Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2010/2011 - Physik 7c

Optik

• Da nicht alle Schülerinnen und Schüler der neu zusammengesetzen 7. Klasse im Bereich Optik auf dem gleichen Stand sind, schieben wir zum Schuljahrsende ein Kapitel Optik ein.
• Beim "Fischestechen" haben wir eine merkwürdige Eigenschaft der Lichtausbreitung kennen gelernt:
   
  Durch ein Rohr peilten wir ein 50g-Massestück im Aquarium an (Foto rechts).
  Dann wurde ein Zeigestock durch das Rohr geführt, der eigentlich das 50g-Massestück hätte treffen müssen.
  Bei jedem Eurer Versuche lag der Zeigestock aber weit oberhalb des Massestückes.
  Der Zeigestock schien an der Wasseroberfläche abgeknickt zu sein (linkes Foto).
  Je nach Standort kann man den Stock und das Massestück mehrmals sehen.
  Grund ist die Brechung des Lichts an der Grenzschicht zwischen zwei unterschiedlichen Stoffen.
  Umfangreiche Materialien zu diesem Effekt findet Ihr bei Leifi-Physik.
• An der Magnettafel haben wir gesehen, dass ein Lichtbündel, das schräg auf einen Glasklotz mit parallelen Wänden fällt, beim Eintritt in das Glas abgelenkt wird und beim Austritt wieder so abgelenkt wird, dass es parallel verschoben weiterläuft (siehe Bild).
   
  
• Bei einem gegebenen Versuchsaufbau sollen mit Schülerübungsmaterial für verschiedene Winkel (0° bis 80° in 5°- oder 10°-Schritten) der Einfallswinkel (Licht in Luft) und der Ausfallswinkel (Licht in Glas) gemessen werden.
  Die Ergebnisse sollen in einem Koordinatensystem dargestellt werden.
  
  Tabelle der Messwerte:
  
  Graph der Messwerte (waagrecht Einfallswinkel α, senkrecht Ausfallswinkel β):
  
  Man sieht, dass die Messpunkte für kleinere Winkel auf einer Geraden liegen, für größere Winkel aber von dieser Gerade nach unten abweichen.
  Die mathematische Funktion, die dahinter steckt, kennen wir noch nicht (es ist die Sinusfunktion). 

• Umkehrversuch zum Versuch der letzten Stunde:
  Das Licht fällt durch die runde Kante in den Glasklotz, so dass es beim Entritt nicht gebrochen wird und wird dann erst beim Austritt in die Luft gebrochen:
  
  Mit Hilfe der beiden Versuche mit dem halbzylindrischen Glaskörper haben wir folgende Gesetzmäßigkeiten erkannt:
• Wird beim Übergang von einem durchsichtigen Material 1 zu einem anderen durchsichtigen Material 2 das Licht zum Einfallslot hin gebrochen,
  so ist das Material 2 optisch dichter als das Material 1.
• Wird beim Übergang von einem durchsichtigen Material 1 zu einem anderen durchsichtigen Material 2 das Licht zum Einfallslot weg gebrochen,
  so ist das Material 2 optisch dünner als das Material 1.
• Beim Übergang vom optisch dichten zum optisch dünnen Material müsste ab einem bestimmten Einfalls-Winkel der Ausfallswinkel größer als 90° sein.
  Das geht nicht. Stattdessen wird das gesamte Licht an der Grenzschicht reflektiert. Man nennt diesen Vorgang Totalreflexion. Animiertes Beispiel.
• In Eurem Physikbuch liegt eine CD, auf der Ihr viele Beispiele für Brechung und Totalreflexion findet.
• Gekrümmte Glaskörper nennt man Linsen.
  Unser Versuch mit einer Sammellinse:
  Zwischen einem Blatt weißen Papiers und einem hellen Fenster befindet sich eine Sammellinse. Bei geeignetem Abstand der Linse vom Papier erscheint auf dem Papier ein Abbild des Bildes, das durch das Fenster in den Raum gelangt.
    
