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Kap.13 Optik1 Kapitel 13 Optik Kap.13 Optik2 13.1 Sichtbarkeit von Körpern, Lichtquellen Wie kannst du Körper sehen? Wie nimmst du sie im verdunkelten.

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2 Kap.13 Optik1 Kapitel 13 Optik

3 Kap.13 Optik 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.

4 Kap.13 Optik3 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

5 Kap.13 Optik Lichtausbreitung Das Licht breitet sich mit sehr hoher Geschwindigkeit aus. Als erster hat der dänische Astronom Olaf Römer ( ) das nachgewiesen. Diese beträgt in Luft und im leeren Raum Vakuum ca km/s Vgl. Tabelle 33.2 B. S Lichtjahr ist der Weg den das Licht in einem Jahr zurücklegt. (ca km)

6 Kap.13 Optik5 Versuch zu Lichtausbreitung Gefaltetes Blatt zur Lichtquelle hin; Begrenzungslinien des Lichtbündels einzeichnen Einmal mit 20mm Kreisblende, das 2. Mal ohne Blende. Blatt nehmen und auffalten, Strahlen verlängern. Ergebnis: Die Strahlen schneiden sich jedes Mal (Lage der Lichtquelle !) Das Licht breitet sich aus. in einem Punkt. geradlinig

7 Kap.13 Optik6 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.

8 Kap.13 Optik7 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)

9 Kap.13 Optik8 3. Mondphasen: Führe dazu den Versuch durch! Mondmodell im Abstand von ca. 15 cm von der Lichtquelle. vgl. Buch Seite 50 Abb. 34.2

10 Kap.13 Optik9 Titel: Mondphasen

11 Kap.13 Optik10 Einzelne Phasen

12 Kap.13 Optik11 Ende Zusammenfassung

13 Kap.13 Optik12 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.

14 Kap.13 Optik13

15 Kap.13 Optik14 Der Neigungswinkel zwischen Mondbahnebene und Ekliptik beträgt etwa 5°. Knotenlinie

16 Kap.13 Optik15 Mondfinsternis Erdschatten totale Mondfinsternis partielle Mondfinsternis

17 Kap.13 Optik16 9. Jänner 2001

18 Kap.13 Optik17 Sonnenfinsternis totale SoFi ringförmige SoFi partielle SoFi

19 Kap.13 Optik18 Totale und ringförmige SoFi

20 Kap.13 Optik August 1999

21 Kap.13 Optik20 Schatten über Europa

22 Kap.13 Optik21

23 Kap.13 Optik22

24 Kap.13 Optik23

25 Kap.13 Optik24

26 Kap.13 Optik25

27 Kap.13 Optik26

28 Kap.13 Optik27

29 Kap.13 Optik28

30 Kap.13 Optik29

31 Kap.13 Optik30

32 Kap.13 Optik31

33 Kap.13 Optik32

34 Kap.13 Optik33

35 Kap.13 Optik34 Ende

36 Kap.13 Optik35 Ende Venustransit 8. Juni 2004

37 Kap.13 Optik36 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

38 Kap.13 Optik 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

39 Kap.13 Optik Reflexion des Lichts:  in Grad 10°20°30°50°  ' in Grad 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:

40 Kap.13 Optik39 Es ist zu erkennen: α = α‘ Reflexionsgesetz Animation

41 Kap.13 Optik 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.

42 Kap.13 Optik41 Bildkonstruktion: Die von einem Punkt ausgehenden Lichtstrahlen werden von einem ebenen Spiegel so reflektiert, dass sich die Verlängerung der reflektierten Strahlen in einem Punkt schneiden. Ein ebener Spiegel liefert von einem Gegenstand stets ein scheinbares gleich großes und seitenverkehrtes Bild. Spiegel Lot

43 Kap.13 Optik42

44 Kap.13 Optik43 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.

45 Kap.13 Optik44 2‘ 1‘ 3‘ Streuung an unebenen Flächen

46 Kap.13 Optik Reflexion an gekrümmten Spiegeln

47 Kap.13 Optik46

48 Kap.13 Optik Der Hohlspiegel (Konkavspiegel) Optische Achse M r S Scheitel 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 F

49 Kap.13 Optik48 Bildkonstruktion: 1.Mittelpunktstrahlen werden in sich reflektiert. 2.Parallelstrahlen werden als Brennstrahlen reflektiert und umgekehrt. Versuch: Abbildung durch einen Hohlspiegel M F f g b

50 Kap.13 Optik49 Bildkonstruktion: 1.Mittelpunktstrahlen werden in sich reflektiert. 2.Parallelstrahlen werden als Brennstrahlen reflektiert und umgekehrt. Versuch: Abbildung durch einen Hohlspiegel

51 Kap.13 Optik50 Welche Bilder ergeben sich ? g > 2fReell, verkehrt verkleinertg < fVirtuell, aufrecht vergrößert g = 2fReell, verkehrt, gleich großg = fKein Bild f < g < 2fReell, verkehrt vergrößert

52 Kap.13 Optik51 Anwendung des Hohlspiegels: ( Lies B. S. 57) Rasierspiegel Abbildungsspiegel (z. B. in einem Fernrohr) Scheinwerfer

