OPT. INSTRUMENTE - LICHT UND FARBEN

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1 FAKULTÄT FÜR PHYSIK Arbeitsgruppe Didaktik der Physik OPT. INSTRUMENTE - LICHT UND FARBEN GRUPPE 1: FERNROHR UND MIKROSKOP Das Fernrohr dient dazu sehr weit entfernte Objekte (Gebäude, Landschaft, Sterne, Planeten, Galaxien,...) lichtstark und möglichst groß zu beobachten. Es besteht besteht aus einem Okular und einem Objektiv. Mit dem Objektiv erzeugt man ein möglichst lichtstarkes verkleinertes Bild eines weit entfernten Gegenstandes. Diese reelle Bild wird mit dem als Lupe eingesetzten Okular betrachtet. 1.1 Bauen Sie auf einer optischen Schiene ein stabiles astronomisches (Kepler sches) Fernrohr. In welchem Abstand müssen die beiden Linsen montiert werden? Welche Linsenbrennweite (Objektiv, Okular) muss größer gewählt werden, und warum? Wovon hängt die Lichtstärke ab? Stellen Sie nun die Beobachtung naher und weiter entfernter Objekte an und beurteilen Sie die Ergebnisse. Wenn am Ende noch Zeit: Bestimmen Sie experimentell die Vergrößerung des Fernrohrs. Betrachten Sie dazu eine Maßskala mit dem einen Auge direkt und mir dem anderen Auge durch das Instrument und vergleichen Sie. Das Mikroskop dient dazu nahe kleine Objekte möglichst stark zu vergrößern. Es besteht aus zwei Sammellinsen, einem Okular und einem Objektiv. Schon mit dem Objektiv wird ein vergrößertes reelles Bild von einem hellen oder hell beleuchteten Gegenstand erzeugt. Die die Betrachtung mit der Lupe wird dieses Bild dann nochmal vergrößert. 1.2 Bauen Sie das Mikroskop auf einer optischen Schiene auf und verwenden Sie als Gegenstand, den Sie im Mikroskop betrachten, die glühende Wendel einer Lampe! 1.3 Im Unterricht kommt es darauf an, die gelernten Inhalte möglichst gut miteinander zu vernetzen. Wie kann man Mikroskop und Fernrohr miteinander vernetzen? 1.4 Bauen Sie nun ein holländisches Fernrohr (Okular ist Zerstreuungslinse) GRUPPE 2: DIAPROJEKTOR UND OVERHEAD Ein Diaprojektor dient zur vergrößerten Abbildung von hell ausgeleuchteten Diapositiven auf eine Wand bzw. einen Schirm. Beim Bau eines Diaprojektors sind zwei Dinge zu bewerkstelligen. 1) möglichst helle und gleichmäßige Ausleuchtung des Dias (dies geschieht mit Hilfe von Parallellichtbündel) 2) Erzeugung eines möglichst großen scharfen aufrechten Bildes vom ausgeleuchtetem Dia (Dazu verwendet man eine Linse) 2.1 Führen sie einen Modellversuch zum Diaprojektor vor. Demonstrieren Sie was man beim Scharfstellen des Diaprojektors macht. Im Unterricht kommt es darauf an, die gelernten Inhalte möglichst gut miteinander zu vernetzen. Wie kann man das bei den Inhalten Fotoapparat und Diaprojektor tun? 2.2 Overheadprojektor Seite 1 von 8

