Physik für Naturwissenschaften

Dr. Andreas Reichert

Termine

� Klausur: 5. Februar?, 12 - 14 Uhr, Raum wird noch bekannt gegeben

� Sprechstunde:

Montags ab 13:30-14:30 UhrRaum MC 244, Campus Duisburgandreas.reichert@uni-due.de

� Online-Infoshttp://moodle2.uni-due.de/Physik > Service > Physik für NaturwissenschaftenKennwort: PFN2012

Physik?

� Experiment

� Beobachtung

� Gesetzmäßigkeit (Formel/Gesetz – Modell – beschreibt die beobachteten Fälle)

� Voraussagen

Sehen

Sehen ist nur möglich, wenn Licht von einem

Gegenstand (Sender) direkt in unsere Augen fällt

(Empfänger)

� Aktive Sender erzeugen Licht

� Passive Sender reflektieren Licht

� Das Auge ist ein (passiver) Lichtempfänger

Warum sieht man Dinge?

� Man sieht auch Dinge, die nicht selbst „leuchten“

� Licht wird von diesen Dingen in charakteristischer Weise reflektiert

� Wir sehen Dinge, wenn Licht von ihnen direkt in unser Auge reflektiert wird

� Das Aussehen von Dingen hängt davon ab, welche Farbe des Lichts reflektiert oder absorbiert wird

� Energie

� Elektromagnetische Welle/Lichtteilchen (Photon)

� Zerlegung von weißem Licht in Spektralfarben

Was ist Licht?

Lichtentstehung

� Zerlegung von weißem Licht in Spektralfarben

Was ist Licht?

Lichtentstehung

Freuqenzf

windigkeitLichtgeschc

eWellenläng

:

:

:λf

c=λ

Was ist Licht?

Lichtentstehung

Zeitt

AmplitudeA

:

:

f

c=λ

t

Freuqenzf

windigkeitLichtgeschc

eWellenläng

:

:

:λ

Anregung

� durch Wärmezufuhr

� mechanisch

� durch Licht

� durch elektrische Energie

Lichtentstehung

� Energiepaket – Photo (Lichtquant) νhE =

Lichtes des Frequenz

quantumn Wirkungsplancksche

==

νh

Kontinuierliches SpektrumEin Ion fängt ein Elektron beliebiger Energie ein.Diese Energie wird als Lichtwelle frei

freies Elektron

Ion

Resultat ist ein kontinuierliches Spektrum (weißes Licht)

Lichtentstehung

Wie entsteht Licht

Schwarzer Strahler

Lichtentstehung

Die Farben rechts zeigen nur die Tendenz

Farben

� Hellere und dunklere Körper

Lichtausbreitung

Farben

� Farbige Körper

Lichtausbreitung

Farbe

Körperfarben

cyan, magenta, yellow

Lichtfarben

Rot, grün, blau

Lichtausbreitung

Lichtausbreitung in Medien

� Atome werden durch die elektromagnetische Welle des Lichtes zum Schwingen angeregt

� Schwingende Atome senden wieder eine elektromagnetische Welle aus (in alle Richtungen, jeweils etwas verzögert – daraus resultiert die Lichtgeschwindigkeit in Medien)

� Interferenz der Wellen lässt in homogenem Medium nur die sich gradlinig ausbreitende Welle übrig

Lichtausbreitung

Lichtausbreitung in Medien

� Atome werden durch die elektromagnetische Welle des Lichtes zum Schwingen angeregt

� Schwingende Atome senden wieder eine elektromagnetische Welle aus (in alle Richtungen, jeweils etwas verzögert – daraus resultiert die Lichtgeschwindigkeit in Medien)

� Interferenz der Wellen lässt in homogenem Medium nur die sich gradlinig ausbreitende Welle übrig

Lichtausbreitung

destruktive Interferenz

Lichtausbreitung

konstruktive Interferenz

Lichtgeschwindigkeit

� erste Messung der Lichtgeschwindigkeit

Lichtausbreitung

Lichtgeschwindigkeit

� Erste terrestrische Messung der Lichtgeschwindigkeit1849 durch die Zahnradmethode nach Armand Fizeau (1819-1896)

Lichtausbreitung

Lichtgeschwindigkeit

� Foucault veröffentlichte eine Version des Versuchs zur Messung der Lichtgeschwindigkeit . Er verwendete einen drehenden Spiegel.

� c = 298 000 km/s

Lichtausbreitung

Abbildungen

Sie werden heute erfahren

� Was Physiker unter einem „Bild“ verstehen

� Wie scharfe Abbildungen erzeugt werden können

� Wie optische Linsen „Bilder machen“

� Dass auch unsere Augen mit Linsen funktionieren

� Weshalb Linsen Licht brechen und bündeln können

� Wie man Sehfehler mit Brillen korrigiert

� Dass es auch „scheinbare“ Bilder gibt

� Beispiele für Geräte mit Linsen

Bild

Was sind eigentlich Bilder

im physikalischen Sinne?

