Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2009/2010 - Physik 6c

Optik

• Erstes Erkunden der Schülerübungskästen zum Thema Optik:
  
  Aus der Lampe tritt das Licht so aus, dass der vom Licht beleuchtete Bereich auf dem Papier bei Entfernung von der Lampe immer breiter wird.
  Wir sehen, dass das Licht anscheinend geradlinig ausbreitet, und können deshalb voraussagen, wo im Innern des Lampengehäuses sich die Glühlampe befindet.

• Wir haben neulich über den Asteroiden Apophis gesprochen, der in nächster Zeit der Erde nahe kommt.
  Hier der heutige Artikel von Astronews zu diesem Thema.

• Zum Thema Sehen und Auge hier einige sehr gute Links: 1 , 2 , 3 , 4 , 5
• Den Versuch vom letzten Mal haben wir erweitert:
• In den Strahlengang wird ein Gegenstand gesetzt: Hinter den Gegenstand kommt kein Licht, dort ist Schatten.
• Wird der Gegenstand von 2 Lichtquellen angestrahlt, so gibt es Stellen, die von keiner, von einer oder von zwei Lichtquellen bestrahlt werden.
  
  Rechts hinter dem Gegenstand mit quadratischer Grundfläche ist ein Dreieck ganz dunkel. Dort kommt kein Licht hin. Das ist der Kernschatten.
  Vom Gegenstand gehen 2 schräge dunkle Streifen nach rechts. Dirthin kommt nur das Licht einer Lichtquelle. Das ist der Halbschatten.
  Auch nach links gehen vom Gegenstand Streifen aus, die etwas aufgehellt sind. Das kommt daher, dass der Gegenstand auf der linken Seite einen Spiegel hat, der das Licht wieder zurückwirft. Auf die hellen Stellen kommt also insgesamt Licht wie von 3 oder sogar 4 Lichtquellen.
  Hier ein Java-Applet und ein GeoGebra-Arbeitsblatt zur Simulation des Schattenwurfs bei einer oder zwei Lichtquellen.
• Den Schatten kann man auch konstruieren, wenn man von der (punktförmigen) Lichtquelle aus die Randstrahlen an dem Gegenstand entlang zeichnet:
  
  Der rote Gegenstand G wirft einen Kernschatten (ganz schwaz) und 2 Halbschatten (grau).
  Rechts zwischen den Halbschatten-Bereichen wird der Bereich durch beide Lampen angestrahlt!

• Schatten und Halbschatten
• Schatten nennt man den Bereich, in den kein Licht von einer Lichtquelle gelangt.
• Eine einzelne punktförmige Lichtquelle formt einen scharf abgegrenzten Schatten.
• Bei zwei punktförmigen Lichtquellen kann man Halbschatten und Kernschatten beobachten.
• Je mehr Lichtquellen vorhanden sind, desto undeutlicher wird der Schatten.
  Eine moderne Schreibtischlampe mit 48 nebeneinander liegenden Leuchtdioden erzeugt z.B. folgendes Schattenbild:
  
• Schatten im Weltraum
• Abends kann man häufig die Internationale Raumstation am Himmel fliegen sehen.
  Ein sehr heller Lichtpunkt fliegt geradlinig von Westen nach Osten.
  Je nach Sonnenstand verschwindet der Leuchtpunkt aber, wenn er etwa über uns oder im Süden steht.
  Der Grund: Die Raumstation taucht in den Erdschatten ein und refelktiert das Sonnenlicht nicht mehr.
  Internetadresse mit den Zeiten, zu denen man die Raumstation sehen kann.
• Die Sonne bescheint immer nur eine Seite des Mondes. Die andere Seite bleibt dunkel.
  Ob wir den Mond als Vollmond, Halbmond oder Neumond sehen, hängt davon ab, von welcher Seite wir ihn sehen.
  Mond bei "Halbmond":
• Eine Mondfinsternis ereignet sich, wenn der Mond in den Kernschatten der Erde eintritt.
  Die Erde steht dabei zwischen Sonne und Mond.

