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Über dieses Buch

​Dieses Lehrbuch präsentiert den Vorlesungsstoff der Bachelorvorlesung zur Optik modern und anschaulich gestaltet. Die Autoren behandeln die Strahlen- und Wellenoptik sowie die Grundlagen der Laserphysik: Wie berechnet man Beugungsbilder? Was ist der Zusammenhang zwischen Stefan-Boltzmann- und Wien’schem Verschiebungsgesetz? Wie funktioniert ein Laser?

Das durchgängig vierfarbige Buch bietet Leserinnen und Lesern eine ausgewogene Mischung aus theoretischen Grundlagen, anschaulichen Experimenten und abgestimmten Aufgaben. Viele vorlesungsrelevante Experimente und Beispiele fördern ein vertieftes Verständnis der behandelten Themen. Übungsaufgaben prüfen das Gelernte ab und bereiten Studierende auf Prüfungen vor. Im Anhang „Mathematische Grundlagen“ sind wichtige mathematische Themen (u.a. Bessel-Funktionen und Fresnel-Integrale) zusammengestellt, die besondere Bedeutung in der Optik haben. Die einzelnen Lernelemente sind farblich hervorgehoben, so dass Leserinnen und Leser die wichtigen Aussagen, Experimente und Aufgaben auf einen Blick zuordnen können.

Das Buch richtet sich an Studierende der Physik, des Lehramts Physik und alle, die Experimentalphysik erlernen wollen. Es spiegelt die Begeisterung der Autoren für die Experimentalphysik wider und steckt Leserinnen und Leser damit an.

Die Autoren

Stefan Roth ist Dozent und Studienberater für das Fach Physik an der RWTH Aachen. Er beteiligt sich regelmäßig an den Kursvorlesungen zur experimentellen Physik und hat als Studienberater einen unmittelbaren Kontakt zu den Studierenden. Zu seinen Aufgaben gehört auch die Forschung auf dem Gebiet der Neutrinophysik.

Achim Stahl ist Professor für Experimentalphysik an der RWTH Aachen. Er hält regelmäßig den Einführungskurs in experimenteller Physik für Physikstudierende, aus dem dieses Buch entstanden ist. Sein Forschungsgebiet ist die Elementarteilchenphysik am europäischen Forschungszentrum CERN in Genf und an anderen Projekten weltweit.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Strahlenoptik

Frontmatter

1. Lichtausbreitung

Zusammenfassung
Die Optik nennt man auch die Lehre vom Licht. Sie beschäftigt sich vornehmlich mit der Ausbreitung des Lichts z. B. durch Linsen oder Blenden. Die Erzeugung und der Nachweis des Lichts müssen dabei manchmal mit behandelt werden, obwohl dies nicht der Fokus der Optik ist. Licht bezeichnet dabei meist elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums, obwohl viele Überlegungen auch für die angrenzenden Spektralbereiche zutreffen. Der Begriff „Optik“ stammt wie viele andere Begriffe der Physik aus dem Griechischen (όπτικόϛ) und bedeutet so viel wie „zum Sehen gehörend“.
Stefan Roth, Achim Stahl

2. Geometrische Optik

Zusammenfassung
Wir behandeln in diesem Kapitel die Ausbreitung des Lichts als Strahlen. Man nennt diesen Ansatz die geometrische oder Strahlenoptik, Wir beginnen mit Spiegeln als einfache Anordnungen und arbeiten uns zu komplexeren Systemen vor. Auf dem Weg dahin lernen Sie unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der Abbildungen kennen. Am Ende haben wir noch ein Kapitel angefügt, indem wir einige wichtige optische Apparate näher besprechen.
Stefan Roth, Achim Stahl

3. Fotometrie

Zusammenfassung
Licht stellt einen Energiestrom dar. Mit dem Licht wird Energie von der Lichtquelle – eventuell durch eine Optik hindurch – in die Bildebene transportiert, wo sie von der Netzhaut des Auges, einem elektronischen Sensor, einem chemischen Film, einer Leinwand oder etwas Ähnlichem aufgefangen wird. In Kap. 1 und Kap. 2 haben wir diskutiert, wie sich das Licht ausbreitet, d.h., wir sind der Frage nachgegangen, wohin sich die Energie ausbreitet. Nun wollen wir untersuchen, wie viel Energie transportiert wird. Dies werden wir in zwei Schritten tun. Im ersten Schritt beschäftigen wir uns mit den sogenannten strahlenphysikalischen Größen, die den Energietransport unabhängig vom Spektrum des jeweiligen Lichts charakterisieren. Im zweiten Schritt betrachten wir dann die lichttechnischen Größen, die das Sehempfinden unserer Augen mit berücksichtigen. Diese Größen beschreiben, wie hell wir ein bestimmtes Licht empfinden. Am Ende des Kapitels wollen wir dann noch auf einen besonderen Strahler, den schwarzer Körper, eingehen, da er für die Wärmelehre von Bedeutung ist und eine wichtige Rolle in der Entwicklung der Quantenphysik spielte.
Stefan Roth, Achim Stahl

Wellenoptik

Frontmatter

4. Wellenoptik

Abstract
Licht ist eine elektromagnetische Welle. Bisher haben wir Licht als Strahlen beschrieben. Die Welleneigenschaften haben wir weitgehend ignoriert. In diesem Kapitel wollen wir uns nun den Phänomenen zuwenden, die auf den Welleneigenschaften des Lichts beruhen. Vielleicht das wichtigste dieser Phänomene ist die Interferenz, mit deren Betrachtung wir dieses Kapitel beginnen wollen. Sie tritt nur bei Wellen auf. Man kann in der Beobachtung von Interferenzerscheinungen gar einen Beweis für die Wellennatur des Lichts sehen.
Stefan Roth, Achim Stahl

5. Laser

Zusammenfassung
Wir haben diese Reihe über die Experimentalphysik mit der klassischen Physik begonnen. Hier fügt sich auch der vorliegende Band Optik ein. Doch zum Abschluss dieses Bands müssen wir die klassische Physik verlassen, denn die Behandlung der Optik wäre unvollständig, wenn wir nicht wenigstens das Grundprinzip des Lasers erklären würden. Dieses kann aber nur im Rahmen der Quantenoptik geschehen. Sie haben sicherlich bemerkt, dass wir in vielen Experimenten und Beispielen immer wieder auf Laser zurückgegriffen haben. Auch aus dem Alltag sind diese heutzutage kaum noch wegzudenken. Insbesondere basiert unsere Informationsgesellschaft auf der schnellen Datenübertragung, deren Rückgrat mit Lasern betriebene Glasfaserleitungen bilden. Doch mit der Behandlung der Laser müssen wir zwangläufig die klassische Physik verlassen, denn ihr Funktionsprinzip ist nur unter Einbeziehung der Quantenphysik zu erfassen. Dies wird einen gewissen „Spagat“ erfordern zwischen einer Einführung in die Quantenphysik, die wir Ihnen hier nur oberflächlich anbieten können, und dem Ziel, das grundlegende Prinzip des Lasers zu verstehen.
Stefan Roth, Achim Stahl

Backmatter

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