Kapitel 13 Optik Kap 13 Optik 1 13

Kapitel 13 Optik Kap. 13 Optik 1

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 2

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 3

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) Kap. 13 Optik 4

Versuch zu Lichtausbreitung Gefaltetes Blatt zur Lichtquelle hin; Begrenzungslinien des Lichtbündels einzeichnen Einmal mit 20 mm 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 !) geradlinig aus. Das Licht breitet sich. . . . . Kap. 13 Optik 5

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 dazwischen, 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 6

2. Schatten Zwei Kerzen werden im Abstand von 6 cm 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 7

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 8

Titel: Mondphasen Kap. 13 Optik 9

Einzelne Phasen Kap. 13 Optik 10

Zusammenfassung Kap. 13 Optik 11 Ende

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 12

Kap. 13 Optik 13

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

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

9. Jänner 2001 Kap. 13 Optik 16

Sonnenfinsternis totale So. Fi partielle So. Fi ringförmige So. Fi Kap. 13 Optik 17

Totale und ringförmige So. Fi Kap. 13 Optik 18

11. August 1999 Kap. 13 Optik 19

Schatten über Europa Kap. 13 Optik 20

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Venustransit 8. Juni 2004 Kap. 13 Optik 35 Ende

4. Sonnen- und Mondfinsternis: Versuch: Vgl. : Buch S. 50 und 51 Bild 34. 3 und 34. 5! Abstand Licht – Erde-Mond-Modell 20 cm. Neumond auftreten. Sie kann Eine Sonnenfinsternis kann nur bei. . . . auf einem Teil der Erde beobachtet werden. nur. . . . . Dabei befindet sich der Mond zwischen Erde und Sonne. Es gibt partielle, totale und ringförmige Sonnenfinsternisse. Vollmond auftreten. Sie kann Eine Mondfinsternis kann nur bei. . . . überall auf. . . . . der Erde beobachtet werden. Dabei befindet sich die Erde zwischen Mond und Sonne. Kap. 13 Optik 36

13. 3 Reflexion des Lichts: Reflexionsgesetz am ebenen Spiegel: Die Linse +50 wird etwa 13 cm vor der Experimentierleuchte aufgestellt. Der Blendenhalter mit Schlitzblende wird der Linse "aufgesetzt". Die optische Scheibe wird ca. 32 cm 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 37

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 38

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

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 40

Bildkonstruktion: Lot Spiegel 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. Kap. 13 Optik 41

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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 43

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

13. 3. 2 Reflexion an gekrümmten Spiegeln Kap. 13 Optik 45

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13. 3. 2. 1 Der Hohlspiegel (Konkavspiegel) r Optische Achse S Scheitel 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 47

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 Kap. 13 Optik 48

Bildkonstruktion: 1. Mittelpunktstrahlen werden in sich reflektiert. 2. Parallelstrahlen werden als Brennstrahlen reflektiert und umgekehrt. Versuch: Abbildung durch einen Hohlspiegel Kap. 13 Optik 49

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

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

Übungsaufgabe (Fleißaufgabe) Zeichne einen Halbkreis mit Radius 9 cm und lasse ein Parallelstrahlenbündel (Abstand 5 mm) auf den Spiegel auftreffen! Die Strahlen sollen alle nach dem Reflexionsgesetz reflektiert werden. Was ergibt sich für ein Bild? M Kap. 13 Optik 52

Übungsaufgabe (Fleißaufgabe) Zeichne einen Halbkreis mit Radius 9 cm und lasse ein Parallelstrahlenbündel (Abstand 5 mm) 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 53

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. Kap. 13 Optik 54

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Streuung an unebenen Flächen Kap. 13 Optik 56

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 57

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 58

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 Durchmesserlinie 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) Kap. 13 Optik 59

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

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 62

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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 Kap. 13 Optik 64

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 65

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

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 67

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 ø 10500µm, 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 68

13. 5 Optische Linsen Kap. 13 Optik 69

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. Kap. 13 Optik 70

13. 5. 1 Sammellinsen Bildkonstruktion für eine Sammellinse: Parallelstrahl wird zu Brennstrahl gebrochen. Mittelpunktstrahl geht ungebrochen durch b. . . g. . . f. . . B. . . G. . . Bildweite Gegenstandsweite Brennweite Bildgröße Gegenstandsgröße Kap. 13 Optik 71

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

Bestimme im Schülerversuch die Brennweite einer Sammellinse: Ein leuchtender Gegenstand ("L") wird in einem Blendenhalter auf die Experimentierleuchte aufgesteckt. g [cm] 40 35 30 25 20 b [cm] G [cm] B [cm] Kap. 13 Optik 15 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!) 73

Welche Bilder ergeben sich ? g > 2 f verkehrt, verkleinert, reell g<f aufrecht, vergrößert, virtuell g = 2 f verkehrt, gleich groß, reell g=f kein Bild f < g < 2 f 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 74

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13. 5. 2 Zerstreuungslinsen Z Die parallel einfallenden Strahlen werden gestreut als ob sie vom Zerstreuungspunkt kämen. Bildkonstruktion für eine Zerstreuungslinse: b. . . g. . . f. . . B. . . G. . . Bildweite Gegenstandsweite Brennweite Bildgröße Gegenstandsgröße Die Zerstreuungslinse liefert stets aufrechte, virtuelle, verkleinerte Bilder. Kap. 13 Optik 76

13. 6 Optische Instrumente Diaprojektor: Gute Ausleuchtung: f. Obj 2*f. Kond Overheadprojektor Für den Kondensor verendet man eine Fresnellinse. Kap. 13 Optik 77

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. Kap. 13 Optik 78

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 79

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 80

13. 7 Licht und Farbe 13. 7. 1 Spektren Versuchsaufbau: Kap. 13 Optik 81

Emissionsspektrum Führe folgende Aufgaben durch: 1. 2. 3. 4. 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? Kap. 13 Optik 82

Wiedervereinigung Komplementärfarben 5. Bringe hinter dem Prisma eine Sammellinse (+50 mm) 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: Kap. 13 Optik 83

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

Kap. 13 Optik 85

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 86

Wiedervereinigung Komplementärfarben 5. Bringe hinter dem Prisma eine Sammellinse (+50 mm) 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: Kap. 13 Optik 87

Kontinuierliches Spektrum Kap. 13 Optik 88

Linienspektrum Kap. 13 Optik 89

Absorptionsspektrum Kap. 13 Optik 90

Sonnenspektrum Kap. 13 Optik 91

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 92

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 Kap. 13 Optik Komplementärfarben 93

Kap. 13 Optik 94

Abnahme Beleuchtungsstärke Kap. 13 Optik 95