Kontrollaufgaben zur Optik

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1 Kontrollaufgaben zur Optik 1. Wie schnell bewegt sich Licht im Vakuum? 2. Warum hat die Lichtgeschwindigkeit gemäss moderner Physik eine spezielle Bedeutung? 3. Wie nennt man die elektromagnetische Strahlung, die an den a) langwelligen Teil des sichtbaren Bereichs anschliesst? b) kurzwelligen Teil des sichtbaren Bereichs anschliesst? 4. Skizziere einen Schnappschuss von einer Welle. Kennzeichne in dieser Skizze die Wellenlänge der dargestellten Welle. 5. Notiere in untenstehender Tabelle das Symbol für die physikalische Grösse und die für sie verwendete Einheit Grösse Symbol Einheit Wellenlänge Frequenz Lichtgeschwindigkeit 6. Wie verändert sich die a) Frequenz b) Energie von elektromagnetischer Strahlung mit zunehmender Wellenlänge? 7. Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Wellenlänge und der Frequenz von elektromagnetischer Strahlung? 8. Welche Farbe hat das Licht mit den a) längsten b) kürzesten Wellenlängen im sichtbaren Bereich? 9. Wie wird Infrarotstrahlung häufig bezeichnet? 10. Wie bezeichnet man die elektromagnetische Strahlung mit den kürzesten Wellenlängen? 11. Welche elektromagnetische Strahlung ist ionisierend? 12. Warum nennt man ionisierende Strahlung ionisierend? 13. Was ist monochromatisches Licht und welche Methoden gibt es, solches Licht zu erzeugen? 14. Wie nennt man Licht mit vielen verschiedenen Wellenlängen?

2 15. Gibt es monochromatisches weisses Licht? 16. Wie nennt man die Zerlegung von polychromatischem Licht in seine Bestandteile? 17. Wie kann man Licht mit vielen verschiedenen Wellenlängen in seine Farben zerlegen? 18. Welche physiologische Prozesse sind dafür verantwortlich, dass wir die Welt farbig sehen? 19. Wie viele verschiedene Typen von Sinneszellen zur Wahrnehmung von Farben hat es in der Retina und auf welche Farben reagieren sie? 20. Was versteht man unter additiver und subtraktiver Farbmischung? 21. Was versteht man unter dem Begriff Komplementärfarben? 22. Deine Nachbarin trägt einen gelben Pullover. Erkläre wie du im (weissen) Tageslicht die gelbe Farbe des Pullovers wahrnimmst? 23. Skizziere den Farbkreis für additive Farbmischung. 24. Ist schwarz eine Farbe? Wie kommt der Sinneseindruck schwarz zustande? 25. Was ist Fluoreszenz? 26. Was versteht man unter Photometrie und wozu dient sie? 27. Welche Eigenschaften haben Röntgenstrahlen? 28. Wie gross ist die Wellenlänge der Radiowellen eines Radiosenders, der auf 104MHz sendet? 29. Welche medizinische Anwendungen haben UV-Strahlen? 30. Wozu werden optische Filter verwendet? 31. Welches sind die a) additiven Grundfarben? b) subtraktiven Grundfarben? 32. Skizziere ein plausibles Absorptionsspektrum einer Lösung von Chlorophyll in Alkohol. 33. Wie wird auf einem Farbfernseher ein farbiges Bild erzeugt? 34. Wie breitet sich ein Lichtstrahl in einem Medium aus?