Entstehung von Bildern

Die Camera Obscura als Hilfsmittel der Malerei

Bild

Die Entstehung von Bildern

� In einem idealen Abbild sollte jedem Punkt des abzubildenden Gegenstands genau ein Bildpunkt zugeordnet sein

� Die relative Lage der Bildpunkte sollte so sein, wie wir sie mit unserem Auge wahrnehmen würden

� Optische Geräte müssen dem entsprechend das Licht „sortieren“

Bild

Bilder an einer „Lochkamera“

„Sortieren“ von Licht durch das Loch einer Lochkamera

Je größer das Loch ist, um so heller, aber auch um so unschärfer wird das Bild.

Bild

Das Lochkameraprinzip in der Natur

Das Blasenauge des Nautilus

Bild

Wie entstehen „gute“ Bilder?

Eine einfache Linsenkamera

Versuch: Vor das größte Loch der Lochkamera wird eine Linse aus Glas gehalten.

Ergebnis: Das Bild ist hell aber trotzdem scharf

Linse

Bild

Das Auge - eine „Linsenkamera“ der Natur

Verbesserung des Sehens durch Linsenaugen

Vorteile von Linsenaugen:

� Helligkeit des Bildes durch eine große Augenöffnung

� Gleichzeitig Schärfe des Bildes durch eine Linse

� Schutz des Augeninneren in einem geschlossenen System

Bild

Das menschliche Auge

Glaskörper

Pupille Sehnerv

Bild

Abbildungen mit Linsen

Verschiedene Linsen

� Sammellinsen können Lichtbündel in einem Punkt zusammenführen.

� Zerstreuungslinsen lassen Lichtbündelauseinander laufen. Licht scheint von einem Punkt auszugehen

Bild

Brennweite und Brennpunkt� Im Brennpunkt F einer Sammellinse wird das parallele

Licht einer sehr weit entfernten Lichtquelle (z.B. der Sonne) zusammengeführt.

� Die Brennweite f misst die Entfernung des Brennpunkts von der Linsenmitte

� Die Brennweite ist die wichtigste Größe, die die Abbildungseigenschaften einer Linse charakterisiert.

Licht von der Sonne

Brennweite f

FF

Brennweite f

Brennebene

Bild

Brennweite und Brennpunkt

� Auch Zerstreuungslinsen besitzen „Brennpunkte“, obwohl in ihnen kein Licht gebündelt wird

� Paralleles Licht wird so gebrochen, dass es von einem Punkt, dem Brennpunkt auszugehen scheint

� Die Brennweite von Zerstreuungslinsen wird als negativer Wert angegeben.

Bild

Abbildung mit einer Sammellinse

Gesamtheit der Bildpunkte

Linse

Alles Licht, das von einem Punkt durch die Sammellinse geht, wird wieder in einem Bildpunkt gebündelt.

Bild

Wo liegen die Bildpunkte?

Kann man den Ort des Bildes vorhersagen oder hilft nur ausprobieren?

Zum Glück weiß man in drei Fällen, wie sich Licht verhält, das aus bestimmten Richtungen kommt:

� Parallel einfallendes Licht läuft hinter der Linse durch den Brennpunkt (Definition des Brennpunkts)

� Licht, das durch den Brennpunkt vor der Linse einfällt, verläuft hinter der Linse parallel (Umkehrbarkeit des Lichtwegs)

� Licht, das genau durch die Mitte der Linse läuft, behält seine Richtung bei

Bild

Abbildungen mit Linsen

� Weit entfernte Objekte werden in der Nähe der Brennebene verkleinert abgebildet. Das Bild steht auf dem Kopf.

� Objekte in der Nähe der Brennebene werden vergrößert abgebildet.

F

F

Parallelstrahl

Brennstrahl

Mittelpunktsstrahl

Bild

Abbildungen mit Linsen

� Weit entfernte Objekte werden in der Nähe der Brennebene verkleinert abgebildet.

� Objekte in der Nähe der Brennebene werden vergrößert abgebildet.

F

F

Im Prinzip reichen auch schon zwei der besonderen Strahlen

Bild

Linsengleichungen

Bild

Optische MessgrößenZur Berechnung der Bildgröße

Beschreibung der optischen Eigenschaften einer Linse durch die

Dioptrien-Zahl

Bild

Warum bündeln Linsen Licht?

Brechung an Grenzflächen zweier durchsichtiger Stoffe

Das Fermatsche PrinzipDer Weg des Lichts zwischen zwei Punkten ist so, dass die Laufzeitminimal ist.

In Wasser ist Licht langsamer als in Luft

MinimaleStrecke

MinimaleZeit

Bild

Das Fermatsche Prinzip

Beispiel Strand: der Startpunkt liegt auf einem Parkplatz – der Endpunkt am Wasser. Dazwischen liegt die Hälfte des Weges Parkplatz und die andere Hälfte weicher Sandstrand. Wenn man das Gehen möglichst leicht hinter sich bringen will, ist es sinnig, den Weg auf dem Sand zu verringern.

