Kapitel 13 Optik

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Kapitel 13Optik
Kapitel 13Optik
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13.1 Sichtbarkeit von Körpern, Lichtquellen
Wie kannst du Körper sehen? Wie nimmst du sie im
verdunkelten Raum wahr?
?
Lichtquellen sind Körper, die Licht aussenden.
Natürliche Lichtquellen Sonne Sterne
Künstliche Lichtquellen Glühlampen,
Leuchtstoffröhren.
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Sehr viele Lichtquellen weisen eine hohe
Temperatur auf ( z. B. Sonne, Glühlampe,..) Es
gibt aber auch kalte Lichtquellen.
Nichtleuchtende Körper
Sie werden erst sichtbar, wenn sie beleuchtet
werden. z. B. Mond, Planeten, Gegenstände des
Alltags
4
13.2 Lichtausbreitung
Das Licht breitet sich mit sehr hoher
Geschwindigkeit aus. Als erster hat der dänische
Astronom Olaf Römer (1644 -1710) das
nachgewiesen. Diese beträgt in Luft und im leeren
Raum Vakuum ca. 300000 km/s Vgl. Tabelle 33.2
B. S. 48
1 Lichtjahr ist der Weg den das Licht in einem
Jahr zurücklegt. (ca. 1013 km)
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Versuch zu Lichtausbreitung
Gefaltetes Blatt zur Lichtquelle hin
Begrenzungslinien des Lichtbündels
einzeichnenEinmal mit 20mm Kreisblende, das 2.
Mal ohne Blende. Blatt nehmen und auffalten,
Strahlen verlängern.
in einem Punkt.
Ergebnis Die Strahlen schneiden sich jedes Mal
....... (Lage der
Lichtquelle !) Das Licht breitet sich
..................... aus.
geradlinig
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Schülerversuche zu Lichtausbreitung und Schatten
1. Licht und Schatten
Lampe und Schirm werden im Abstand von 75 cm auf
der opt. Bank angeordnet. Gib zuerst die Hand
da-zwischen, dann das Erdmodell!
Verändere den Abstand des Modells von der
Lichtquelle (20 cm, 40 cm, 60 cm).
Ergebnis Die Größe der Schattenfigur hängt von
.....Die Schärfe des Schattenbildes .
7
2. Schatten
Zwei Kerzen werden im Abstand von 6cm
aufgestellt. Gegenstand 15 cm vor de(n)r
Kerze(n). Schirm 40 cm von den Kerzen. Führe dazu
den Versuch durch! Skizze anfertigen!
Beschreibe ........
Gegenstand wird in eine Entfernung von 30 cm
gebracht.
Beschreibe ............
Wie entsteht ein Halbschatten?Wann entsteht ein
Kernschatten?
Bei einer ausgedehnten Lichtquelle entstehen
(vgl. B. S. 49) ..........
8
3. Mondphasen Führe dazu den Versuch durch!
Mondmodell im Abstand von ca. 15 cm von der
Lichtquelle. vgl. Buch Seite 50 Abb. 34.2
9
Titel Mondphasen
Mondphasen
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Einzelne Phasen
11
Zusammenfassung
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4. Sonnen- und Mondfinsternis Versuch Vgl Buch
S. 50 und 51 Bild 34.3 und 34.5! Abstand Licht
Erde-Mond-Modell 20 cm. Eine Sonnenfinsternis
kann nur bei ................ auftreten. Sie kann
nur ................... der Erde
beobachtet werden. Es gibt partielle, totale und
ringförmige Sonnenfinsternisse.Eine
Mondfinsternis kann nur bei ................
auftreten. Sie kann ...................
der Erde beobachtet werden.
13
Finsternisse
14
Der Neigungswinkel zwischen Mondbahnebene und
Ekliptik beträgt etwa 5.
15
Mondfinsternis
totaleMondfinsternis
partielleMondfinsternis
16
9. Jänner 2001
17
Sonnenfinsternis
