämtlicher auftretender Variablen. Zum strukturierten Lösen von Übungsaufgaben ist ein Kochrezept angegeben, das eine Schritt-für-Schritt-Bearbeitung physikalischer Fragestellungen ermöglicht.
Max Gmelch, Sebastian Reineke

Kapitel 9. Prüfungsfragen

Zusammenfassung
Zur Vorbereitung auf mündliche Prüfungen und zur Selbstkontrolle finden sich in diesem Kapitel über 80 Prüfungsfragen zur Optik. Zu jeder Frage ist zusätzlich angegeben, an welcher Stelle im Buch die Antwort zu finden ist.
Max Gmelch, Sebastian Reineke
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