Grundkurs IIIa für Studierende der Physik, Wirtschaftsphysik und Physik Lehramt

Transkript

1 Grundkurs IIIa für Studierende der Physik, Wirtschaftsphysik und Physik Lehramt Othmar Marti Experimentelle Physik Universität Ulm Vorlesung nach Hecht, Perez, Tipler, Gerthsen Skript: Übungsblätter und Lösungen: http.//wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/gk3a-2003/ueb/ue# 12. Mai 2003 Universität Ulm, Experimentelle Physik

2 Ebener Spiegel Ebener Spiegel Universität Ulm, Experimentelle Physik 1

3 Sphärische Spiegel Gekrümmter Spiegel Universität Ulm, Experimentelle Physik 2

4 Aberration Sphärische Aberration Universität Ulm, Experimentelle Physik 3

5 Konvexspiegel Konvexspiegel Universität Ulm, Experimentelle Physik 4

6 Bildentstehung beim Konkavspiegel Universität Ulm, Experimentelle Physik 5

7 Abbildungsmassstab Universität Ulm, Experimentelle Physik 6

8 Vereinfachung der Konstruktion Universität Ulm, Experimentelle Physik 7

9 Vorzeichenkonventionen für die Abbildung g + Gegenstand vor dem Spiegel (reeller Gegenstand) - Gegenstand hinter dem Spiegel (virtueller Gegenstand) b + Bild vor dem Spiegel (reelles Bild) - Bild hinter dem Spiegel (virtuelles Bild) r,f + Krümmungsmittelpunkt vor dem Spiegel (Konkavspiegel) - Krümmungsmittelpunkt hinter dem Spiegel (Konvexspiegel) Universität Ulm, Experimentelle Physik 8

10 Konvexspiegel Abbildung bei einem konvexen Spiegel Universität Ulm, Experimentelle Physik 9

11 Sphärische Aberration Wie bei Konkavspiegeln werden nicht achsennahe parallele Strahlen nicht auf einen Punkt fokussiert. Die sphärische Aberration entsteht bei kugelförmigen Spiegeln oder bei Linsen mit kugelförmigen Oberflächen. Parabelförmige Oberflächen würden für achsenparallele Strahlen keine sphärische Aberration zeigen. Die von einem Punkt ausgehenden Strahlen formen eine Kaustik. Deshalb sind Fotografien, die mit kleinen Blendenöffnungen aufgenommen werden, schärfer abgebildet. Wird die Blendenöffnung zu fest geschlossen, verschmieren Beugungseffekte die Abbildung. Optimal sind Blenden zwischen 8 und 11. Universität Ulm, Experimentelle Physik 10

12 Chromatische Aberration Durch die chromatische Dispersion werden verschiedene Farben unterschiedlich stark gebrochen. Blaues Licht wird stärker gebrochen als rotes, also ist die Brennweite für rotes Licht länger als für blaues. Die Abbildung zeigt oben den Strahlengang und in der Mitte die Farbzusammensetzung des Fokus. Unten ist die Verschiebung des Fokus als Funktion der Farbe angegeben. Berechnet worden sind die Darstellungen mit Winlens 4.2. Universität Ulm, Experimentelle Physik 11

13 Universität Ulm, Experimentelle Physik 12

14 Universität Ulm, Experimentelle Physik 13

15 Universität Ulm, Experimentelle Physik 14

16 Astigmatismus schiefer Bündel Schiefe parallele Bündel von Licht werden auf einen Punkt fokussiert, dessen Abstand von der Linsenhauptebene umso grösser wird, je schiefer der Einfallswinkel ist. Deshalb sind Fotografien am Rand weniger scharf als im Zentrum. Universität Ulm, Experimentelle Physik 15

17 Das Auge Das Auge. Links oben eine Gesamtansicht eines Augenmodells. Rechts ein Schnitt durch das Auge mit der Iris links, dann der Linse und dem Glaskörper. Links unten eine Detailansicht der Linse. Universität Ulm, Experimentelle Physik 16

18 Weitsichtigkeit und Kurzsichtigkeit Weitsichtiges Auge: Links ohne Brille, rechts mit Korrektur Kurzsichtiges Auge: Links ohne Brille, rechts mit Korrektur Universität Ulm, Experimentelle Physik 17

