Die Brechung kennst du aus Klasse 5 und 6: Ein schräger Lichtstrahl knickt an der Grenzfläche zwischen zwei durchsichtigen Stoffen ab. Den Grund kannst du jetzt nennen: Licht läuft in Wasser und Glas langsamer als in Luft. Stoffe, in denen es langsamer läuft, heißen optisch dichter. Wasser ist optisch dichter als Luft, Glas noch etwas dichter als Wasser.

Die Winkel misst du vom Lot aus:

• Von dünn nach dicht (Luft in Glas) wird der Strahl zum Lot hin gebrochen. Der Brechungswinkel ist kleiner als der Einfallswinkel.
• Von dicht nach dünn (Glas in Luft) wird er vom Lot weg gebrochen. Der Brechungswinkel ist größer.
• Bei 0° geht der Strahl ohne Knick weiter. Der Lichtweg ist umkehrbar.

Geht Licht von Glas in Luft, wächst mit dem Einfallswinkel auch der Brechungswinkel. Beim Grenzwinkel wäre er 90°: Der Strahl liefe an der Grenzfläche entlang. Bei noch größerem Einfallswinkel tritt gar kein Licht mehr aus. Alles wird wie von einem Spiegel zurückgeworfen. Das ist die Totalreflexion. Sie gibt es nur beim Übergang von dicht nach dünn und nur bei Einfallswinkeln über dem Grenzwinkel. Aus Luft in Wasser gibt es sie nie. Gegen Luft ist der Grenzwinkel bei Wasser etwa 49° und bei gewöhnlichem Glas etwa 42°.

Ein Lichtleiter (Glasfaser) ist ein dünner, biegsamer Glasfaden. Das Licht trifft immer wieder flach auf seine Wand, wird jedes Mal total reflektiert und folgt so den Kurven. Glasfasern übertragen Daten fürs Internet.

Eine Linse ist ein durchsichtiger Körper mit gewölbten Flächen. Das Licht wird an beiden Flächen gebrochen. Die Gerade durch die Linsenmitte, senkrecht zur Linse, heißt optische Achse.

• Die Sammellinse ist in der Mitte dicker als am Rand. Paralleles Licht läuft hinter ihr im Brennpunkt F zusammen. Der Abstand zwischen Linse und Brennpunkt ist die Brennweite f. Je stärker die Linse gewölbt ist, desto kürzer ist f. Auf jeder Seite der Linse liegt ein Brennpunkt, beide im gleichen Abstand.
• Die Zerstreuungslinse ist in der Mitte dünner als am Rand. Paralleles Licht läuft hinter ihr auseinander. Verlängert man die Strahlen rückwärts, scheinen sie von einem Punkt vor der Linse zu kommen. Das ist ihr Brennpunkt.

Der Gegenstand ist ein Pfeil, der senkrecht auf der Achse steht. Du brauchst vier Größen: die Gegenstandsweite g (Abstand Gegenstand–Linse), die Bildweite b (Abstand Bild–Linse), die Gegenstandsgröße G und die Bildgröße B.

Von der Pfeilspitze gehen viele Strahlen aus. Drei zeichnest du leicht. Die Linse zeichnest du als senkrechten Strich. Parallel- und Brennpunktstrahl knicken an diesem Strich ab:
1. Der Parallelstrahl läuft parallel zur Achse und geht hinter der Linse durch den Brennpunkt.
2. Der Mittelpunktstrahl geht durch die Linsenmitte ungebrochen weiter.
3. Der Brennpunktstrahl läuft vor der Linse durch den Brennpunkt und geht hinter ihr parallel zur Achse weiter.

Wo sich zwei Strahlen treffen, liegt die Spitze des Bildes. Treffen sich die Strahlen wirklich, ist das Bild reell: Ein Schirm fängt es auf. Laufen sie auseinander und treffen sich nur ihre rückwärtigen Verlängerungen, ist das Bild virtuell. Ein Schirm zeigt dann nichts, doch dein Auge sieht es, wie ein Spiegelbild.

Der Mittelpunktstrahl geht gerade durch, wie bei der Lochkamera. Darum verhalten sich Bild und Gegenstand wie ihre Abstände zur Linse:

Das Bild hängt von der Gegenstandsweite g ab. Als Maß dient die Brennweite f:

Eine Zerstreuungslinse macht aus jedem Gegenstand ein virtuelles, aufrechtes, verkleinertes Bild.

Das Licht tritt durch die durchsichtige Hornhaut und die Pupille ein, die Öffnung in der farbigen Regenbogenhaut. Bei Helligkeit wird sie klein, im Dunkeln groß: So regelt das Auge die Lichtmenge. Dahinter liegt die Augenlinse, eine Sammellinse. Sie entwirft auf der Netzhaut an der Rückwand des Auges ein reelles, umgekehrtes, verkleinertes Bild. Sinneszellen melden es über den Sehnerv ans Gehirn, das uns die Welt trotzdem aufrecht sehen lässt.

Der Abstand zwischen Linse und Netzhaut ist fest. Zum Scharfstellen ändert das Auge die Brennweite: Ein Muskel wölbt die Linse stärker (für Nahes) oder zieht sie flacher (für Fernes). Das heißt Akkommodation.

Beim normalsichtigen Auge liegt das Bild genau auf der Netzhaut. Bei Fehlsichtigkeit liegt es daneben:

Die Brille ändert den Weg der Strahlen so, dass das Bild wieder auf der Netzhaut liegt.

Ein Fotoapparat ist wie ein Auge gebaut. Das Objektiv (Sammellinse) entwirft auf dem Sensor ein reelles, umgekehrtes, verkleinertes Bild. Die Blende ist eine verstellbare Öffnung, die wie die Pupille die Lichtmenge regelt. Zum Scharfstellen verschiebt man das Objektiv: Für nahe Gegenstände rückt es vom Sensor weg.

Beide Geräte haben zwei Sammellinsen: das Objektiv (zum Gegenstand hin) und das Okular (zum Auge hin). Das Objektiv entwirft ein reelles Zwischenbild. Das Okular betrachtet es wie eine Lupe.

• Beim Fernrohr hat das Objektiv eine große Brennweite $f_1$, das Okular eine kleine $f_2$. Ferne Gegenstände erscheinen größer, das Bild steht auf dem Kopf. Die Vergrößerung ist $V = f_1 : f_2$.
• Beim Mikroskop hat das Objektiv eine sehr kleine Brennweite. Der Gegenstand steht knapp außerhalb davon. Das Zwischenbild ist stark vergrößert, das Okular vergrößert es noch einmal. Die Vergrößerungen werden multipliziert: $V = V_{\text{Objektiv}} \cdot V_{\text{Okular}}$.