totale SoFi
partielle SoFi
ringförmige SoFi
18
Totale und ringförmige SoFi
19
(No Transcript)
20
Schatten über Europa
21
Sonnenfinsternis 11. August 1999
22
(No Transcript)
23
(No Transcript)
24
(No Transcript)
25
(No Transcript)
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(No Transcript)
27
(No Transcript)
28
(No Transcript)
29
(No Transcript)
30
(No Transcript)
31
(No Transcript)
32
(No Transcript)
33
(No Transcript)
34
(No Transcript)
35
Venustransit8. Juni 2004
36
4. Sonnen- und Mondfinsternis Versuch Vgl.
Buch S. 50 und 51 Bild 34.3 und 34.5! Abstand
Licht Erde-Mond-Modell 20 cm. Eine
Sonnenfinsternis kann nur bei ................
auftreten. Sie kann nur ...................
der Erde beobachtet werden. Dabei befindet sich
der Mond zwischen Erde und Sonne. Es gibt
partielle, totale und ringförmige
Sonnenfinsternisse. Eine Mondfinsternis kann nur
bei ................ auftreten. Sie kann
................... der Erde beobachtet
werden. Dabei befindet sich die Erde zwischen
Mond und Sonne.
Neumond
auf einem Teil
Vollmond
überall auf
37
13.3 Reflexion des Lichts
Reflexionsgesetz am ebenen Spiegel
Die Linse 50 wird etwa 13cm vor der
Experimen-tierleuchte aufgestellt. Der
Blendenhalter mit Schlitzblende wird der Linse
"aufgesetzt".
Die optische Scheibe wird ca. 32cm vor der
Leuchte aufgestellt. Zentrieren! Wenn der
einfallende Strahl in Richtung des Lots auf den
Spiegel trifft, soll der reflektierte Strahl mit
dem einfallenden zusammenfallen.
Miss
? in Grad 10 20 30 50
?' in Grad
38
13.3 Reflexion des Lichts
Reflexionsgesetz am ebenen Spiegel
Zentrieren! Wenn der einfallende Strahl in
Richtung des Lots auf den Spiegel trifft, soll
der reflektierte Strahl mit dem einfallenden
zusammenfallen.
Miss
? in Grad 10 20 30 50
?' in Grad
39
Es ist zu erkennen
a a
Reflexionsgesetz
Animation
40
13.3.1 Bilder am ebenen Spiegel
Versuch Glasplatte
scheinbar brennende Kerze
Brennende Kerze
Wir erhalten das Bild des Gegenstandes hinter dem
Spiegel. Gegenstandsweite Entfernung des
Gegenstandes vom Spiegel Bildweite Entfernung
des Bildes vom Spiegel
Beim ebenen Spiegel gilt Bildweite
Gegenstandsweite Bild und Gegenstand liegen
symmetrisch zur Spiegelebene.
41
Bildkonstruktion
Lot
Die von einem Punkt ausgehenden Lichtstrahlen
werden von einem ebenen Spiegel so reflektiert,
dass sich die Verlängerung der reflektierten
Strahlen in einem Punkt schneiden.
Spiegel
Ein ebener Spiegel liefert von einem Gegenstand
stets ein scheinbares gleich großes und
seitenverkehrtes Bild.
42
(No Transcript)
43
Anwendung ebener Spiegel
Rückspiegel bei Fahrzeugen, Katzenaugen Periskop
(Grabenspiegel)
Wo tritt Reflexion auf?
Glatte Flächen
Raue Flächen
Das Licht wird zerstreut. Die diffuse Reflexion
bewirkt die Aufhellung eines Raumes.
44
2
1
3
Streuung an unebenen Flächen
45
13.3.2 Reflexion an gekrümmten Spiegeln
46
(No Transcript)
47
13.3.2.1 Der Hohlspiegel (Konkavspiegel)
r
S Scheitel
Optische Achse
M
F
Versuch mit optischer Scheibe Ein parallel zur
optischen Achse einfallendes Strahlenbündel wird
so reflektiert, dass sich die reflektierten
Strahlen im Brennpunkt F schneiden. Dieser liegt
in der Mitte zwischen dem Scheitel und dem
Krümmungsmittelpunkt
48
Bildkonstruktion

