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Kap.13 Optik 1

Kapitel 13Optik

Kapitel 13Optik

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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.

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Kap.13 Optik 3

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

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Kap.13 Optik 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/sVgl. 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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Kap.13 Optik 5

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.

15 cm

Ergebnis: Die Strahlen schneiden sich jedes Mal ....... (Lage der Lichtquelle !)Das Licht breitet sich ..................... aus.

in einem Punkt.

geradlinig

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Kap.13 Optik 6

Schülerversuche zu Lichtausbreitung und Schatten

1. Licht und Schatten

GegenstandLampe 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 .

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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) ..........

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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

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Kap.13 Optik 9

Titel: Mondphasen

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Kap.13 Optik 10

Einzelne Phasen

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Kap.13 Optik 11

EndeEnde

Zusammenfassung

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Kap.13 Optik 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.

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Kap.13 Optik 13

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

Knotenlinie

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Kap.13 Optik 15

MondfinsternisMondfinsternis

Erdschatten Erdschatten

totaleMondfinsternis

partielleMondfinsternis

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Kap.13 Optik 16

9. Jänner 2001

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Kap.13 Optik 17

SonnenfinsternisSonnenfinsternis

totale SoFi

ringförmige SoFi

partielle SoFi

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Kap.13 Optik 18

Totale und ringförmige SoFi

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Kap.13 Optik 19

11. August 199911. August 1999

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Kap.13 Optik 20

Schatten über Europa

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Kap.13 Optik 29

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Venustransit8. Juni 2004

Venustransit8. Juni 2004

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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.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.

Neumondauf einem Teil

Vollmond

überall auf

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Kap.13 Optik 37

13.3 Reflexion des Lichts:

Spiegel

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

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Kap.13 Optik 38

13.3 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:

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Kap.13 Optik 39

reflektierter Strahleinfallender StrahlLot

'

Spiegel

Es ist zu erkennen: α = α‘ Reflexionsgesetz

Animation

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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 SpiegelBildweite: = Entfernung des Bildes vom Spiegel

Beim ebenen Spiegel gilt:Bildweite = GegenstandsweiteBild und Gegenstand liegen symmetrisch zur Spiegelebene.

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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

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Kap.13 Optik 43

Anwendung ebener Spiegel:

Rückspiegel bei Fahrzeugen, KatzenaugenPeriskop (Grabenspiegel)

Wo tritt Reflexion auf?

Glatte Flächen

Raue Flächen

Das Licht wird zerstreut.Die diffuse Reflexion bewirkt die Aufhellung eines Raumes.

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2‘

1‘

3‘

Streuung an unebenen Flächen

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13.3.2 Reflexion an gekrümmten Spiegeln

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Kap.13 Optik 47

13.3.2.1 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

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Kap.13 Optik 48

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

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Kap.13 Optik 49

Bildkonstruktion:

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

Versuch: Abbildung durch einen Hohlspiegel

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Kap.13 Optik 50

Welche Bilder ergeben sich ?

g > 2f Reell, verkehrt verkleinert g < f Virtuell, aufrecht vergrößert

g = 2f Reell, verkehrt, gleich groß g = f Kein Bild

f < g < 2f Reell, verkehrt vergrößert

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Kap.13 Optik 51

Anwendung des Hohlspiegels: ( Lies B. S. 57)RasierspiegelAbbildungsspiegel (z. B. in einem Fernrohr)Scheinwerfer

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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

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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.

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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.

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Kap.13 Optik 56

Streuung an unebenen Flächen

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Kap.13 Optik 57

13.4 Brechung des LichtsVersuch:

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.

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Kap.13 Optik 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)

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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) 0 10° 20° 30° 40° 50° 60°

ß in Grad (Brechungswinkel)

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Kap.13 Optik 60

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Kap.13 Optik 61

Justieren auf optischer Scheibe

Übergang von Luft nach Glas: Brechung zum Lot

Übergang von Glas nach Luft : Brechung vom Lot

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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.

gebrochener Strahl

reflektierter Strahleinfallender Strahl

Glas

Luft

Lot

dünner

dichter

ß

Simulation Brechung

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Kap.13 Optik 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

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Kap.13 Optik 65

G .... Grenzwinkel der TotalreflexionIst der Einfallswinkel > G , so wird der gesamte Lichtstrahl reflektiert.Er beträgt bei unserem Versuch etwa ...........

Simulation Brechung und Totalreflexion

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Kap.13 Optik 66

Anwendungen und Beispiele für Totalreflexion

Umkehrprisma

Ablenkprisma

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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.

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Kap.13 Optik 68

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.