53 Kap.13 Optik52 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

54 Kap.13 Optik53 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.

55 Kap.13 Optik 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.

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57 Kap.13 Optik56 Streuung an unebenen Flächen

58 Kap.13 Optik 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.

59 Kap.13 Optik58 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)

60 Kap.13 Optik59 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)010°20°30°40°50°60° ß in Grad (Brechungswinkel)

61 Kap.13 Optik60

62 Kap.13 Optik61 Justieren auf optischer Scheibe Übergang von Luft nach Glas: Brechung zum Lot Übergang von Glas nach Luft : Brechung vom Lot

63 Kap.13 Optik62 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

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65 Kap.13 Optik64 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 010°20°30°40°50°60° ß in Grad  ' in Grad

66 Kap.13 Optik65  G.... Grenzwinkel der Totalreflexion Ist der Einfallswinkel >  G, so wird der gesamte Lichtstrahl reflektiert. Er beträgt bei unserem Versuch etwa Simulation Brechung und Totalreflexion

67 Kap.13 Optik66 Anwendungen und Beispiele für Totalreflexion Umkehrprisma Ablenkprisma

68 Kap.13 Optik67 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.

69 Kap.13 Optik68 Infolge Totalreflexion tritt das Licht erst am Ende der Leitung aus. Meist sind die Fasern mit einer Lackschicht umgeben. Der Durchmesser dieser Fasern beträgt ø µm, 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. Versuch: Lichtfaserleitung:

70 Kap.13 Optik Optische Linsen

71 Kap.13 Optik70 Wovon die Brennweite einer Linse abhängt Linsen 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. 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.

72 Kap.13 Optik Sammellinsen Parallelstrahl wird zu Brennstrahl gebrochen. Mittelpunktstrahl geht ungebrochen durch b...Bildweite g... Gegenstandsweite f... Brennweite B... Bildgröße G... Gegenstandsgröße Bildkonstruktion für eine Sammellinse:

73 Kap.13 Optik72 Herleitung der Linsengleichung: Andererseits ergibt sich aus den ähnlichen Dreiecken: oder : bf = bg - fg Wir dividieren durch bgf Linsengleichung für Sammellinsen

74 Kap.13 Optik73 Bestimme im Schülerversuch die Brennweite einer Sammellinse: g [cm] b [cm] G [cm] B [cm] 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!)

75 Kap.13 Optik74 Welche Bilder ergeben sich ? g > 2fg < f g = 2fg = f f < g < 2f verkehrt, verkleinert, reell verkehrt, gleich groß, reell verkehrt, vergrößert, reell aufrecht, vergrößert, virtuell kein Bild Brechkraft: ist der Kehrwert der Brennweite in Metern. Sie wird in Dioptrien angegeben. Ein negatives Vorzeichen bedeutet dabei Zerstreuungslinse.

76 Kap.13 Optik75

77 Kap.13 Optik Zerstreuungslinsen Z Die parallel einfallenden Strahlen werden gestreut als ob sie vom Zerstreuungspunkt kämen. Bildkonstruktion für eine Zerstreuungslinse: b...Bildweite g... Gegenstandsweite f... Brennweite B... Bildgröße G... Gegenstandsgröße Die Zerstreuungslinse liefert stets aufrechte, virtuelle, verkleinerte Bilder.

78 Kap.13 Optik77 Diaprojektor: Gute Ausleuchtung: f Obj  2*f Kond Overheadprojektor Für den Kondensor verendet man eine Fresnellinse Optische Instrumente

79 Kap.13 Optik 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.

80 Kap.13 Optik 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.

81 Kap.13 Optik80 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.

82 Kap.13 Optik Licht und Farbe Versuchsaufbau: Spektren

83 Kap.13 Optik82 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

84 Kap.13 Optik83 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? Wiedervereinigung 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

85 Kap.13 Optik84 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 Glas: Grünes Glas: Pink-Folie: Das so erzeugte Spektrum heißt Absorptionsspektrum. Absorptionsspektrum

86 Kap.13 Optik85

87 Kap.13 Optik86 nach ihrem Aufbau: Kontinuierliche Spektren - Linienspektren (Diskontinuierlich) Ein Linienspektrum enthält die für das entsprechende Element charakteristischen Linien. Gase: liefern ein Linienspektrum Festkörper und Flüssigkeiten, sowie Gase unter sehr hohem Druck liefern ein kontinuierliches Spektrum.

88 Kap.13 Optik87 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? Wiedervereinigung 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

89 Kap.13 Optik88 Kontinuierliches Spektrum

90 Kap.13 Optik89 Linienspektrum

91 Kap.13 Optik90 Absorptionsspektrum

92 Kap.13 Optik91 Sonnenspektrum

93 Kap.13 Optik Farbmischung Additive Farbmischung Additive Grundfarben Grundlichter: Rot Grün Blau Durch entsprechende Wahl der Intensität lässt sich jede Farbe damit herstellen. Anwendung: Farbfernsehen

94 Kap.13 Optik 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

95 Kap.13 Optik94

96 Kap.13 Optik95 Abnahme Beleuchtungsstärke


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