Eine App zeichnet Strahlenoptiken
Mit der kostenfreien Android-App Ray Optics lassen sich schnell und unkompliziert Abbildungen an Spiegeln und Linsen simulieren.
Ray Optics bietet verschiedene Einstellmöglichkeiten und eignet sich beispielsweise zur Bestimmung des Ortes eines reellen oder virtuellen Bildes bei einer Linse, einer Linsenkombination oder einem Spiegel. Die App ist einfach zu bedienen. Trotz einiger Schwächen eignet sie sich nicht nur zum physikalischen Spielen, sondern auch zum Erlernen der geometrischen Optik.
Beim Starten der App ist die optische Achse in rot sichtbar. In der oberen grauen Leiste (Abbildung) kann man neben einem abzubildenden Gegenstand (Object) auch Linsen (Lens), Spiegel (Mirror) und Glasplatten (Slab) als optische Bauelemente auswählen, die dann auf die optische Achse gesetzt werden. Somit sind viele Phänomene und Anwendungen der Strahlenoptik oder geometrischen Optik darstellbar.
Darstellung einer Linsenabbildung.
Nach dem Setzen eines Bauelements oder beim späteren Anklicken eines Bauelements erscheint im unteren Bereich der App eine Leiste, in der man bestimmte Eigenschaften einstellen oder mit X das Element löschen kann. Es lassen sich konvexe oder konkave Linsen auswählen und die Position als x-Koordinate sowie die Brennweite angeben. Die Anzahl der zusätzlich einfügbaren Linsen ist dabei nicht beschränkt. Bei einem Spiegel kann man zwischen konvexer, konkaver und planarer Form wählen und ebenso die Position als x-Koordinate und die Brennweite angeben. Allerdings lässt sich maximal ein Spiegel einsetzen. Wählt man eine Glasplatte, kann neben der Position zudem auch der Brechungsindex des Plattenmaterials und die Plattendicke eingestellt werden. Allerdings wird die Glasplatte ungeschickterweise immer ganz dünn eingezeichnet, unabhängig davon, wie dick man sie wählt.
Um einen Strahlenverlauf zu sehen, muss man einen Gegenstand mit der Funktion Object generieren, wobei nur ein Gegenstand erzeugt werden kann. Dieser ist immer als roter Pfeil dargestellt, der auf der optischen Achse steht. Seine Position und Größe wird durch Verschieben oder über die untere Leiste eingestellt. Das Objekt muss dabei leider untypischerweise immer rechts von dem optischen Bauelement stehen, so dass sich das Licht gegen unsere gewohnte Leserichtung von rechts nach links ausbreitet.
Standardmäßig ist der Nullpunkt des Koordinatensystems ganz links, so dass alle Bauelemente und der Gegenstand eine positive x-Koordinate besitzen. Man kann das Koordinatensystem aber verschieben, beispielsweise den Koordinatennullpunkt in die Mitte legen und die Linse darauf setzen. Dann sind die Beträge der x-Koordinaten von Gegenstand und Bild gleich der Gegenstands- und Bildweite. Alle Größen werden dabei in Pixel angegeben. In der kostenpflichtigen Pro-Version kann man sich die Gleichungen für die Berechnung des Bildes anzeigen lassen.
Sind ein Gegenstand und mindestens ein optisches Bauelement vorhanden, wird das reelle oder virtuelle Bild grün angezeigt und zwei Konstruktionsstrahlen vom oberen Ende des Gegenstandes eingezeichnet. Als Konstruktionsstrahlen erscheinen der Parallelstrahl (gelb) und der Mittelpunktstrahl (weiß), nicht aber der Brennpunktstrahl. Ebenso werden keine abbildenden Strahlen und kein abbildendes Strahlenbündel dargestellt, obwohl dies zum Verständnis der Abbildung beitragen würde. Im Gegensatz zu einem abbildenden Lichtstrahl verläuft der Parallelstrahl auch außerhalb der Linse, wenn der Gegenstand höher als diese ist. Bei virtuellen Bildern werden die beiden Konstruktionsstrahlen vom optischen Bauteil zum virtuellen Bild gestrichelt gezeichnet.
Außerdem werden immer die Positionen und Größen von Gegenstand und Bild als Text angezeigt (Abbildung). Im Gegensatz zu einer Zeichnung auf dem Papier lässt sich jedes optische Bauelement und der Gegenstand mit dem Finger verschieben. Dabei verändern sich Konstruktionsstrahlen und Bild dynamisch in Echtzeit, so dass man den Einfluss der Position direkt verfolgen kann.
Thomas Wilhelm, Hüseyin Aydinlik, Uni Frankfurt; Jochen Kuhn, TU Kaiserslautern
Der Originalbeitrag mit weiteren Anwendungsbeispielen, Abbildungen und Literaturverweisen ist in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen. Sie finden ihn hier bis zum 25.10.2014 zum freien Download.
