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12. Optik

12. Optik. 12.1 Einführung:. Lehre vom Licht. Sie gehört zu den ältesten Gebieten der Physik. Frage nach der Natur des Lichts. ( sehr viele Theorien ). WAS IST LICHT?. Newton. Huygens. ?. Teilchen. Welle. Abnahme Beleuchtungsstärke. Medium 1. Medium 2. Reflexion. Brechung. Spiegel.

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  1. 12. Optik 12.1 Einführung: Lehre vom Licht. Sie gehört zu den ältesten Gebieten der Physik. Frage nach der Natur des Lichts. ( sehr viele Theorien ) Kapitel 12 Optik

  2. WAS IST LICHT? Newton Huygens ? Teilchen Welle Kapitel 12 Optik

  3. Abnahme Beleuchtungsstärke Kapitel 12 Optik

  4. Medium 1 Medium 2 Reflexion Brechung Spiegel Kapitel 12 Optik

  5. E 1 1 2 C B A 2 F Huygenssche Wellentheorie Brechungsgesetz von Snellius Kapitel 12 Optik

  6. James Clerk MAXWELL Feldgleichungen elektromagnetische Wellen Heinrich HERTZ Kapitel 12 Optik

  7.  << d Geometrische Optik   d Wellenoptik Photoeffekt, Comptoneffekt Photonen „Teilchen“ QED QED - Quantenelektrodynamik Kapitel 12 Optik

  8. (Äußerer fotoelektrischer Effekt (=Bestrahlen von Metallen mit Licht löste aus dem Metall Elektronen heraus)). [ Compton konnte zeigen, dass Licht hoher Energie so in Materie gestreut wird, als ob es aus Korpuskeln bestände, die beim Stoß mit den Elektronen der Materie Energie und Impuls gemäß den Erhaltungssätzen austauschen.] Trotzdem ließen sich viele Phänomene nur mit der Wellennatur beschreiben. DUALISMUS Welle - Teilchen → Quantentheorie. Kapitel 12 Optik

  9. 12.2 Geometrische Optik 12.2.1 Reflexion und Brechung: 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: Kapitel 12 Optik

  10. Es ist zu erkennen: α = α‘ Reflexionsgesetz (Vgl.Wellenlehre) Kapitel 12 Optik

  11. Brechungsgesetz 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: Kapitel 12 Optik

  12. Bei diesem Brechungsversuch gelangt der Lichtstrahl vom optisch dünneren ins optisch dichtere Medium. • Aus der Tabelle erkennt man: • Der Brechungswinkel ß ist stets .................. als der Einfallswinkel. • Es findet Brechung ........... Lot statt. • Der Quotient ist für alle Winkel ....................................... • Der Mittelwert für beträgt bei diesem Versuch ................. . Brechungsgesetz Dieser Quotient ist eine für die beiden Medien (Luft, Glas) charakteristische Größe und wird als Brechungsindex bezeichnet. Kapitel 12 Optik

  13. 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 Kapitel 12 Optik

  14. G .... Grenzwinkel der Totalreflexion Ist der Einfallswinkel > G , so wird der gesamte Lichtstrahl reflektiert. Er beträgt bei unserem Versuch etwa ........... Daraus lässt sich die Brechzahl bestimmen: Totalreflexion Überprüfe rechnerisch: sinG = ......... Kapitel 12 Optik

  15. Schülerversuch Lichtbrechung 0 5 25 50 Lampe Linse +100 Linse +50 Kapitel 12 Optik

  16. Schülerversuch Lichtbrechung Kapitel 12 Optik

  17. Schülerversuch Lichtbrechung Übergang dünneres in dichteres Medium Lot Kapitel 12 Optik

  18. Schülerversuch Lichtbrechung Übergang dichteres in dünneres Medium Licht von hier Kapitel 12 Optik

  19. Anwendungen und Beispiele für Totalreflexion Umkehrprisma Ablenkprisma Fata Morgana = Luftspiegelung (Abb. 98.4 Buch Basiswissen 6RG) Lichtfaserleitung: (Abb. 98.5 Buch Basiswissen 6RG) und Versuch. Kapitel 12 Optik

  20. 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). Aufgaben zu Reflexion und Brechung: Basiswissen 6RG S. 97 A1 u. A3 Kapitel 12 Optik

  21. 12.2.2 Optische Linsen Einteilung: Sammellinsen oder Konvexlinsen (in der Mitte dicker als am Rand) Zerstreuungslinsen oder Konkavlinsen (in der Mitte dünner als am Rand) Kapitel 12 Optik

  22. 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. Kapitel 12 Optik

  23. Bildkonstruktion für eine Sammellinse: Parallelstrahl wird zu Brennstrahl gebrochen. Mittelpunktstrahl geht ungebrochen durch b ... Bildweite g ... Gegenstandsweite f ... Brennweite B ... Bildgröße G ... Gegenstandsgröße Kapitel 12 Optik

  24. Herleitung der Linsengleichung: Andererseits ergibt sich aus den ähnlichen Dreiecken: oder : bf = bg - fg Wir dividieren durch bgf Linsengleichung für Sammellinsen Kapitel 12 Optik

