Physik. Das Radiometer - die Lichtmühle AB

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1 AB Das Radiometer - die Lichtmühle Ein vierarmiges Flügelrädchen ist in einer Glaskugel auf einer Nadelspitze leicht drehbar gelagert. Die Flügel die einseitig geschwärzt sind, sind so angebracht, dass die geschwärzten Flächen nach derselben Drehrichtung zeigen. Aus dem Glaskolben ist die Luft weitgehend entfernt. Lässt man nun Licht auf die Blättchen des Rädchens fallen, dann dreht es sich in der Richtung, in der die blanken Flächen der Flügel zeigen. Entfernt man im Glaskolben die Luft komplett, so dreht sich die Mühle entgegengesetzt herum. Man nennt diese Mühle dann auch Photonenmühle. Tragen Sie in die Skizze die Drehrichtung der Mühle ein und begründen Sie die Ursache dafür. Vervollständigen Sie hierzu die Skizze. Erklärung: Lichtmühle Licht Erklärung: Photonenmühle Licht Erkenntnis: AB-5-01-Lichtmühle.doc

2 Prinzip der Lichtausbreitung - Spiegel AB Aufgabenstellung: Sie möchten sich einen Spiegel an die Wand hängen, in dem Sie sich komplett sehen können. Wie groß muss er sein und in welcher Höhe muss er hängen? Ergebnis: Bedingungen der Lichtausbreitung: Merke: Das Licht nimmt immer den Weg, der zeitlich der kürzeste ist. Daraus resultiert: AB-5-02-Spiegel.doc

3 AB Bildkonstruktion am Hohlspiegel (Konkavspiegel, Parabolspiegel) Von jedem Punkt des Gegenstandes (Pfeil) gehen in alle Richtungen Lichtstrahlen. In der Strahlenoptik nutzt man zur Bildkonstruktion nur ausgewählte Strahlen. Spiegel Gegenstand optische Achse Aufgabenstellung: Wir betrachten zwei von der Spitze des Pfeils ausgehende Lichtstrahlen, die auf den Spiegel fallen. Dort wird der Lichtstrahl an der Spiegelfläche nach dem Gesetz: Einfallswinkel = Reflexionswinkel α 1 = α 2 reflektiert. Die Winkel werden zwischen Strahl und Lot, das auf der Spiegelfläche steht, gemessen. Dort, wo sich die reflektierten Strahlen treffen, entsteht der Bildpunkt des Gegenstandes. Für den Beobachter sieht es so aus, als ob von diesem Bildpunkt das Licht kommt. Er sieht an dieser Stelle das Bild des Gegenstandes. AB-5-03-Parabolspiegel.doc

4 AB Reflexionsgesetz: Der ebene Spiegel erzeugt virtuelle (scheinbare) Bilder, die symmetrisch mit dem Gegenstand zum Spiegel liegen. Der Betrachter hat den Eindruck, als kämen die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel. Hohlspiegel: Die parallel auf einen Hohlspiegel auftreffenden Lichtstrahlen schneiden sich nach der Reflexion exakt im Brennpunkt. Die Lichtstrahlen der Sonne sind parallele Strahlen. Im Brennpunkt F des Hohlspiegels wird die Sonne abgebildet. Die Entfernung vom Spiegel zum Mittelpunkt (M) entspricht dem Radius r und ist doppelt so groß wie die Entfernung f vom Spiegel zum Brennpunkt (F). r f = 2 Konstruktion des Spiegelbildes: Zur Bildkonstruktion benutzt man mindestens zwei der drei ausgezeichneten Strahlen. Diese sind der Parallelstrahl (1), er wird zum Brennpunktstrahl; der Brennpunktstrahl (2) wird zum Parallelstrahl und der Mittelpunktstrahl (3) wird in sich zurückreflektiert und bleibt Mittelpunktstrahl. Entsteht das Bild vor dem Spiegel, ist es ein reelles und hinter dem Spiegel ein virtuelles Bild. AB-5-04-Parabolspiegel.doc

5 AB Versuchsaufbau: Nehmen Sie einen Plastikbecher, legen Sie auf den Boden des Bechers eine große Münze und stellen Sie den Becher so vor sich hin, dass Sie die Münze gerade nicht mehr sehen. Nun füllen Sie den Becher langsam bis zum Rand mit Wasser. Versuch: Auge Vervollständigen Sie die Skizze und beschreiben Sie Ihre Beobachtungen: Erkenntnis: Luft ist ein optisch dünnes Medium. Wasser ist optisch dichter als Luft. In Luft ist das Licht schneller als in Wasser. Die für Luft ist: n L = 1 Glas ist: n G = 1,45 Wasser ist: n w = 1,333 Diamant ist n D = 2,42 AB-5-05-Brechung.doc

