2015 Jahr des Lichtes Von Strahlen zu Bildern und Intensitäten, von Reflexionen zu Kontrastunschärfen

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1 205 Jahr des Lichtes Von Strahlen zu Bildern und Intensitäten, von Reflexionen zu Kontrastunschärfen - Vier Versuchsaufbauten der Universität Marburg im Physikalischen Praktikum von Dr. Peter Schaller 6. Lehrmittelworkshop Berlin Magnus-Haus 2.Juni 205

2 Gliederung. Basics Licht trifft auf ein Hindernis 2. Der Brewsterwinkel das Tor zur Wellenoptik 3. Optische Aktivität Wellenlängenabhängigkeit 4. Vom Gitter und Prisma zu Wellenlängen 5. Von Strahlen zu Bildern 6. Zusammenfassung

3 . Basisexperimente Leichten Zugang zum Phänomen schaffen Basics für Wissensnetz bilden Fundament mit monochromatischen Lasern grün rot Wiedererkennen der physikalischen Phänomene in der Natur Physikalische Größen müssen dort abgelesen werden, wo sie entstehen Experimentierumgebung Versuchsaufbau - zeitgemäßes Design - einfache Handhabung - schneller Versuchsbeginn - Freiheitsgrade: Variation der physikalischen Parameter - sicheres und erfolgreiches Experimentieren

4 Basics- Fachliche Klärung des Lerninhaltes Licht trifft auf ein Hindernis Metallplatte dünne Glasplatte dicke Glasplatte

5 Verhalten an optischen Grenzflächen An jeder Grenzfläche erfolgt immer eine Strahlenaufspaltung in einen reflektierten und einen gebrochenen Strahl. Metallfolie Metallplatte

6 Verhalten an optischen Grenzflächen Diffuse Reflexion Sehen

7 Verhalten an optischen Grenzflächen Reflexion von s-polarisiertem Licht Polarisator steht senkrecht zur Einfallsebene Reflexion am Brewsterwinkel

8 Verhalten an optischen Grenzflächen keine Reflexion von p-polarisiertem Licht Polarisator steht parallel zur Einfallsebene n = arctan αbrew = arctan56 =, 48 β Keine Reflexion am Brewsterwinkel - Parallele Polarisation

9 Brewsterwinkel - an der planparallelen Platte Polarisator steht senkrecht zur Einfallsebene Keine Reflexion GF GF2

10 V5.2: Brewsterwinkel - an der planparallelen Platte Polarisator steht parallel zur Einfallsebene GF GF2 Beziehung zwischen äußeren und inneren Brewsterwinkel n sin βbrew = α sinα n β Brew

11 Brewsterwinkel Spezialfall der Fresnelschen Formeln

12 2. Der Brewsterwinkel das Tor zur Wellenoptik Vom LASER-OPTIK-KIT Snellius zum Versuchsaufbau Fresnel Ein variantenreicher Aufbau zum Messen von Intensitäten von linear polarisiertem Licht Reflexionen und Transmissionen

13 Versuchsaufbau Fresnel für Physikstudierende Messung der Intensitäten (R) von linear polarisiertem Licht Versuchsaufbau nach Pohl - schwierig zu justieren

14 Kompakter Versuchsaufbau Fresnel

15 Kompakter Versuchsaufbau Fresnel

16 Experimentelle ermittelte Reflexions- und Transmissionsgrade mit Theorievergleich Brewsterwinkel

17 3. Von gekreuzten Polarisatoren zur optischen Aktivität - optische Aktivität rechtsdrehende und linksdrehende Substanzen Wellenlängenabhängigkeit λ - bei 589 nm Na Duplett M - Material d - Probendicken Q - Stoffkonzentration bei Flüssigkiten Versuchsaufbau LASER-OPTIK-KIT Snellius Wellenlängenabhängigkeit wird auf 532 und 650 nm erweitert: Basic für Polarisationsversuch λ - Wellenlänge 49 bis 656 nm

18 Linear polarisiertes Licht - Optische Aktivität Gekreuzte Polarisatoren Optische Aktivität Optische Aktivität ist wellenlängenabhängig Rotationsdispersion

19 Linear polarisiertes Licht Optische Aktivität Gekreuzte Polarisatoren Optisch aktives Medium dreht Schwingungsebene der Wellen Auslöschung der Wellen Keine Auslöschung der Wellen

20 Optische Aktivität ist wellenlängenabhängig α (650nm) = 20 /mm α (532nm) = 28 /mm

21 Versuchsaufbau Polarisation LED Array Optische Aktivität von 420 bis 654 nm

22 Versuchsaufbau Polarisation LED Array Optische Aktivität von 420 bis 654 nm

23 V6.: Linear polarisiertes Licht - Optische Aktivität

24 Rotationsdispersion - Bestimmung des Drehvemögens

25 Rotationsdispersion Bestimmung des Drehvermögens Wieder zum OPTIK-LASER-KIT Snellius

26 Doppelbrechung Kristall erzeugt zwei linear polarisierte Strahlen, die senkrecht zueinander polarisiert sind

27 Doppelbrechung am Beispiel von rotem Licht Kristall erzeugt zwei Strahlen - die linear polarisiert sind - stehen senkrecht zueinander