3 35. Was kann geschehen, wenn ein Lichtstrahl auf eine Grenzfläche zwischen zwei Ausbreitungsmedien trifft? 36. Warum kann man einen Gegenstand ohne Eigenlicht sehen? 37. Eine Röntgenassistentin verdoppelt bei einer Röntgenaufnahme den Abstand von der Röntgenröhre. Wie vermindert sich dadurch die Strahlungsdosis, der sie ausgesetzt ist? 38. Was ist der Unterschied zwischen Reflexion und Streuung? 39. Wie wird ein Lichtstrahl gebrochen, beim Übergang von a) Luft in Wasser? b) Wasser in Luft? 40. Skizziere den Verlauf eines Lichtstrahls durch eine Glasplatte. 41. Welche Konsequenz hat die Parallelverschiebung beim Durchgang eines Lichtstrahls durch eine Glasplatte bezüglich Messungen im Labor mit einer Glaspipette? 42. Wie ist eine a) konvexe b) konkave Oberfläche geformt? 43. Was kennzeichnet eine a) Sammellinse? b) Zerstreuungslinse 44. Was kennzeichnet den a) Brennpunkt einer Sammellinse? b) virtuellen Brennpunkt einer Zerstreuungslinse? 45. Welche a) Brennweite hat eine Sammellinse mit einer Brechkraft von 1.1dpt? b) Brechkraft hat eine Zerstreuungslinse mit einer Brennweite von -24cm? 46. Was kennzeichnet ein a) reelles Bild? b) virtuelles Bild? 47. Wie ist das Auflösungsvermögen definiert? 48. Wie nennt man den unbewussten Vorgang mit welchen das Auge sich dem Abstand eines Gegenstands anpasst und dadurch ein scharfes Bild erzeugt? 49. Was geschieht bei der Adaption? 50. Durch welche Art von Linsen wird a) Kursichtigkeit korrigiert? b) Weitsichtigkeit korrigiert?

4 51. Ist die Brechkraft eines kurzsichtigen Auges zu klein oder zu gross? 52. Ist bei einer Brille mit Zerstreuungslinsen die Gesamtbrechkraft von Auge und Linse grösser oder kleiner als diejenige des Auges allein? 53. Was ist beim Mikroskop das Zwischenbild? 54. Ein Mikroskop hat drei Objektive mit Vergrösserungen 20, 50 und 100, sowie ein Okular mit sechsfacher Vergrösserung. Wie gross sind die möglichen Gesamtvergrösserungen? 55. Kann man mit einem Lichtmikroskop beliebig stark vergrössern? 56. Was ist ein Ölimmersionsobjektiv und wie funktioniert es? 57. Was ist ein Laser und wofür findet er in der Medizin Verwendung? Musterlösungen: km / s. 2. Gemäss Relativitätstheorie ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum die grösstmögliche Geschwindigkeit mit der sich ein Körper bewegen kann. Die Lichtgeschwindigkeit (c) kommt auch in der Einsteinschen Formel E = m c 2 vor. 3. a) Infrarot. (b) Ultraviolett. 4. Die Wellenlänge ist gleich dem Abstand zwischen benachbarten Wellenbergen, resp. Wellentälern. 5. Grösse Symbol Einheit Wellenlänge Meter [m] Frequenz Hertz [Hz] Lichtgeschwindigkeit c m / s 6. a) Die Frequenz nimmt ab. (b) Die Energie (der Photonen) nimmt ab. 7. Die Frequenz sinkt mit zunehmender Wellenlänge. Genauer: Frequenz und Wellenlänge sind zueinander umgekehrt proportional. = c / f. 8. a) rot. (b) violett. 9. Wärmestrahlung. 10. Gammastrahlung. 11. Röntgen- und Gammastrahlung.

5 12. Die Lichtquanten haben genügend Energie, um von Atomen und Molekülen Elektronen abzutrennen, d.h. sie zu ionisieren. 13. Licht mit nur einer Wellenlänge, resp. Farbe. Zur Herstellung von monochromatischer Strahlung gibt es drei Methoden wie folgt: Methode Farbfilter Wirkung Alle Wellenlängen (Farben) ausser einen werden absorbiert. Glasprisma Auftrennung des Lichts in farbiges Licht mit einem Prisma. Das gewünschte Licht wird mit einer Lochblende herausgefischt. Beugungsgitter Ähnlich wie beim Glasprisma, aber mit einem Beugungsgitter (CD Regenbogenfarben! Eine CD ist ein Beugungsgitter). Ein Beugungsgitter besteht aus äquidistanten Rillen auf einer ebenen Oberfläche. 14. Polychromatisches Licht. 15. Nein. Weisses Licht ist stets polychromatisch! 16. Dispersion (Siehe Skript S. 60!). 17. Siehe zweiter Teil von Antwort zu Frage Ein Teil der Sinneszellen auf der Netzhaut reagieren selektiv auf Farben. Es gibt drei Sorten von Sinneszellen. Man kann sagen, dass sie auf je eine der drei Grundfarben reagieren.