• Noch ein Link zu dem neulich angesprochenen Thema "Gefahr durch Asteroiden/Meteoriten/Sternschnuppen":
  Hier der heutige Artikel von Astronews zu diesem Thema.

• Mondfinsternis
  Die Erde steht zwischen Sonne und Mond.
  Der Erdschatten verdunkelt dabei den Mond.
  
  Ganz dunkel wird der Mond nicht, da das Sonnenlicht durch die Luftschicht der Erde etwas um die Erde herum geleitet wird und dann z.T. noch auf den Mond scheint.
  Der Mond erscheint dabei rötlich, weil das Sonnenlicht einen weiten Weg durch die Luftschicht zurücklegt und dabei das blaue Licht in alle Richtungen gestreut wird und nur das rote Licht übrig bleibt.
  Da die Bahn des Mondes um die Erde etwas geneigt ist, gibt es nicht jeden Monat eine Mondfinsternis, weil der Schatten der Erde meistens den Mond nicht trifft.
  
  Eine Mondfinsternis kann man von jeder Stelle der Erde aus sehen, von der man den Mond sehen kann, da der Mond tatsächlich verdunkelt wird.
• Sonnenfinsternis
  Der Mond steht zwischen Sonne und Erde.
  Der Mond wirft einen Schatten auf die Erde. Vom Schatten aus kann man die Sonne nicht sehen. Sie verdunkelt sich.
  
  Da die Bahn des Mondes um die Erde etwas geneigt ist, gibt es nicht jeden Monat eine Sonnenfinsternis, weil der Schatten des Mondes meistens die Erde nicht trifft.
  Eine Sonnenfinsternis kann man nur von der Stelle der Erde aus sehen, auf die der Schatten des Mondes fällt.
• Lochkamera
  Das Licht eines Baumes fällt durch ein kleines Loch in einen dunklen Kasten und erzeugt dabei an der Rückseite des Kastens ein Bild des Baumes, das auf dem Kopf steht.
  
  Baut zu Hause selbst eine Lochkamera aus einer Konservendose, Butterbrotpapier und einer Pappröhre.
  Achtung: Macht das Loch in der Konservendose nicht zu groß!

• Wiederholung zur Klassenarbeit
• Zur weiteren Untersuchung der Lochkamera habt Ihr Zeichnungen wie die folgende erstellt:
  
  Links ein Gegenstand, in der Mitte die Blende der Lochkamera, rechts der Schirm der Lochkamera.
  Die Werte von G=Gegenstand, g=Gegenstandsweite, b=Bildweite und B=Bild habt Ihr ausgemessen.
  Hausaufgabe: Sucht eine mathematische Gleichung, in der die 4 Werte vorkommen.

• Klassenarbeit 1

• Die Auswertung Eurer Messungen (siehe 2009-11-12) ergab folgende Tabelle:
  
• Wir haben aus der Zeichnung abgelesen:
• je größer die Bildweite b, desto größer die Bildgröße B (wenn g und G unverändert bleiben)
• je größer die Gegenstandsweite g, desto größer die Gegenstandsgröße G (wenn b und B unverändert bleiben)
• je größer die Bildweite b, desto größer die Gegenstandsweite g (wenn B und G unverändert bleiben)
• ....
• Aus der Tabelle ergibt sich . Man kann also eine der vier Größen ausrechnen, wenn die anderen 3 Größen bekannt sind.
  
• Beim Versuch mit dem Spiegel ergab sich: Alle Personen, die man im Spiegel sehen kann, sehen einen selbst auch.
• Zur Untersuchung der Gesetzmäßigkeiten an einem Spiegel habt Ihr folgenden Versuch durchgeführt:
  In eine weiche Platte werden Stecknadeln so gesteckt, dass man sie in einer Reihe sieht, wenn man über sie hinweg peilt.
  Steht ein Spiegel auf der Platte, müssen die Stecknadeln nicht in einer geraden Linie stecken, sondern sie können in Form eines V gesteckt werden:
     
  Verbindet man die Nadeln durch Strecken, so zeigt sich der V-förmige Verlauf. Die Spitze befindet sich auf der Spiegelfläche:
  

• In der letzten Stunde war im Nadelversuch schon zu erkennen, wie ein Lichtbündel an einem Spiegel reflektiert wird.
  Nun sollte eine genaue Messung zeigen, ob die Vermutungen zum Strahlverlauf stimmen.
   