6 AB Wassertropfen Glas Buchstabe Sammellinse Freihandversuch: Legen Sie die dünne Glasscheibe auf ein beschriftetes Papier und geben Sie einen kleinen Tropfen Wasser darauf. Beobachten Sie das Schriftbild durch den Tropfen und heben Sie die Glasscheibe dabei etwas an. Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen. Erklärung: Strahlenverlauf bei der plankonvexen Linse: bikonvex bikonkav AB-5-06-Sammellinse.doc

7 Bildentstehung bei der Sammellinse (Konvexlinse): AB Bildentstehung bei der Konkavlinse: AB-5-07-Bildentstehung.doc

8 AB Funktionsbeschreibung: Bildentstehung beim Mikroskop Objektiv Okular Gegenstand AB-5-08-Mikroskop.doc

9 Besondere Phänomene der Lichtbrechung: Lot Lot Luft Glas α G α G α G AB Totalreflexion: Beim Übergang des Lichtstrahls vom optisch dichteren (Glas) zum optisch dünneren Medium (Luft), ist der Winkel zwischen Lot und Lichtstrahl im optisch dünneren (Luft) größer als im dichtern Medium (Glas). Da der Winkel α L in Luft nicht größer als 90 werden kann, kommt es bei großen Winkeln von α G zur Totalreflexion. Dieses Phänomen nutzt man bei Lichtleitern. Dispersion: Unter Dispersion versteht man in der Physik die Abhängigkeit einer Größe von der Wellenlänge (z. B. Lichtfarbe). Im weißen Licht sind alle Regenbogenfarben enthalten. Rotes Licht ist langwelliger als das blaue Licht. Trifft ein weißer Lichtstrahl auf die Grenzfläche zweier optischer Medien (z.b. Luft und Glas), so wird der Lichtstrahl an der Grenzfläche gebrochen. Die Stärke der Lichtbrechung hängt aber von der Farbe des Lichtes ab. weiß Prisma rot gelb grün blau violett Luft Wasser Lampe Auge Aufgabe: Im Wasser ist eine weiß leuchtende Glühlampe, die nach allen Seiten strahlt. Sie beobachten die Glühlampe von oberhalb der Wasserfläche. Tragen Sie die Wege ein, die das blaue bzw. das rote Licht von der Lampe zu Ihrem Auge zurücklegt. AB-5-09-Totalr-Dispers.doc

10 AB Elektromagnetische Wellen Mikrowellen, die Wärmestrahlung, Infrarotstrahlung, das sichtbare Licht, ultraviolettes Licht, die Röntgenstrahlung und auch die Gammastrahlung kann man physikalisch durch die Theorie der elektromagnetischen Wellen beschreiben. c Elektromagnetische Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit (c = km/s) aus. Elektrisches und magnetisches Feld schwingen gleichphasig. Elektrischer und magnetischer Vektor stehen rechtwinklig zueinander und zur Ausbreitungsrichtung. Die meisten physikalischen Beobachtungen, die durch die Wellentheorie des Lichtes beschreibbar sind, können auch bei den Schallwellen beobachtet werden. Während jeder Punkt der Welle einmal rauf und runter in seine ursprüngliche Lage schwingt, dies dauert die Zeit einer Periode T, wandert die Welle die Strecke einer Wellenlänge λ mit der Lichtgeschwindigkeit c. Die Anzahl der Schwingungen (Perioden) innerhalb einer Sekunde, nennt man Frequenz f. Die Frequenz wird in 1/s bzw. Hz (Hertz) angegeben. Strecke Geschwindi gkeit = Zeit s v = hier: t Wellenlänge λ Lichtgesch windigkeit = c = = λ f Periode T T = 1 f Entstehung des Lichtes + AB-5-10-elmag-Wellen.doc

11 AB Polarisation Versuch: Schauen Sie sich das Display Ihres Taschenrechners (oder Handy) durch Ihre Sonnenbrille an. Drehen Sie den Taschenrechner langsam einmal um seine Achse und beobachten Sie hierbei das Anzeigefeld. (Sollten Sie mit Ihrer Sonnenbrille keinen Effekt beobachten, lassen Sie sich vom Lehrer ein Probeglas (beim Optiker erhältlich) geben. Beobachtung: Begründung: Das Licht entsteht durch Elektronensprüngen zwischen den Bohrschen Bahnen der Atome. Hierbei werden elektromagnetische Wellenpakete (Photonen) emittiert (ausgesandt). Polarisator Analysator Der Polarisator lässt vom natürlichen Licht nur eine Komponente mit Schwingungsrichtung durch. Für diese ist der Analysator je nach Durchlässig oder sperrend. Im gekreuzten Zustand, also um 90 gegeneinander verdreht, sind sie für Licht undurchlässig. Polarisation kann auch bei Reflexion entstehen. Absorption Die auf einen Körper treffende Strahlung wird nur zum Teil (oder auch bei schwarzen Körpern ganz) absorbiert, der übrige Anteil wird reflektiert bzw. durchgelassen. Bei der Resonanzabsorption haben die Photonen des Lichtes genau die Energie, die benötigt wird, um Atome des Absorbers anzuregen. AB-5-11-Polarisation.doc