6 19. Drei Typen. Diese reagieren auf je eine der drei Grundfarben. 20. Additiv: Mischung von Licht unterschiedlicher Farben. Eine Mischung gleicher Anteile der drei Grundfarben ergibt weiss. Subtraktiv: Mischung von farbigen Stoffen, z.b. Ölfarben. Eine Mischung gleicher Anteile der drei Grundfarben ergibt schwarz. 21. Eine Paarbeziehung zwischen Farben. Die additive Mischung einer Farbe und ihrer Komplementärfarbe ergibt weiss. Die subtraktive Farbmischung einer Farbe und ihrer Komplementärfarbe ergibt schwarz Das einfallende Licht enthält Licht aller Farben. Davon werden alle absorbiert ausser gelb. Deshalb trifft (vom Pullover her kommend) nur gelbes Licht aufs Auge. 24. Schwarz ist keine Farbe. Es gibt kein schwarzes Licht. 25. Die Fluoreszenz involviert zwei Schritte. Ein Molekül absorbiert zunächst ein energiereiches Lichtquant (Photon), z.b. von UV-Strahlung. Danach emittiert das Molekül ein weniger energiereiches, längerwelliges Lichtquant. E < E 26. Bei der Photometrie wird im Allgemeinen monochromatisches Licht verwendet. Die Menge an monochromatischem Licht, die beim Durchdringen einer Lösung absorbiert wird liefert Rückschlüsse über die Konzentration von Stoffen in der entsprechenden Lösung. Diese Art der Photometrie wird als Transmissionsmessung bezeichnet. Bei der so genannten Reflexionsmessung wird Licht, das von einer Probe reflektiert wird untersucht. Auch daraus kann man Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung und die Konzentration von Stoffen ziehen.

7 Transmissionsmessung: Aus dem Verhältnis I 1 / I o kann man die Konzentration eines Stoffs bestimmen. Reflexionsmessung: Aus dem Verhältnis I 1 / I o kann man die Konzentration eines Stoffs bestimmen. 27. Röntgenstrahlen sind sehr kurzwellig, d.h. sehr energiereich. Sie sind ionisierend und können Stoffe durchdringen. 28. = c / f = [ / ( )] m = 288 cm. 29. Sie dienen der Behandlung von Hautkrankheiten. Weil sie Keime abtöten, werden sie im Labor auch für die Erzeugung von sterilen Arbeitsflächen verwendet. 30. Zur Erzeugung von monochromatischer Strahlung. Sie absorbieren alle Strahlung ausser derjenigen mit der gewünschten Wellenlänge. 31. a) Rot, Grün und Blau. (b) Gelb, Cyan(blau) und Magenta (rot). 32. Grünes Licht wird wenig stark absorbiert. 33. Auf einem Pixel (regelmässiges Sechseck) befinden sich drei Leuchtpunkte mit den additiven Grundfarben rot, grün und blau. Je nachdem wie stark die Leuchtpunkte leuchten entsteht ein anderer Farbeindruck.