1. Mittelpunktstrahlen werden in sich reflektiert.
2. Parallelstrahlen werden als Brennstrahlen
   reflektiert und umgekehrt.

Versuch Abbildung durch einen Hohlspiegel
g
F
M
f
b
49
Bildkonstruktion

1. Mittelpunktstrahlen werden in sich reflektiert.
2. Parallelstrahlen werden als Brennstrahlen
   reflektiert und umgekehrt.

Versuch Abbildung durch einen Hohlspiegel
50
Welche Bilder ergeben sich ?
g gt 2f Reell, verkehrt verkleinert g lt f Virtuell, aufrecht vergrößert
g 2f Reell, verkehrt, gleich groß g f Kein Bild
f lt g lt 2f Reell, verkehrt vergrößert
51
Anwendung des Hohlspiegels ( Lies B. S.
57) Rasierspiegel Abbildungsspiegel (z. B. in
einem Fernrohr) Scheinwerfer
52
Übungsaufgabe (Fleißaufgabe) Zeichne einen
Halbkreis mit Radius 9 cm und lasse ein
Parallelstrahlenbündel (Abstand 5mm) auf den
Spiegel auftreffen! Die Strahlen sollen alle nach
dem Reflexionsgesetz reflektiert werden. Was
ergibt sich für ein Bild?
M
53
Übungsaufgabe (Fleißaufgabe) Zeichne einen
Halbkreis mit Radius 9 cm und lasse ein
Parallelstrahlenbündel (Abstand 5mm) auf den
Spiegel auftreffen! Die Strahlen sollen alle nach
dem Reflexionsgesetz reflektiert werden. Was
ergibt sich für ein Bild?
Katakaustik ( Ungenauigkeit in der Abbildung)
Die Abbildungsfehler kann man mit Hilfe eines
Parabolspiegels beseitigen.
54
13.3.2.2 Der Wölbspiegel
Die parallel einfallenden Strahlen werden
gestreut. ? Zerstreuungsspiegel. (Vergleiche
Arbeitsblatt!)
Abbildungsvorschrift Mittelpunktstrahl wird in
sich selbst reflektiert. Parallelstrahl wird so
reflektiert als ob er vom Zerstreuungspunkt käme.
Nur hinter dem Spiegel schneiden sich die
verlängerten Strahlen. Der Wölbspiegel liefert
stets aufrechte virtuelle, verkleinerte Bilder.
Anwendung Verkehrsspiegel, Seitenspiegel,
Ladenspiegel.
55
(No Transcript)
56
Streuung an unebenen Flächen
57
13.4 Brechung des Lichts
Versuch
Münze am Boden eines Gefäßes. Wegen des
Gefäßrandes ist sie nicht sichtbar.
Wir gießen Wasser hinein.
Ergebnis Die Münze wird sichtbar.
Stab hineinhalten Er scheint geknickt.
58
Versuch Wir schicken einen Lichtstrahl in das
Wassergefäß. (In das Wasser soll vorher etwas
Fluoreszin gegeben werden.)
Ergebnis
Geht ein Lichtstrahl von einem Medium in ein
anderes, so wird er abgelenkt. ? Brechung
Wir untersuchen das an der optischen Scheibe, auf
die wir einen Glashalbzylinder legen.
(Schülerversuch oder Lehrerversuch)
59
1. Übergang vom dünneren zum dichteren Medium
Aufbau wie vorhin. Der Spiegel wir durch einen
Plexiglas-Halbzylinder ersetzt. Die gerade Seite
schaut zur Lampe. Bringe sie mit der
Durchmesser-linie der opt. Scheibe zur Deckung.
(Zentrieren!!)
Miss den Brechungswinkel ß und ergänze die
Tabelle
in Grad (Einfallswinkel) 0 10 20 30 40 50 60
ß in Grad (Brechungswinkel)
60
(No Transcript)
61
Justieren auf optischer Scheibe
Übergang von Luft nach Glas Brechung zum Lot
Übergang von Glas nach Luft Brechung vom Lot
62

• Aus der Tabelle erkennt man
• Der Brechungswinkel ß ist stets
  .................. als der Einfallswinkel.
• Beim Übergang des Lichtstrahls vom optisch
  dünneren (Luft) ins optisch dichtere Medium
  (Glas) findet Brechung ........... Lot statt.

Simulation Brechung
63
(No Transcript)
64
2. Übergang vom dichteren ins dünnere Medium
Totalreflexion
Beim diesem Brechungsversuch trifft der
Lichtstrahl radial auf den Halbzylinder und wird
daher beim Eintritt in das Glas nicht gebrochen.
Uns interessiert der Übergang vom optisch
dichteren (Glas) ins optisch dünnere Medium
(Luft). Beachte Ein Teil des Lichts wird immer
reflektiert. Miss daher auch die
Reflexionswinkel. Hier tritt bei einem
bestimmten Einfallswinkel der Fall ein, dass der
gebrochene Strahl den Brechungswinkel 90 hat.
Trage diesen Wert in der Tabelle in die leere
Spalte ein
? in Grad 0 10 20 30 40 50 60
ß in Grad
?' in Grad
65
?G .... Grenzwinkel der Totalreflexion Ist der
Einfallswinkel gt ?G , so wird der gesamte
Lichtstrahl reflektiert. Er beträgt bei unserem
Versuch etwa ...........
Simulation Brechung und Totalreflexion
66
Anwendungen und Beispiele für Totalreflexion
Umkehrprisma Ablenkprisma
67
Fata Morgana Luftspiegelung
Beispiel heißer Asphalt auf einer Straßenkuppe.
Dabei ist die Luftschicht über dem Asphalt heißer
als die höheren Schichten. Heißere Luft ist
optisch dünner als kältere.
68
Lichtfaserleitung
Versuch
Infolge Totalreflexion tritt das Licht erst am
Ende der Leitung aus. Meist sind die Fasern mit
einer Lackschicht umgeben. Der Durchmesser dieser
Fasern beträgt ø10- 500µm, in der
Nachrichtentechnik bis ø 1µm. Vorteile der
Übertragung mit Lichtfaserleitungen Geringe
Abmessungen, geringes Gewicht, Freiheit von
Nebengeräuschen und Störfreiheit (z.B. von
magnet. Feldern). Endoskop für Magen- und
Darmspiegelung.
69
13.5 Optische Linsen
70
Wovon die Brennweite einer Linse abhängt
Linsen
Ein Parallelbündel fällt auf verschiedene
Linsen Abb. 1-5 Es wird in einem Punkt
gesammelt (Sammellinsen Sie sind in der Mitte
dicker als außen). Abb. 6 u. 7 Es wird zerstreut
(Zerstreuungslinsen Sie sind in der Mitte
dünner als außen).Die zerstreuten Strahlen
scheinen von einem gemeinsamen Punkt vor den
Linsen (Brennpunkt) zu stammen. Die Brennweite
wird hier negativ gewertet.