2 Seite 2 von 8 Der Overheadprojektor dient dazu, in Schulen oder bei Präsentationen durchscheinbare Folien richtig herum auf eine Wand/einen Schirm vergrößert abzubilden. Dieser ist prinzipiell ein Diaprojektor bei dem aber die Vorlage seiten- und höhenrichtig abgebildet wird. Als Kondensor dient hier eine Stufenlinse (Fresnellinse), die ähnliche Eigenschaften (gleiche optische Eigenschaften) einer Sammellinse besitzt. Versuchen sie den Strahlengang beim Projektor nachzuvollziehen. Erläutern Sie, worin sich ein Diaprojektor und ein Overhead unterscheiden und wo sie Strukturgleich sind (Möglichkeit vor vertikale Vernetzung)! Wenn noch Zeit 2.3 Freihandversuch zum Diaprojektor Spannen Sie vor eine Taschenlampe ein Butterbrotpapier und beleuchten Sie damit ein unmittelbar dahinter gehaltenes Dia. Bilden Sie das beleuchtete Dia mit einer Sammellinse auf eine weiße Wand ab! GRUPPE 3: FARBZERLEGUNG VON LICHT 3.1 Zerlegen Sie auf die abgebildete Weise ein schmales Bündel weißen Lichts und beobachten Sie das Spektrum auf einem weißen Schirm! Hinweis: Gehen Sie beim Aufbau des Experiments so vor, dass Sie zuerst den Spalt hell ausleuchten (Glühfaden und Spalt jeweils im Abstand 2f o einer Kondensorlinse) und dann den ausgeleuchteten Spalt mit einer Linse scharf auf den weißen Schirm abbilden. Erst danach bringen Sie das Prisma in den Lichtweg und verschieben den Schirm passend. Wie wirkt sich die Breite des Lichtbündels auf das Spektrum aus? 3.2 Vereinigen Sie das zerlegte Licht mit Hilfe einer Sammellinse wieder zu Weiß! Welche Art von Farbmischung wird hier betrieben? Blenden Sie nun eine oder mehr Farben aus dem Bündel aus und sammeln Sie die verbleibenden Farben mit einer Linse. Hinweis: In dem Fall, in dem Sie nur eine Farbe ausblenden, erzeugen Sie durch Vereinigung des Restspektrums die sog. Komplementärfarbe zur ausgeblendeten Farbe. Um welche Art von Farbmischung handelt es sich bei diesem Versuch? 3.3 Blenden Sie nun alle Farbe bis auf eine aus und untersuchen Sie, ob diese weiter zerlegbar ist!

3 Seite 3 von Verringern Sie die Versorgungsspannung der Experimentierleuchte und beobachten Sie die Intensitätsverteilung im Spektrum! Erklären Sie die Veränderungen! Welches Gesetz wird hier veranschaulicht? Wenn noch Zeit oder für zuhause: 3.5 Führen Sie den abgebildeten Freihandversuch als explorierendes Experiment durch und beschreiben Sie die Beobachtungen möglichst in Wenn-Dann-Sätzen! Die Begriffe Reflexion und Brechung können dabei als bekannt vorausgesetzt werden? Bildquelle: GRUPPE 4: FARBMISCHUNG 4.1 Demonstrieren Sie die Additive Farbmischung mit den verschiedenen in der Sammlung dafür vorhandenen Geräten. 4.2 Subraktive Farbmischung Demonstrieren Sie die subraktive Farbmischung mit Hilfe von Filtern und eines Overheadprojektors! Demonstrieren Sie die subraktive Farbmischung mit Hilfe eines Malkastens! GRUPPE 5: REGENBOGEN 5.1 Führen Sie Modellversuche zur Demonstration der Entstehung des Regenbogens vor! Die nachfolgenden Bilder geben Ihnen Anregungen dazu.

4 Seite 4 von Recherchieren Sie nach einem möglichst überzeugenden Simulationsprogramm zur Demonstration der Erzeugung eines Regenbogens. GRUPPE 6: FARBIGE SCHATTEN, LICHTCHROMATOGRAPHIE; SEHEN UND WAHRNEHMEN 6.1 Farbige Schatten Erzeugen Sie mit Hilfe von geeigneten Geräten farbige Schatten, wie die abgebildeten und geben Sie eine Erklärung für ihre Entstehung!