12 AB Strahlungsarten Nach dem Bohrschen Atommodell hat jedes Atom mehrere Schalen, auf denen sich Elektronen aufhalten können. Bei Elementen höherer Ordnungszahl sind im Grundzustand die unteren Schalen mit Elektronen besetzt. Durch Energiezufuhr kann ein Elektron von dort auf eine höhere Schale angehoben werden. Dann ist das Atom im angeregten Zustand. Hat das Atom weniger Elektronen auf den Schalen als Protonen im Kern, spricht man von einem ionisierten Atom. Nach kurzer Zeit fällt das Atom wieder in den Grundzustand zurück. Dabei wird die aufgenommene Energie wieder frei. N M L K + a) Wird ein freier Platz auf der M-Schale aufgefüllt, so Kern emittiert das Atom sichtbares bzw. IR-Licht. b) Bei einem Sprung eines Elektrons auf die L-Schale sendet das Atom ein Lichtquant mit der Wellenlänge Elektron des UV-Lichts aus. c) Wird die K-Schale aufgefüllt, emittiert das Atom Röntgenstrahlung. d) Bei Kernprozessen kann α-, β- und auch γ-strahlung freigesetzt werden. Die Wellenlängen der emittierten elektromagnetischen Strahlung sind für jedes Element signifikant und dies kann man für Analysemethoden nutzen (Spektralanalyse). Die Energie W, die das Licht transportiert (oder besser: die Energie, die ein Photon hat), hängt von der Wellenlänge λ bzw. der Frequenz f der elektromagnetischen Strahlung ab und kann in ev (Elektronenvolt) angegeben werden. Lichtgeschwindigkeit = Wellenlänge Frequenz c = λ f c = m/s λ gemessen in m (Meter) f gemessen in Hz = 1/s Tabelle: Zuordnung der Frequenzen bzw. Wellenlängen elektromagnetischer Wellen zur Energie eines Photons in ev (Elektronenvolt) Lichtart Wellenlängenbereich λ in m Frequenzbereich f in Hz Energiebereich W in ev biologische Wirkung infrarotes Licht: ,01-1 Wärme sichtbares Licht: sehen UV-Licht: Sonnenbrand Röntgenlicht, X-Ray: Zellzerstörung Gammastrahlung: Zellzerstörung AB-5-12-Strahlungsarten.doc

13 AB Strahlungseinheiten Die Elektronen sind negativ geladen. Befinden sie sich in einem elektrischen Feld, erfahren sie eine Kraftwirkung. Die Elektronen werden beschleunigt und nehmen Energie auf, die von der durchlaufenen Spannung abhängt. Elektrisches Feld + - Kraft Elektron Spannung Berechnung: Ein Elektron, das die Spannung U von einem Volt durchläuft, hat die Energie W von einem Elektronenvolt. Energie = Ladung Spannung W = Q U Die Ladung Q des Elektrons beträgt: Damit ergibt sich für die Energie: W = 1eV = 1, Q e = 1, As 1V = 1, As 19 J Ein Elektron mit der Masse m e = 9, kg hat nach dem Durchlaufen der Spannung von U = 1V die Geschwindigkeit: 2 19 m v 2 Qe U 2 1, As 1V km W = Q U = v = = = m 9,11 10 kg s e 2 kgm 18 Energieeinheiten: 1Nm = 1J = 1VAs = 1Ws = 1 = 6, ev 2 s Die Energie von 1Nm wird benötigt, um eine Masse von etwa 100g (Tafel Schokolade) einen Meter anzuheben. Für das Erwärmen von 1g Wasser um 0,24 C wird die gleiche Energie benötigt. Physikalische Größe: Aktivität A Energiedosis D Äquivalentdosis H Ionendosis J SI-Einheit Becquerel (Bq) 1 Bq = 1/s Gray (Gy) 1 Gy = 1 J/kg Sivert (Sv) 1Sv = 1 J/kg Coulomb pro Kg (C/kg = As/kg) Erläuterung: gibt die Impulse pro Sekunde an, ohne Bezug auf den Energieinhalt der Impulse und deren Schädigung gibt die Energie an, die durch die Strahlung an den Körper abgegeben wird (Schädigung, Wärme) die Äquivalentdosis H wird mit Hilfe eines empirisch ermittelten Bewertungsfaktors q aus der Energiedosis D bestimmt. gibt die Ladungsmenge pro Kilogramm an, die durch die energiereiche Strahlung durch Ionisation von Atomen entsteht Die Äquivalentdosis H gibt die Energie an, die durch Bestrahlung an 1kg biologischer Masse abgegeben wird, unter Berücksichtigung der spezifischen Schädigung (Bewertungsfaktor, Qualitätsfaktor q) durch die unterschiedlichen Strahlenarten. H = q D γ -, β - und Röntgenstrahlung q = 1 α -Strahlung q = 20 AB-5-13-Strahlungseinheiten.doc

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