• Man erkennt
• Beide Seiten der Linse tragen zur Bündelwandlung
  bei.
• Die Seiten können konvex, plan oder konkav sein.
  
• Je stärker die Krümmung, desto stärker ihre
  Wirkung.
• Konvexe und konkave Krümmung beeinflussen die
  Wirkung der Linse in entgegengesetzter Weise.

71
13.5.1 Sammellinsen
Bildkonstruktion für eine Sammellinse
Parallelstrahl wird zu Brennstrahl gebrochen.
Mittelpunktstrahl geht ungebrochen durch
b ... Bildweite g ... Gegenstandsweite f ...
Brennweite B ... Bildgröße G ...
Gegenstandsgröße
72
Herleitung der Linsengleichung
Andererseits ergibt sich aus den ähnlichen
Dreiecken
oder bf bg - fg Wir
dividieren durch bgf
Linsengleichung für Sammellinsen
73
Bestimme im Schülerversuch die Brennweite einer
Sammellinse
Ein leuchtender Gegenstand ("L") wird in einem
Blenden-halter auf die Experimentier-leuchte
aufgesteckt.
Befindet sich die Experimentierleuchte auf 0, so
ist das Dia auf 3,5 cm. Stelle nebenstehende
Gegenstandsweiten ein und miss die dazugehörigen
Bildweiten (wo sich ein scharfes Bild ergibt)! (S
verschieben!)
g cm 40 35 30 25 20 15
b cm
G cm
B cm

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Welche Bilder ergeben sich ?
g gt 2f g lt f
g 2f g f
f lt g lt 2f
verkehrt, verkleinert, reell
aufrecht, vergrößert, virtuell
verkehrt, gleich groß, reell
kein Bild
verkehrt, vergrößert, reell
Brechkraft ist der Kehrwert der Brennweite in
Metern. Sie wird in
Dioptrien angegeben. Ein negatives Vorzeichen
bedeutet dabei Zerstreuungslinse.
75
(No Transcript)
76
13.5.2 Zerstreuungslinsen
Die parallel einfallenden Strahlen werden
gestreut als ob sie vom Zerstreuungspunkt kämen.
Z
Bildkonstruktion für eine Zerstreuungslinse
b ... Bildweite g ... Gegenstandsweite f ...
Brennweite B ... Bildgröße G ...
Gegenstandsgröße
Die Zerstreuungslinse liefert stets aufrechte,
virtuelle, verkleinerte Bilder.
77
13.6 Optische Instrumente
Diaprojektor
Gute Ausleuchtung fObj ? 2fKond
Overheadprojektor
Für den Kondensor verendet man eine Fresnellinse.
78
13.6.2 Das Mikroskop
Aufbau
Das Objektiv erzeugt vom Gegenstand ein reelles,
vergrößertes Zwischenbild, das innerhalb der
Brennweite des Okulars liegt.
Das Okular (wirkt als Lupe) erzeugt vom reellen
Zwischenbild ein virtuelles, vergrößertes Bild.
Die Gesamtvergrößerung setzt sich zusammen aus
der Vergrößerung des Objektivs mal der
Vergrößerung des Okulars. Sie kann Werte bis zu
2000 annehmen. Allerdings sind der Auflösung von
feinen Strukturen physikalische Grenzen gesetzt.
79
13.6.3 Das astronomische Fernrohr
(Keplersches Fernrohr)
Aufbau
Das Objektiv erzeugt vom Gegenstand ein reelles,
vergrößertes Zwischenbild, das innerhalb der
Brennweite des Okulars liegt.
Das Okular (wirkt als Lupe) erzeugt vom reellen
Zwischenbild ein virtuelles, vergrößertes
Bild. Im Falle großer Entfernungen fallen die
Brennpunkte von Objektiv und Okular zusammen.
Das Fernrohr erzielt eine Winkelvergrößerung,
d.h. der Gegenstand erscheint näher.
80
Das astronomische Fernrohr liefert verkehrte
Bilder, was für astronomische Beobachtungen keine
Rolle spielt. Für Erdbeobachtungen wird eine
Umkehrlinse (terrestrisches Fernrohr (Große
Länge)) oder zwei Umkehrprismen (Prismenfernrohr)
zwischengeschaltet.
81
13.7 Licht und Farbe
13.7.1 Spektren
Versuchsaufbau
82
Führe folgende Aufgaben durch