8 34. Geradlinig. 35. Der Strahl kann absorbiert, reflektiert oder gebrochen werden. 36. Einen Gegenstand ohne Eigenlicht (z.b. den Mond) kann man nur sehen, wenn Licht auf ihn fällt. Man sieht dann das vom Gegenstand reflektierte Licht. 37. Die Strahlungsdosis ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands. Bei einer Verdoppelung des Abstands wird die Dosis vier Mal kleiner. 38. Wird ein Lichtstrahl reflektiert, so bildet das reflektierte Licht immer noch einen Lichtstrahl. Die Richtung des reflektierten Strahls ergibt sich aus dem Reflexionsgesetz. Bei der Reflexion an matten Oberflächen spricht man von diffuser Reflexion oder Streuung. Die Streuung erfolgt in alle Richtungen. 39. a) Der Strahl wird zum Lot hin gebrochen. b) Der Strahl wird vom Lot weg gebrochen. 40. Nach dem Durchdringen der Glasplatte bewegt sich der Strahl wieder in der ursprünglichen Richtung, allerdings parallel verschoben. 41. Die Augen sollten beim Ablesen des Pegels auf gleicher Höhe sein wie die Oberfläche der Flüssigkeit. 42. a) Nach aussen gekrümmt. b) Nach innen gekrümmt (eine Einbuchtung!) 43. a) Sie ist in der Mitte dicker als am Rand. b) Sie ist am Rand dicker als in der Mitte. 44. a) Strahlen, die parallel zur Linsenachse auf die Linse treffen schneiden sich im dahinter liegenden Brennpunkt. b) Strahlen, die parallel zur Linsenachse auf die Linse treffen werden gestreut. Sie scheinen allesamt vom Brennpunkt vor der Linse her zu kommen. 45. a) f = 1 / D = 1 / (1.1 dpt) = m = 90.9 cm. b) D = 1 / f = 1 / (-0.24 m) = 4.17 dpt. 46. a) Ein reelles Bild kann man auf einer Leinwand sehen oder mit einer Photoplatte festhalten.

9 b) Ein virtuelles Bild kann man nur mithilfe einer Vorrichtung zur Erzeugung eines reellen Bildes (Auge, Kamera) wahrnehmen. 47. Das Auflösungsvermögen bezieht sich auf die Wahrnehmung von zwei nahe liegenden Punkte als zwei Punkte. Sie wird angegeben mit dem so genannten Sehwinkel, d.h. dem Winkelabstand zwischen den beiden Punkten. Das menschliche Auge hat eine Auflösung von rund 1 = 1º / 60 = 0.017º. 48. Akkomodation. 49. Die Adaption bezieht sich auf die Anpassung des Auges auf unterschiedlichen Lichteinfall. Fällt viel Licht aufs Auge, so wird die Pupille verkleinert. Fällt wenig Licht aufs Auge, d.h. bei Dunkelheit reagieren die Sinneszellen in der Retina empfindlicher auf Licht. 50. a) Durch Zerstreuungslinsen. b) Durch Sammellinsen. 51. Die Brechkraft eines kurzsichtigen Auges ist zu gross. Sie muss durch eine Zerstreuungslinse vermindert werden. 52. Die Brechkraft wird durch die Zerstreuungslinse vermindert. Die Gesamtbrechkraft von Linse und Auge ist also kleiner als diejenige des Auges allein. 53. Das Zwischenbild ist ein reelles Bild, das vom Objektiv erzeugt und mit dem Okular betrachtet wird. 54. Die möglichen Vergrösserungen sind 6 20 = 120, 6 50 = 300 und = Nein, die zu betrachtenden Objekte dürfen nicht kleiner als die Wellenlängen von sichtbarem Licht ( 500nm) sein. Die maximale Vergrösserung liegt bei rund Mithilfe des Ölimmersionsobjektivs gelangt mehr Licht ins Mikroskop. Dadurch wird das Auflösungsvermögen des Mikroskops vergrössert. 57. Laser sind stark gebündelte Lichtstrahlen sehr hoher Intensität. In der Medizin finden sie Anwendungen wie folgt: Stillen von Blutungen Korrektur von Kurz- und Weitsichtigkeit durch gezielte Abtragung der Hornhaut Zertrümmerung von Nieren- und Gallensteinen Haarentfernung Entfernung von Hautveränderungen