  Messwerte (einer Gruppe) und Graph:
  
  Die Auswertung ergibt (fast) eine Ursprungsgerade. In guter Näherung gilt α=β.
  Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Ausfallswinkel.
  Erläuterung: Zur Winkelmessung wird zunächst an der Stelle, an der das Licht auf den Spiegel trifft, eine Senkrechte zum Spiegel (das Einfallslot) gezeichnet.
  Die Winkel misst man dann zwischen einfallendem Lichtstrahl und Einfallslot (α) und dem reflektierten Lichtstrahl und dem Einfallslot (β).

• Besprechung der Hausaufgabe zu "Dieb und Polizei": Kann der Polizist den Dieb in der Schaufensterscheibe sehen?
  Hier zur Erinnerung die Tafelskizzen:
   
  Um das Gesichtsfeld des Polizisten festzustellen, konstruiert man die Lichtwege vom Polizisten zu den Seiten des Spiegels und die entsprechenden reflektierten Strahlverläufe.
  Um zu sehen, wo der Polizist den Dieb im Spiegel sieht, wird der Polizist an der Schaugensterfrent "gespiegelt" zu P'. Die Verbindung von P' zu D schneidet die Schaufensterscheibe im gesuchten Punkt.
• Den Kerzentrick (die Kerze vor einer Glasscheibe brennt, die Kerze hinter der Glasscheibe scheint auch zu brennen) habt Ihr schnell durchschaut.
  
  Hier noch einmal die Konstruktion, die zeigt, dass jeder im Raum den gleichen Eindruck von der scheinbar brennenden Kerze hat.
  
• Die Experimente mit 2 Spiegeln habe Euch gezeigt, wie man leicht Mehrfachspiegelungen erzeugen kann:
  
• Hausaufgabe: Wie groß muss ein Spiegel sein, damit man sich ganz darin sehen kann?

• Besprechung und Rückgabe der Klassenarbeit 1  [  Aufgaben | Lösungen ]
• Lösung der Hausaufgabe: Der Spiegel muss halb so groß sein wie man selbst, damit man sich vollständig darin sehen kann.
  Schaut Euch zur Lösung dieses GeoGebra-Arbeitsblatt an:
  
• In einem Doppelspiegel, dessen Spiegelhälften im Winkel von 90° zueinander stehen, sieht man sich in dem Bereich, in dem sich beide Spiegel berühren, so, wie auch andere Personen einen sehen, also nicht seitenverkehrt. Ganz gleich, ob man vor dem Spiegl oder etwas seitlicher steht, immer sieht man sich in der Mitte.
  Siehe auch das GeoGebra-Arbeitsblatt zum Doppelspiegel:
  

• 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.
• In mehreren Gruppen habt Ihr Euch mit folgenden Aufgaben befasst:
• Wie verändert sich die Richtung eines Lichtstrahls an der Grenzfläche zwischen Luft und Glas?
• Fällt ein Lichtstrahl schräg auf die Grenzfläche eines Glasklotzes, dessen beiden gegenüberliegende Seiten parallel sind, so kann man eine besonderer Gesetzmäßigkeit entdecken. 
• Bei einem gegebenen Versuchsaufbau sollen für verschiedene Winkel (0° bis 80° in 5°-Schritten) der Einfallswinkel (Licht in Luft) und der Ausfallswinkel (Licht in Glas) gemessen werden.
  Die Ergebnisse sollen in einem Koordinatensystem dargestellt werden.
• Bilder der Versuche:
   
• Hausaufgabe: Versuchsauswertung

• Auswertung des Versuchs zur Brechung des Lichts an der Grenzschicht von Luft zu Glas
• 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:
  
  Hausaufgabe: Zeichnet einen Graph für Eure Messwerte. Was geschieht mit dem Lichtstrahl, wenn der Einfallswinkel zu groß wird?

• 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.