• Um zu verstehen, wie man mit einer Sammellinse ein Bild entstehen lassen kann, haben wir zunächst ein parallel verlaufendes Strahlenbündel auf eine Linse gelenkt und gesehen, dass sich das Licht hinter der Linse in einem Punkt trifft:
  
  
• Wie wird mit einer Linse ein Bild erzeugt?
  Wir haben begonnen, das herauszufinden und haben dabei einige Begriffe kennen gelernt:
  
  Eine gedachte Gerade, die senkrecht zu einer Linse durch die Mitte der Linse verläuft, nennt man optische Achse.
  Lichtstrahlen, die parallel zur optischen Achse auf die Linse fallen, werden so gebrochen, dass sie hinter der Linse (fast) alle durch einen Punkt verlaufen, den Brennpunkt.
  Von einem Gegenstand (hier die Spitze des Pfeils) gehen Lichtstrahlen in alle Richtungen aus. 
• Der Strahl, der parallel zur optischen Achse verläuft, geht hinter der Linse durch den Brennpunkt und dann natürlich auch weiter.
• Der Strahl, der auf die Mitte der Linse trifft, geht ohne Richtungsänderung weiter. In der Linsenmitte ist nämlich die Linse näherungsweise wie ein Glasquader gebaut: mit parallelen Grenzflächen. Wir haben früher gesehen, dass beim Durchgang durch so einen Glasquader das Licht parallel verschoben in die gleiche Richtung weiterläuft. Ist nun die Linse sehr dünn, so kann man die Parallelverschiebung vernachlässigen und einfach von einem durchgehend geradlinigen Verlauf ausgehen.
• Die beiden betrachteten Strahlen treffen sich in einem Punkt, dem Bildpunkt. Auch andere vom Gegenstand ausgehende Strahlen gehen durch diesen Punkt. Wenn sich dort ein Blatt Papier befindet, wird der Gegenstand sehr genau auf dem Papier abgebildet.
• Mit Hilfe von GeoGebra haben wir Strahlengänge konstruiert, mit denen wir in der nächsten Stunde erkunden werden, welche Gesetzmäßigkeiten bei der Abbildung mit einer Linse gelten.
  Schaut Euch dazu bitte das GeoGebra-Arbeitsblatt an:
  

• Schülerversuche mit dem Prisma
• Unter bestimmten Winkeln tritt Licht so in ein dreiseitiges Prisma ein, dass das Licht im Innern an einer Grenzfläche totalreflektiert wird.
  Siehe dazu den Artikel zum Prisma in der Wikipedia.
• Unter anderen Winkeln verlässt das weiße Licht das Prisma wieder und spaltet sich dabei in seine Farbbestandteile auf. Wir sehen das Spektrum.
  Durch Kombinationen mehrerer Linsen und des Prismas habt Ihr die Intensität des Spektrums verstärkt (Bild links) und andere interessante Lichteffekte erzeugt (Bild rechts):
    
• Link zur Mondfinsternis mit dem "roten Mond" und zum Himmelsblau.

• Additive und subtraktive Farbmischung
• Simulationen zur Entstehung eines Regenbogens mit dem Programm Regenbogen.exe
        
• Mit einem Zeichenprogramm kann man sehen, wie Farben auf dem Computerbildschirm zustande kommen.
  Eine 6-stellige Zahl in Hexadezimalzahlen (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A(=10), B(=11), C(=12), D(=13), E(=14), F(=15)) gibt an, welche Intensität die Farben rot, grün und blau beim Mischen haben.
  Die ersten beiden Stellen geben den Rot-Anteil, die nächsten beiden Stellen den Grün-Anteil und die letzten beiden Stellen den Blau-Anteil an.
  FF0000 bedeutet also reines Rot, 00FF00 bedeutet also reines Grün und 0000FF bedeutet also reines Blau.
  Beim Zeichenprogramm Gimp sieht die Farbwahl z.B. so aus: Die rechts eingekreiste Zahl ergibt die links eingekreiste Farbe
  
  
• Hält man Salz in eine Flamme, so wird die Flamme gefärbt. Mit Kochsalz wird die Flamme dann gelb.
  Es ist die Farbe, die man häufig an Straßenkreuzungen mit Natriumdampflampen sieht.