MinimaleStrecke

MinimaleZeit

Bild

Brechungsindizes

Der Brechungsindex n ist ein Maß dafür, wie stark Licht an der Grenzfläche zwischen Vakuum und einem durchsichtigen Mediums gebrochen wird.n = c/c

mLichtgeschw. c im Vakuum, c

m- im Medium

Luft 1,00027 Diamant 2,417Wasser 1,333 Steinsalz 1,544Benzol 1,501 Kronglas 1,510Schwefel- 1,628 Flintglas 1,613kohlenstoff

In Benzol ist ein Glasstab aus Kronglas fast nicht sichtbar!

n2/n1 = c1/c2 beim Übergang zwischen Medium 1 und 2

Bild

Brechung von Licht

� Beim Übergang zwischen zwei verschiedenen durchsichtigen Medien (z.B. Luft-Glas) ändert Licht seine Richtung, es wird „gebrochen“. Die Brechung ist um so stärker, je größer der Winkel Alpha ist.

Bild

Brechung von Licht

� Ist n1

< n2

, so wird Licht zum Einfallslot hin, bei n1

> n2

vom Einfallslot weg gebrochen.

Bild

Beispiel n1< n2

(Luft und Wasser)

Brechung von Licht

� Ist n1

< n2

, so wird Licht zum Einfallslot hin, bei n1

> n2

vom Einfallslot weg gebrochen.

� Sonderfall Totalreflexion für n1

> n2

und große Einfallswinkel

Bild

Brechung von Licht

� Beim Übergang zwischen zwei verschiedenen durchsichtigen Medien (z.B. Luft-Glas) ändert Licht seine Richtung, es wird „gebrochen“. Die Brechung ist um so stärker, je größer der Winkel Alpha ist.

� Ist n1

< n2

, so wird Licht zum Einfallslot hin, bei n1

> n2

vom Einfallslot weg gebrochen.

� Sonderfall Totalreflexion für n1

> n2

und große Einfallswinkel

Bild

Lichtbrechung an einer Linse

Bild

Reelle Bilder und virtuelle Bilder

Bild

Reelle und virtuelle Bilder

� Reelle (wirkliche) Bilder entstehen im Raum. Sie lassen sich durch einen Bildschirm auffangen.Beispiele:Auge, Kamera, Projektor

� Virtuelle (scheinbare) Bilder sind nicht wirklich vorhanden. Sie entstehen durch die Art unserer Wahrnehmung und lassen sich nicht auf einem Bildschirm auffangen.Beispiele:Spiegelbilder an ebenen Spiegeln, Bilder in einer Lupe

Bild

Virtuelle SpiegelbilderDas Bild scheint hinter dem Spiegel zu liegen

Bild

Reflektion und FermatschesPrinzip

Der kürzeste Weg besteht, wenn der Einfallswinkel des Lichts gleich dem Ausfalls-winkel ist.

Bild

Bildentstehung am Spiegel

Das Bild scheint hinter dem Spiegel zu liegen.

Bild

Virtuelles Bild mit einer Lupe

Vergrößerungdes Sehwinkels

Bild

Optische Geräte mit Linsen

Die Fotokamera (Spiegelreflex)

SucherPrisma

Film

Spiegel

Blende

Bild

Das Fernrohr

Das verkleinerte Zwischenbild erscheint als stark vergrößert in großer Entfernung.

Bild

Das Mikroskop

� Ein Mikroskop erzeugt ein stark vergrößertes Zwischenbild

� Das Zwischenbild wird mit dem Okular (als Lupe) betrachtet

Leeuwenhoek gilt als

der Erfinder des Mikroskops

Zwischenbild

Okular

Bild

Das Mikroskop

� Ein Mikroskop erzeugt ein stark vergrößertes Zwischenbild

� Das Zwischenbild wird mit dem Okular (als Lupe) betrachtet

Bild

Was bedeutet das jetzt für das Sehen?

Sehen

Abbildung auf der NetzhautDer Abstand der Netzhaut von der Augenlinse entspricht der Brennweite der Linse. Problem: Unterschiedliche Gegenstands-Weiten

Sehen

Veränderung der Augenbrennweite

Sehen

FehlsichtigkeitBeim kurzsichtigen Auge istder Augapfel verlängert

Beim weitsichtigen Auge istder Augapfel verkürzt.Bei Altersweitsicht kann die Augenlinse nicht mehr genug akkomodieren.

Sehen

Korrektur der Fehlsichtigkeit� Halbkugeln aus Glas, Bergkristall

oder Halbedelsteinen wurden nach dem Jahr 1000 n. Chr. in arabischen Ländern genutzt.

� Etwa um 1200 n. Chr. kam das Wissen darüber in europäische Klöster.

� Die Halbkugeln wurden flacher und leichter geschliffen, es entstanden Linsen, die man vor das Auge halten konnte.

� Ein häufig genutztes Mineral für Linsen war Beryll oder Brill, bei zwei Linsen sprach man von Berylle oder „Brille“.

Sehen

Korrektur durch BrillenWeitsichtigkeit:Verschiebung derBildebene nachvorne

Kurzsichtigkeit:Verschiebung derBildebene nachhinten

Sehen