• Abschlussgespräch zum Thema "Brechung des Lichts":
• Ein Taucher (oder auch ein Fisch) sieht, wenn er nach oben sieht, die ganze Außenwelt über dem Wasser in einem kreisrunden Ausschnitt.
  In diesem Ausschnitt sind die Gegenstände, die seitlich liegen, mehr zusammen gerückt als die gegenstände, die genau über dem Taucher hängen.
  Eine Vorstellung, wie die Außenwelt erscheint, geben Fotos, die mit einer Fischaugenoptik aufgenommen wurden.
  Hausaufgabe: Im Internet nach solchen Fischaugenoptik-Bildern suchen. (Hier ein Beispiel)
• Zum Thema Fata Morgana hier einige Links: Wikipedia , Leifi-Physik , Kindernetz , Physik für die Kaffeepause
• 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:
  
  Warum man diese Eigenschaft benutzen kann, um ein Bild zu erzeugen, werden wir in der nächsten Stunde im Versuch erkunden.

• Besprechung der Hausaufgabe:
  Ihr habt schöne Fotos gefunden. Dieses Foto passt sehr gut in den Unterricht, weil es zeigt, dass man unter Wasser die Außenwelt nur in einem kleinen Kreis über sich sieht. Seitlich davon findet Totalreflexion statt und man sieht nur gespiegeltes Wasser. 
• 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.
• In der nächsten Stunde werden wir sehen, dass man noch leicht einen dritten Strahl konstruieren kann, der auch durch diesen Punkt geht.

• Parallel auf eine Sammellinse fallendes Licht wird hinter der Linde im Brennpunkt gesammelt.
  Diese Gesetzmäßigkeit haben wir sehr eindrucksvoll erkannt: Mit einer Sammellinse fokussiertes Sonnenlicht kann Papier entzünden.
  Bitte den Versuch niemals allein zu Hause durchführen! Nur im Beisein von Erwachsenen und weit entfernt von leicht brennbaren Materialien (Stroh, Reetdach, Gardinen, ...) probieren!
  
• Die Zeichnung zur Abbildung mit Hilfe einer Linse aus der letzten Stunde haben wir mit dem 2. Brennpunktsstrahl abgeschlossen.
  Mit Hilfe von GeoGebra haben wir erkundet, welche Gesetzmäßigkeiten bei der Abbildung mit einer Linse gelten.
  Schaut Euch dazu bitte das GeoGebra-Arbeitsblatt an:
  

• Befindet sich der Gegenstand zwischen Brennpunkt und Linse auf der linken Seite der Linse, so laufen auf der rechten Seite die Strahlen auseinander: Es gibt kein reelles Bild.
• Verlängert und ergänzt man aber die vorhandenen Lichtwege, so ergibt sich auf der linken Seite ein Schnittpunkt, von dem für einen Beobachter auf der rechten Seite der Linse das Licht des Gegenstandes zu kommen scheint. Man sieht einen vergrößerten Gegenstand, obwohl an der beobachteten Stelle gar kein Gegenstand ist und auch von dort das Licht nicht kommt. Man nennt deshalb dieses Bild ein virtuelles Bild.
  Mit dem GeoGebra-Arbeitsblatt kann man experimentell herausfinden, wie die Größe des virtuellen Bildes von der Entfernung Gegenstand-Linse abhängt.
  
  
• In einem quaderförmigen Behälter befindet sich eine Hohllinse. Sowohl die Lins als auch den Behälter kann man mit Wasser befüllen.
  
• Behälter und Linse sind leer: Das Licht geht geradlinig durch Behälter und Linse hindurch.
  
  
• Die Linse wird mit Wasser gefüllt. Dadurch wirkt sie als Sammellinse.
  
  
• Der Behälter wird mit Wasser gefüllt, die Linse wird entleert.
  In der Linse ist also der optisch dünnere Stoff.
  Dadurch wirkt die Linse als Zerstreuungslinse.
  
  
• Der Behälter ist gefüllt. Die Linse wird zur Hälfte gefüllt.
  Dadurch wird die Linse im unteren Bereich geradlinig vom Licht durchsetzt.
  Oben wirkt der leere Teil der Linse weiter als Zerstreuungslinse.
  

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