Grundwissen für Schüler

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Grundwissen Physik Klasse 9

 

Unterrichtseinheit Optik

 

Inhalt:

Was man als Neuntklässler wissen sollte.

  • Lichtquellen
  • Lichtempfänger
  • Beleuchtete Körper
  • Lochkamera
  • Reflexion
  • Brechung

 

Optik

Aufgabe / Lösung

Was ist Optik?
  • Untersuchung opt. Geräte: Kamera, Auge, Fernrohr, Brille,...
  • Untersuchung optischer Erscheinungen: Regenbogen, Finsternisse, Blitz,...

 

Was ist Licht?

Licht breitet sich allseitig von der Lichtquelle aus. Trifft es auf einen Körper, so wird es i.a. an ihm gestreut und kann dann in unser Auge fallen. Einen Körper sehen heißt, dass Licht von ihm in unser Auge fällt.

 

Beispiele für Lichtquellen

Selbstleuchtende Lichtquellen

Beleuchtete Lichtquellen

Natürliche Lichtquellen:
Sonne, Blitz, Feuer, Fixsterne, Lava,
Glühwürmchen, Phosphor

Künstliche Lichtquellen:
Kerze, Blitzgerät, Leuchtstoffröhre, Laser
Häuser, Bäume, Menschen, Mond, Planeten

Beispiele für Lichtempfänger

Auge —> elektrische Impulse —> elektrische Energie
Belichtungsmesser —> Zeigerausschlag —> mechanische Energie
Chip im Digitalfotoapparat —> Schwärzung —> elektrische Energie
Film im Fotoapparat —> Schwärzung —> chemische Energie

Lichtquellen senden Energie aus. Dies führt zur Erwärmung der beleuchteten Körper und in den Lichtempfängern zu besonderen Energieumwandlungen. 

Versuch

Punktförmige Lichtquelle

Bei dem Versuch möchte man eine punktförmige Lichtquelle näher betrachten.

Beobachtung

 Lichtstrahl

Ergebnis

Randstrahlen

 

Randstrahlen


Licht bildet ein Bündel, das von der Quelle ausgeht und geradlinig begrenzt ist.

Staub im Lichtbereich: Lichtbündel wird räumlich sichtbar.

Enge Blende: Bündel wird sehr schmal.
enge Blende

Aufgabe / Lösung

Was ist ein Lichtstrahl?
  • Sehr enge Bündel werden als Lichtstrahl bezeichnet.
  • Man zeichnet diesen als Gerade.
  • Lichtbündel stellen wir uns aus Lichtstrahlen zusammengesetzt vor.
  • Dies sind Modelvorstellungen!

 
Die Lochkamera

Versuch

Nachbau einer Lochkamera

Was sieht man?

 

Aufbau

Dunkler Raum, Loch im Vorhang, davor Transparentschirm.

Beobachtung

Ergebnis

Bild der Gegenstände vor dem Fenster = optische Abbildung. Es ist umkehrbar und seitenverkehrt, außerdem ist das Bild unscharf und farbig. Wenn sich die Bildweite b verändert, verändert sich auch die Bildgröße B.

Versuch

Lochkamera

Was kann man feststellen?

 

Beobachtung

G [cm]

B [cm]

A = B/G

g [cm]

b [cm]

b/g

20
20
20
20
20

20
40
30
20
40

1
2
1,5
1
2

20
10
30
30
20

20
20
45
30
40

1
2
1,5
1
2

Ergebnis

Die Lochkamera ordnet jedem lichtaussendenden Punkt des Gegenstandes einen Lichtfleck auf dem Schirm zu.
Das Verhältnis von Bildgröße zu Gegenstandsgröße ist dasselbe wie das von Bildweite zu Gegenstandsweite: B/G = b/g

Das Verhältnis von Bildgröße B zu Gegenstandsgröße G nennt man den
Abbildungsmaßstab A: A = B/G
Ist A = 1, so ist B = G; ist A > 1, so ist B > G; ist A < 1, so ist B< G.

Formel

Abbildungsgesetz

B/G = b/g

Damit kann man jeden fehlenden Wert der Formel berechnen, sofern die drei anderen Werte bekannt sind:
B = b • G/g ;   G = B • g/b ;   b = B • g/G ;   g = b • G/B

 
Reflexion am ebenen Spiegel

Aufgabe / Lösung

Wenn man einen Versuch macht und Licht auf verschiedene Oberflächen strahlen lässt, dann erscheint der Spiegel als schwarzes Loch. Wo ist das Licht?
Es gibt nichts Schwärzeres als einen beleuchteten Spiegel, dessen reflektiertes Licht nicht in unser Auge fällt.