1. Bilde die Glühwendel der Lichtquelle mit dem
   Kondensor auf den Ort ab, wo du später das Prisma
   hingeben wirst! (ca. 40 cm von der Lampe
   entfernt)
2. Bilde den Spalt scharf auf den Schirm ab!
   (Zunächst ohne Prisma) Protokolliere die
   Abstände!
3. Gib das Prisma zwischen Abbildungslinse und
   Schirm! Beachte, dass du dabei den Schirm
   verschieben musst! Wiedervereinigung
4. Schreibe die Beobachtung auf! Wie ist die
   Anordnung der Farben? Art des Spektrums?Was
   kannst du über den Brechungsindex des Prismas
   sagen?

Emissionsspektrum
83
Wiedervereinigung

• 5. Bringe hinter dem Prisma eine Sammellinse
  (50mm) in den Strahlengang und verschiebe sie
  solange, bis auf dem Schirm weiß erscheint!Was
  schließt du daraus? Was ist weiß für eine Farbe?

6. Blende mit Hilfe eines Trinkhalms, den du
hinter der "Vereinigungslinse" anbringst,
einzelne Farben aus.Welche Beziehung haben die
ausgeblendete Farbe und die Farbe am Schirm?
Schreibe zwei Farbenpaare auf
Komplementärfarben
84

• 7. Entferne die Vereinigungslinse! Stecke auf den
  Kondensor hintereinander Farbgläser und
  vergleiche mit dem ursprünglichen Spektrum!
  (eventuell Farbglas nur halb hineinschieben)
  Welche Farben werden jeweils absorbiert ?Rotes
  Glas Blaues GlasGrünes GlasPink-Folie

Absorptionsspektrum
Das so erzeugte Spektrum heißt Absorptionsspektrum
.
85
(No Transcript)
86
nach ihrem Aufbau Kontinuierliche Spektren -
Linienspektren (Diskontinuierlich) Ein
Linienspektrum enthält die für das entsprechende
Element charakteristischen Linien. Gase liefern
ein LinienspektrumFestkörper und Flüssigkeiten,
sowie Gase unter sehr hohem Druck liefern ein
kontinuierliches Spektrum.
87
Wiedervereinigung

• 5. Bringe hinter dem Prisma eine Sammellinse
  (50mm) in den Strahlengang und verschiebe sie
  solange, bis auf dem Schirm weiß erscheint!Was
  schließt du daraus? Was ist weiß für eine Farbe?

6. Blende mit Hilfe eines Trinkhalms, den du
hinter der "Vereinigungslinse" anbringst,
einzelne Farben aus.Welche Beziehung haben die
ausgeblendete Farbe und die Farbe am Schirm?
Schreibe zwei Farbenpaare auf
Komplementärfarben
88
Kontinuierliches Spektrum
89
Linienspektrum
90
Absorptionsspektrum
91
Sonnenspektrum
92
13.7.2 Farbmischung
13.7.2.1 Additive Farbmischung
Additive Grundfarben Grundlichter Rot Grün
Blau Durch entsprechende Wahl der Intensität
lässt sich jede Farbe damit herstellen. Anwendung
Farbfernsehen
93
13.7.2.1 Subtraktive Farbmischung
Aus dem weißen Licht werden durch Filterung die
anderen Farben erzielt.
Farbfilter Purpur, Gelb und Blaugrün.
Purpur lässt kein Grün durch Blaugrün lässt kein
Rot durch Gelb lässt kein Blau durch
Komplementärfarben
94
(No Transcript)
95
Abnahme Beleuchtungsstärke