Kapitel 13 Optik Kapitel 13 Optik

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1 Kapitel 13 Optik Kapitel 13 Optik
Kap.13 Optik

2 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. Kap.13 Optik

3 Nichtleuchtende Körper:
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 Kap.13 Optik

4 13.2 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 B. S. 48 1 Lichtjahr ist der Weg den das Licht in einem Jahr zurücklegt. (ca km) Kap.13 Optik

5 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 Kap.13 Optik

6 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 . Kap.13 Optik

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) Kap.13 Optik

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 Kap.13 Optik

9 Titel: Mondphasen Mondphasen Kap.13 Optik

10 Einzelne Phasen Kap.13 Optik

11 Zusammenfassung Kap.13 Optik Ende

12 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. Kap.13 Optik

13 Finsternisse Kap.13 Optik

14 Knotenlinie Der Neigungswinkel zwischen Mondbahnebene und Ekliptik beträgt etwa 5°. Kap.13 Optik

15 totale Mondfinsternis partielle Mondfinsternis
Erdschatten Erdschatten totale Mondfinsternis partielle Mondfinsternis Kap.13 Optik

16 9. Jänner 2001 Kap.13 Optik

17 Sonnenfinsternis totale SoFi partielle SoFi ringförmige SoFi
Kap.13 Optik

18 Totale und ringförmige SoFi
Kap.13 Optik

19 11. August 1999 Kap.13 Optik

20 Schatten über Europa Kap.13 Optik

21 Sonnenfinsternis 11. August 1999 Kap.13 Optik

22 Kap.13 Optik

23 Kap.13 Optik

24 Kap.13 Optik

25 Kap.13 Optik

26 Kap.13 Optik

27 Kap.13 Optik

28 Kap.13 Optik

29 Kap.13 Optik

30 Kap.13 Optik

31 Kap.13 Optik

32 Kap.13 Optik

33 Kap.13 Optik

34 Kap.13 Optik Ende

35 Venustransit 8. Juni 2004 Kap.13 Optik Ende

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 Kap.13 Optik

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 Kap.13 Optik

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 Kap.13 Optik

39 Es ist zu erkennen: α = α‘ Reflexionsgesetz Animation Kap.13 Optik

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. Kap.13 Optik

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. Kap.13 Optik

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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. Kap.13 Optik

44 Streuung an unebenen Flächen
2‘ 1‘ 3‘ Streuung an unebenen Flächen Kap.13 Optik

45 13.3.2 Reflexion an gekrümmten Spiegeln
Kap.13 Optik

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47 13.3.2.1 Der Hohlspiegel (Konkavspiegel)
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 Kap.13 Optik

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

49 Bildkonstruktion: Mittelpunktstrahlen werden in sich reflektiert.
Parallelstrahlen werden als Brennstrahlen reflektiert und umgekehrt. Versuch: Abbildung durch einen Hohlspiegel Kap.13 Optik

50 Welche Bilder ergeben sich ? g > 2f Reell, verkehrt verkleinert
Virtuell, aufrecht vergrößert g = 2f Reell, verkehrt, gleich groß g = f Kein Bild f < g < 2f Reell, verkehrt vergrößert Kap.13 Optik

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

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 Kap.13 Optik

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. Kap.13 Optik

54 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. Kap.13 Optik

55 Kap.13 Optik

56 Streuung an unebenen Flächen
Kap.13 Optik

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. Kap.13 Optik

58 Versuch: Wir schicken einen Lichtstrahl in das Wassergefäß
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) Kap.13 Optik

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) 10° 20° 30° 40° 50° 60° ß in Grad (Brechungswinkel) Kap.13 Optik

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

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 Kap.13 Optik

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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 10° 20° 30° 40° 50° 60° ß in Grad ' in Grad Kap.13 Optik

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

66 Anwendungen und Beispiele für Totalreflexion
Umkehrprisma Ablenkprisma Kap.13 Optik

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. Kap.13 Optik

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. Kap.13 Optik

69 13.5 Optische Linsen Kap.13 Optik

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. Zu Folie 12: Im Realexperiment sollten für verschiedene Linsen mit Hilfe einer Punktlichtlampe und einer Mattscheibe die Brennweiten bestimmt werden. Bilder: BRENNW1.jpg-BRENNW7.jpg Kap.13 Optik

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 Kap.13 Optik

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

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] Kap.13 Optik

74 Welche Bilder ergeben sich ?
g > 2f g < f g = 2f g = f f < g < 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. Kap.13 Optik

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76 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. Kap.13 Optik

77 13.6 Optische Instrumente Diaprojektor:
Gute Ausleuchtung: fObj  2*fKond Overheadprojektor Für den Kondensor verendet man eine Fresnellinse. Kap.13 Optik

78 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. Kap.13 Optik

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. Kap.13 Optik

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. Kap.13 Optik

81 13.7 Licht und Farbe Spektren Versuchsaufbau: Kap.13 Optik

82 Führe folgende Aufgaben durch:
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) Bilde den Spalt scharf auf den Schirm ab! (Zunächst ohne Prisma) Protokolliere die Abstände! Gib das Prisma zwischen Abbildungslinse und Schirm! Beachte, dass du dabei den Schirm verschieben musst! Wiedervereinigung Schreibe die Beobachtung auf! Wie ist die Anordnung der Farben? Art des Spektrums? Was kannst du über den Brechungsindex des Prismas sagen? Emissionsspektrum Kap.13 Optik

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 Kap.13 Optik

84 Das so erzeugte Spektrum heißt Absorptionsspektrum.
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: Absorptionsspektrum Das so erzeugte Spektrum heißt Absorptionsspektrum. Kap.13 Optik

85 Kap.13 Optik

86 Kontinuierliche Spektren - Linienspektren (Diskontinuierlich)
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. Kap.13 Optik

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 Kap.13 Optik

88 Kontinuierliches Spektrum
Kap.13 Optik

89 Linienspektrum Kap.13 Optik

90 Absorptionsspektrum Kap.13 Optik

91 Sonnenspektrum Kap.13 Optik

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 Kap.13 Optik

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 Kap.13 Optik

94 Kap.13 Optik

95 Abnahme Beleuchtungsstärke
Kap.13 Optik