Versuch

Schmales Lichtbündel auf Spiegel

Bei diesem Versuch kann man das Verhalten des Reflexionswinkels zum Einfallswinkel beobachten.

Beobachtung

Ergebnis

Einfallender und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene.
Einfallswinkel  und Reflexionswinkel ’  sind gleich.

Formel

Reflexionsgesetz

 =

Versuch

Hartlsche Scheibe mit Winkeleinteilung

Bei diesem Versuch kann man das Verhalten des Reflexionswinkels zum Drehwinkel des Spiegels beobachten.

Beobachtung

Ergebnis

Bei Drehung des Spiegels um den Winkel  und bei fester Richtung des einfallenden Strahls ändert sich der Winkel zwischen Einfallstrahl und Reflexionsstrahl um 2 • .

Versuch

Virtuelles Bild

Man benötigt eine Glasplatte und davor wird eine brennende Kerze gestellt. Beobachte das Spiegelbild der Kerze aus verschiedenen Richtungen.

Beobachtung


Es wird noch eine Kerze hinter der Glasplatte abgebildet.

Ergebnis

Wir "sehen" den Gegenstand immer in gerader Verlängerung unserer Blickrichtung. Wir sehen ein virtuelles (scheinbares) Bild.

Konstruktion des wahren Lichtweges:
Der "gesehene Gegenstand scheint genauso weit hinter dem Spiegel zu stehen wie der reelle Gegenstand vor dem Spiegel.

Vergleich

reelles Bild

virtuelles Bild

Aus allen Richtungen beobachtbar.
Auf Schirm projezierbar.
Auf Fotopapier fixierbar.
Nur vor Spiegel beobachtbar.
Nicht auf Schirm auffangbar.
Nicht auf Fotopapier fixierbar.

 
Brechung

Versuch

Hartlsche Scheibe mit planparalleler Glasscheibe

 

Beobachtung

Einfallswinkel

Brechungswinkel

Einfallslot

Ablenkung  = 

Ergebnis

Brechung tritt auf, wenn ein Lichtstrahl schräg (also mit einem Winkel zum Einfallslot) auf eine Grenzfläche zwischen einem optisch dichteren und einem optisch dünneren Medium trifft, wobei im optisch dichteren Medium stets der kleinere Winkel ist.

Der Lichtweg ist umkehrbar, wenn man das Licht in umgekehrte Richtung durch die Glasplatte schickt

Merke

Winkel werden immer zwischen Lichtstrahl und dem Lot auf der Oberfläche gemessen!


Versuch

Hartlsche Scheibe mit Glas-Halbzylinder (Vorteil: nur einmalige Brechung)

 

Beobachtung

Ergebnis

 

Für Winkel bis ca. 30° ist das Verhältnis  /  konstant. Die Konstante hängt vom Stoffpaar ab, das die Grenzfläche bildet und heißt Brechzahl n. Dies nennt man das Brechungsgesetz.

Beispiele

 
Brechung am Prisma

Ein Lichtstrahl, der durch ein Prisma geht, wird aus seiner Richtung abgelenkt und zwar immer nach dem breiten Ende des Prismas hin.
Die Ablenkung durch das Prisma ist umso größer, je stumpfer der Keilwinkel ist.

 
Brechung an planparalleler Platte

An einer planparallelen Platte erfolgt eine zweimalige Brechung. Die Richtung des Lichtstrahls bleibt erhalten, es kommt nur zu einer Parallelverschiebung d.

 
Totalreflexion

Versuch

Licht von Glas an Grenzfläche von Luft leiten

Statt von Luft in Glas leiten wir das Licht von Glas an die Grenzfläche zur Luft. Dabei sind alle Winkel von 0° bist 90° möglich.

Beobachtung

 

Grenzwinkel 42°

Lichtweg ist umkehrbar

Totalreflexion

Totalreflexion

Ergebnis

Sobald beim Übergang vom optisch dichteren Medium (z.B. Glas) zum optisch dünneren Medium (z.B. Luft) der Einfallswinkel größer als ein Grenzwinkel ist (hier: 42°), wird das Licht an der Grenzfläche total reflektiert gemäß dem Reflexionsgesetz. Man nennt die eine Totalreflexion.

Beispiele für Totalreflexion


     
 

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