  25. 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!) Kapitel 12 Optik

  26. Welche Bilder ergeben sich ? 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. Kapitel 12 Optik

  27. Kapitel 12 Optik

  28. Diaprojektor: Gute Ausleuchtung: fObj 2*fKond Overheadprojektor Für den Kondensor verendet man eine Fresnellinse. Kapitel 12 Optik

  29. 12.3 Spektren Versuchsaufbau: Kapitel 12 Optik

  30. 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 Kapitel 12 Optik

  31. 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? Wiedervereinigung 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 Kapitel 12 Optik

  32. 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. Kapitel 12 Optik

  33. Kapitel 12 Optik

  34. 12.3.1 Einteilung der Spektren nach ihrer Entstehung: Emissionsspektren und Absorptionsspektren Körper, die Licht aussenden liefern ein Emissionsspektrum. Beispiel: Licht einer Glühlampe. Zusatzversuche: Ähnlicher Versuchsaufbau wie vorhin (Lehrerversuch). Als Lichtquelle wird eine Hg-Dampflampe oder eine Heliumlampe verwendet.Ergebnis: Am Schirm sehen wir farbige Linien. (Linienspektrum) Beobachte das Licht einer Leuchtstoffröhre durch ein Spektrometer → Linien des Hg sind zu erkennen. Geht das Licht durch einen Körper (Gas, Flüssigkeit, Farbglas), sieht man im Spektrum dunkle Linien →Absorptionsspektrum Beispiele: Weißes Licht durch KMnO4-Lösung : Nur rote und violette Linien sichtbar. Fraunhofersche Linien beim Beobachten des Sonnenspektrums. Kapitel 12 Optik

  35. 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. Kapitel 12 Optik

  36. SPEKTREN Fraunhofer Kapitel 12 Optik

  37. Kontinuierliches Spektrum Kapitel 12 Optik

  38. Linienspektrum Kapitel 12 Optik

  39. Absorptionsspektrum Kapitel 12 Optik

  40. Sonnenspektrum Kapitel 12 Optik

  41. Genaues Sonnenspektrum Kapitel 12 Optik

  42. Sternspektren Ende Sternspektren OBAFGKM Kapitel 12 Optik

  43. 12.4 Entstehung von Licht Nimmt ein Körper in einem System alle Energiewerte an, nennt man die Energiezustände kontinuierlich. Oft aber sind nur bestimmte diskrete Energiezustände möglich. A1: Gib Beispiele von Systemen aus dem Alltag an, die kontinuierliche Energiezustände annehmen können! A2: Gib Beispiele nicht kontinuierlicher (diskreter) Vorgänge des Alltags an! Lösung: A1: z. B. kinetische Energie (Fußball, ...), Spannungsenergie einer Feder, potentielle Energie A2: Tropfen eines Wasserhahns, Bezahlen in 1€ - Sprüngen Kapitel 12 Optik

  44. Elektron im Atom Grundzustand: ( Zustand geringst- möglicher Energie) Um welches Atom könnte es sich handeln? Vgl. Abb. 26.1 Physik compact 7 Kapitel 12 Optik

  45. Anregung eines Elektrons Absorption Zufuhr von Energie: Stoß, Wärme, Licht, … Kapitel 12 Optik

  46. Emission Energie wird abgegeben in Form von elektromagnetischer Strahlung. E = E2 - E1 Da es sich um diskrete Energieniveaus handelt, erfolgt die Abstrahlung in Form von Lichtquanten (Portionen). Je höher die Energiedifferenz, desto höher die Frequenz. Aus experimentellen Befunden: Die Energie wächst mit der Frequenz. E = h·f Energie eines Lichtquants gilt für alle Atome. Kapitel 12 Optik

  47. Plancksches Wirkungsquantum E = E2–E1 = h·f h=6,63·10–34Js Plancksches Wirkungsquantum Kapitel 12 Optik

  48. E = h·f Energie eines Lichtquants h = 6,6 . 10-34Js (Planksches Wirkungsquantum) (Naturkonstante) Die Energie wird in der Atomphysik meist in ElektronenVolt angegeben. 1 eV = 1,6 . 10-19J e ... Elementarladung (e = 1,6 . 10-19C) Die Dauer eines solchen Energieübergangs ist sehr kurz. ( 10-8s) Diese Zeitdauer legt auch die Länge eines Wellenzuges fest. (Achtung dies ist nicht die Wellenlänge!!!!) Abschätzung der Länge eines Wellenzuges:  10-8s s = v·t s = 3·108·10-8 = 3 m. Kapitel 12 Optik

  49. Die Wellenlängen des sichtbaren Lichts: Beispiel: Frequenzspektrum des Wasserstoffs. Berechne die Wellenlängen einiger Linien des Wasserstoffs! Kapitel 12 Optik

  50. E für H: n= –1,5eV n=3 M –3,4eV n=2 L n=1 K –13,6eV Termschema Beispiel: Frequenzspektrum des Wasserstoffs. Lyman Balmer Paschen Brackett Kapitel 12 Optik

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