19 Lupe Wirkungsweise einer Lupe Universität Ulm, Experimentelle Physik 18

20 Definition der Vergrösserung Allgemein: V ergrösserung = Sehwinkel mit Instrument Sehwinkel im Abstand des N ahpunktes ohne Instrument (1) Universität Ulm, Experimentelle Physik 19

21 Kamera Schematische Skizze einer Spiegelreflexkamera Universität Ulm, Experimentelle Physik 20

22 Distanz 20mm 50mm 100mm 200mm 1000mm 100m mm mm 100.1mm 200.4mm mm Verschiebung 0.004mm 0.025mm 0.1mm 0.4mm 10.1mm 30m mm 50.08mm 100.3mm 201.3mm mm Verschiebung 0.013mm 0.08mm 0.3mm 1.3mm 34.4mm 10m 20.04mm 50.25mm 101mm 204.1mm 1111mm Verschiebung 0.04mm 0.25mm 1mm 4.1mm 111mm 3m 20.13mm 50.85mm 103.4mm 214mm 1500mm Verschiebung 0.13mm 0.85mm 3.4mm 14mm 500mm 1m 20.4mm 52.6mm 111mm 250mm - Verschiebung 0.4mm 2.6mm 11mm 50mm - 0.3m 21.4mm 60mm 150mm 600mm - Verschiebung 1.4mm 10mm 15mm 400mm - 0.1m 25mm 100mm Verschiebung 5mm 50mm m 60mm Verschiebung 50mm Universität Ulm, Experimentelle Physik 21

23 Mikroskop Ein reelles Bild ist nur mit der Linse des Auges zusammen erreichbar. In vielen Lehrbüchern findet man Zeichnungen, in denen die Lichtstrahlen beim Zwischenbild ihre Richtung ändern. Dies ist in Luft nicht möglich, und Streukörper gibt es in einem Mikroskoptubus nicht. Zur Konstruktion des Bildes ist diese Vorgehensweise jedoch gestattet. Universität Ulm, Experimentelle Physik 22

24 Das Teleskop Das Teleskop Universität Ulm, Experimentelle Physik 23

25 Spiegelteleskop Das Spiegelteleskop Universität Ulm, Experimentelle Physik 24

26 Hubble 1 Links: Eine Hubble-Aufnahme, die den Blasen-Nebel NGC 7635 zeigt. Rechts: Der so genannte Ämeisen-NebelMenzel 3. Die Sternengruppe erhielt ihren Namen aufgrund der Ähnlichkeit zu Kopf und Brustkorb der gemeinen Gartenameise. Universität Ulm, Experimentelle Physik 25

27 Hubble 2 Links: Zwei Galaxien tauschen Materie aus, sichtbar als dunkles Band in der Mitte. Rechts: Gigantische Gasgebilde, die einen verglühenden Stern umkreisen. Universität Ulm, Experimentelle Physik 26

28 Hubble 3 Links: Hubble-Aufnahme vom Sternbild Aquila. Rechts: Der Schlüsselloch- Nebel, rund Lichtjahre von der Erde entfernt, ist Teil des Carina-Nebels. Der Carina-Nebel enthält Sterne, die zu den heißesten und größten bekannten Sternen gehören. Der Schlüsselloch-Nebel, rund Lichtjahre von der Erde entfernt, ist Teil des Carina-Nebels. Der Carina-Nebel enthält Sterne, die zu den heißesten und größten bekannten Sternen gehören. Universität Ulm, Experimentelle Physik 27

29 Prisma Links: Strahlengang durch ein Prisma. Rechts: Dispersion einiger Materialien Universität Ulm, Experimentelle Physik 28

30 Federmodell für die Dispersion nach Känzig. Universität Ulm, Experimentelle Physik 29

31 Dispersionsrelation für Federketten mit zwei unterschiedlichen Atomen. Universität Ulm, Experimentelle Physik 30

32 Dispersion einer zweiatomigen Federkette x Universität Ulm, Experimentelle Physik 31

33 Die Gruppengeschwindigkeit v G = dω dk (2) k0 Universität Ulm, Experimentelle Physik 32