28 4. Spektroskopie von den Basics - Halbkreisscheibe - Prisma - Gitter zum Spektralapparat

29 Brechzahlbestimmung Grenzwinkel der Totalreflexion n β = sin β Grenz = sin42 =, 49

30 Brechzahl ist wellenlängenabhängig Bestimmung: Winkel der geringsten Ablenkung n = ε + α sin 2 ε sin 2 min 30

31 Wellenlängenbestimmung mittels Beugungsgittern λ = d sinθ k - Beugung am Gitter 300 Laserstrahl grün und rot Beugung elektromagnetischer Wellen ist wellenlängenabhängig

32 Spektralapparat für Gitter und Prisma - Beugung am Gitter 300 Laserstrahl grün und rot

33 V7: Spektralapparat für Gitter und Prisma Umbauten: - Tische für Spektrometer - Lupe für Ableseeinheit - Beleuchtungen für Ableseeinheit - Fernrohr - Arbeitsplatz Aufnahme für Spektrallampen - Helium - Quecksilber - Natrium - Neon - Cadmium - Beugung am Gitter 300 Laserstrahl grün und rot - Thallium

34 V7: Spektralapparat für Gitter und Prisma Indizierung mit Wellenlängen und Energieeinheiten - Beugung am Gitter 300 Laserstrahl grün und rot

35 2 2 f f e f f f D ges ges + = = e D D D D f D ges ges = = 5. Von Strahlen zu Bildern Linsengleichung Linsenschleiferformel Gl. für Linsensysteme Augenoptikergleichung für Linsensysteme + = = 2 r r n n f D α β b g f + = Lage der Hauptebenen Grundgleichung e f f e f S H + = 2 e f f e f S H + = 2 2 2

36 Geometrische Optik

37 Geometrische Optik

38 Geometrische Optik -

39 Geometrische Optik

40 Geometrische Optik

41 Geometrische Optik

42 Geometrische Optik Pflichtenheft Erprobung der physikalischen Gleichungen Brennpunktgleichung Linsengleichung Gl. für Linsensysteme Augenoptikergleichung für Linsensysteme Gl. für Hauptebenen Einfache Handhabung Zeitgemäßes Design Wiedererkennung von Objekten aus dem Alltag Gute Ablesbarkeit der physikalischen Größen

43 Geometrische Optik Linsenhalter Doppel (e = 20mm) Linsenhalter einfach Linsenhalter Vario 0mm < e < 50mm) Einfache Handhabung Linsen werden NUR in Linsenhalter gesteckt Linsen vom Augenoptiker Gute Ablesbarkeit der physikalischen Größen

44 Geometrische Optik Box Optische Systeme

45 Geometrische g groß b Optik klein Fotoapparat f Auge = g + b g groß b klein Fotoapparat Auge

46 g klein b groß Projektor g groß b klein Fotoapparat Auge

47 Geometrische Optik Linsensysteme Korrektion der Fehlsichtigkeit f ges e = + D f f2 f f ges = D + D2 edd 2 2

48 Geometrische Optik Linsensysteme Korrektion der Fehlsichtigkeit f ges = f + f 2 e f f 2 D ges = D + D2 edd2

49 Geometrische Optik - Umkehroptik Reelle Bilder kann man mit Schirmen auffangen oder Weiterverarbeiten

50 Geometrische Optik - Umkehroptik Reelle Bilder kann man mit Schirmen auffangen oder Weiterverarbeiten

51 Geometrische Optik die Variooptik f ges = f + f 2 e f f 2

52 Geometrische Optik das terrestrische Fernrohr

53 Geometrische Optik Lichtflecke Optische Linsen haben zwei Grenzflächen An jeder Grenzfläche findet Reflexion und Transmission statt Optische Grenzflächen werden entspiegelt

54 6. Zusammenfassung Ausblick

55 LASER-OPTIK-KIT "SNELLIUS" didaktische Reduktion aller gleichzeitig beobachtbaren Phänomene auf Einzelphänomene Modulare Bauweise Einheit von Versuchsaufbau und Protokollvorlage Messung verschiedener Einzelphänomene gemäß Lehrplan gute Sichtbarkeit der Strahlenverläufe zeitgemäßes Design erhöht Motivation schnell einsetzbar, kaum Justieraufwand Basics für viele optische Phänomene Evaluierung: mehrheitliche Aussage, jetzt habe ich diese Zusammenhänge verstanden

56 Georg Christoph Lichtenberg seit 770 Professor für Physik, Mathematik und Astronomie an der Universität in Göttingen 793 wurde er zum Mitglied der Royel Society berufen

57 Georg Christoph Lichtenberg In unseren physikalischen Büchern trennen wir mit Recht, was in der Natur ungetrennt vorkommt Reflexion, Refraktion und Inflektion Alles auf Einmahl thun zu wollen, zerstört alles auf Einmahl Konzept: Zusammenwirken der Phänomene an einem Körper beobachten nacheinander quantitativ untersuchen Didaktische Reduktion

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59 LASER-OPTIK-KIT "SNELLIUS" Danke für Ihre Aufmerksamkeit