Versuch:

Lichtfaserleitung:

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Kap.13 Optik 69

13.5 Optische Linsen

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Kap.13 Optik 70

Wovon die Brennweite einer Linse abhängtLinsen

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.

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Kap.13 Optik 71

13.5.1 Sammellinsen

Parallelstrahl wird zu Brennstrahl gebrochen.

Mittelpunktstrahl geht ungebrochen durch

b ... Bildweite g ... Gegenstandsweitef ... BrennweiteB ... BildgrößeG ... Gegenstandsgröße

F

F'G

B

g

f f

b

+L

Bildkonstruktion für eine Sammellinse:

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Kap.13 Optik 72

Herleitung der Linsengleichung:

F

F'G

B

g

f f

b

+L

g

b

G

BV

dsgrößetanGegens

BildgrößengVergrößeru

Andererseits ergibt sich aus den ähnlichen Dreiecken:

f

fb

g

b

f

fb

G

B

oder : bf = bg - fg Wir dividieren durch bgf

f

1

b

1

g

1 Linsengleichung für Sammellinsen

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Kap.13 Optik 73

Bestimme im Schülerversuch die Brennweite einer Sammellinse:

b1

g1

g [cm] 40 35 30 25 20 15

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!)

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Kap.13 Optik 74

Welche Bilder ergeben sich ?

g > 2f g < f

g = 2f g = 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.

]m[f

1D

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Kap.13 Optik 75

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Kap.13 Optik 76

13.5.2 Zerstreuungslinsen

Z

Die parallel einfallenden Strahlen werden gestreut als ob sie vom Zerstreuungspunkt kämen.

Bildkonstruktion für eine Zerstreuungslinse:

Z

Z'G

B

gf

fb

-Lb ... Bildweite g ... Gegenstandsweitef ... BrennweiteB ... BildgrößeG ... Gegenstandsgröße

Die Zerstreuungslinse liefert stets aufrechte, virtuelle, verkleinerte Bilder.

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Kap.13 Optik 77

Diaprojektor:

KondHohl-spiegel

Kondensor Objektiv

Dia

F'Kond

FObj

F

Gute Ausleuchtung: fObj 2*fKond

Overheadprojektor

Für den Kondensor verendet man eine Fresnellinse.

13.6 Optische Instrumente

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Kap.13 Optik 78

13.6.2 Das MikroskopAufbau:

G

Breell

Objektiv (+L) Okular (+L)

FObj

F'Obj FOk

F'Ok

Bvirtuell

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.

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Kap.13 Optik 79

13.6.3 Das astronomische Fernrohr (Keplersches Fernrohr)

Aufbau:

Objektiv (+L) Okular (+L)

FObj

F' Obj

= FOk

F'Ok

Brennebene

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.

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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.

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Kap.13 Optik 81

13.7 Licht und Farbe

Versuchsaufbau:

SpaltKondensor

Lichtq.

Abbildungslinse

Prisma

Schirm+50 +100

Kreisbl.

Position 2

Position 1

13.7.1 Spektren

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Kap.13 Optik 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?

Em

issi

ons

spe

ktru

m

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Kap.13 Optik 83

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?

Wiedervereinigung6. 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:

SpaltKondensor

Lichtq.

Abbildungslinse

Prisma

Schirm+50 +100

Kreisbl.

Position 2

Position 1

Komplementärfarben

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Kap.13 Optik 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 Glas:Grünes Glas:Pink-Folie:

Das so erzeugte Spektrum heißt Absorptionsspektrum.

Absorptionsspektrum

SpaltKondensor

Lichtq.

Abbildungslinse

Prisma

Schirm+50 +100

Kreisbl.

Position 2

Position 1

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Kap.13 Optik 85

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Kap.13 Optik 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.

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Kap.13 Optik 87

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?

Wiedervereinigung6. 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:

SpaltKondensor

Lichtq.

Abbildungslinse

Prisma

Schirm+50 +100

Kreisbl.

Position 2

Position 1

Komplementärfarben

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Kap.13 Optik 88

Kontinuierliches Spektrum

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Kap.13 Optik 89

Linienspektrum

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Kap.13 Optik 90

Absorptionsspektrum

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Sonnenspektrum

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Kap.13 Optik 92

13.7.2 Farbmischung

13.7.2.1 Additive Farbmischung

Additive Grundfarben Grundlichter: Rot Grün BlauDurch entsprechende Wahl der Intensität lässt sich jede Farbe damit herstellen.

Anwendung: Farbfernsehen

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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 durchBlaugrün lässt kein Rot durch Gelb lässt kein Blau durch

Komplementärfarben

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Kap.13 Optik 94

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Kap.13 Optik 95

Abnahme Beleuchtungsstärke