5 Seite 5 von Lichtchromatographie Schneiden Sie aus dem Papier von Filtertüten oder aus etwas kräftigerem Küchentuch Streifen ab, malen Sie auf diese Striche mit Filzstiften verschiedener Farbe und hängen Sie sie wie abgebildet in Wasserbehälter. Beschreiben Sie Ihre Beobachtung! Was schließen Sie daraus? 6.3 Der blinde Fleck An der Stelle der Netzhaut, an der die Nerven und Blutgefäße vom Augapfel in das Gehirn eintreten, befinden sich keine Sinneszellen. Dies kann man mit einem einfachen Experiment feststellen: Halten Sie das rechte Auge geschlossen und fixieren Sie mit dem linken Auge das Kreuz aus einer Entfernung von etwa 40cm. Bewegen Sie die Zeichnung langsam auf sich zu! Dann verschwindet bei einem Abstand von etwa 15cm der linke schwarze Fleck. Machen Sie das Gleiche mit dem rechten Auge. Gibt es einen Unterschied? Was lässt sich ggf. daraus folgern? 6.4 Das Auge als Bewegungsmelder Wenn das Auge z.b. ein Bild betrachtet, dann wandern die Augen stets auf dem Bild umher. Abwechselnd sieht man verschiedene Einzelheiten, andere nimmt man gar nicht wahr. Aber auch wenn man an eine ganz bestimmte Stelle direkt hinschaut, gelangt dennoch Licht von anderen Dingen ein die Augen. Der abgebildete Junge schaut zunächst gerade auf die Wand und sieht dabei seine Hände nicht, obwohl auch von seinen Händen Licht in seine Augen gelangt. Dieses Licht nimmt er erst wahr, wenn er seine Hände bewegt. Probieren sie es selbst aus!. Unser Gehirn reagiert also sehr fein auf zeitliche Helligkeitsveränderungen. 6.5 Wahrnehmungsleistungen des Gehirns Vermutlich erkennen Sie im rechten Bild bereits nach kurzer Zeit einen Hund, obwohl nur ein paar schwarze Flecken auf dem Papier abgedruckt sind. Beim Sehen lassen wir also nicht nur passiv Licht in unser Auge strömen. Das Netzhautbild wird vom Gehirn aktiv verarbeitet. Das Gehirn erinnert sich an frühere Bilder und vergleicht. Unsere Wahrnehmung ist ein Produkt aus Netzhautbild und aktiver Verarbeitung im Gehirn. Wie die Wahrnehmung aussieht hängt stark von unseren Vorerfahrungen ab und ist daher im Einzelfall verschieden.

6 Seite 6 von Täuschungen beim Sehen Sind die beiden Linien gekrümmt? Welche Seite ist vorne? Was sehen Sie jeweils?? 5.5 Peilen sie über den Daumen einen kleinen Gegenstand in etwa 3 m Entfernung an (z.b. eine Kerze) a) Schließen Sie mal das linke und mal das rechte Auge, während Sie die Kerze anschauen. Öffnen Sie anschließend wieder beide Augen! b) Wiederholen Sie das Experiment, indem Sie versuchen den Daumen scharf zu sehen! c) Fertigen Sie für die 3 Beobachtungen in a. und b. eine Skizze an! Empfehlung: Wandtafeloptik Demonstrieren Sie an der optischen Wandtafel den Aufbau und die Funktion möglichst vieler optischer Geräte! Anregungen können Sie sich aus der Gerätebeschreibung zur Wandtafeloptik und aus aus dem Zeitschriftenartikel Wandtafel-Demonstrationsexperimente zur Mechanik, Optik und Elektronik von Ludwig Maaß in PdN-Ph. 1/37. Jahrgang 1988, S holen.

7 Seite 7 von 8 EMPFEHLUNG FÜR ALLE Das Applet "Optische Bank" von Physlets ermöglicht die Simulation vieler Versuch aus der Geometrischen Optik. Es erlaubt diverse optische Apparate zu "bauen", auszuprobieren und quantitative Messungen Nachzustellen. Starten Sie das Applet im Internet applets/optik1.html und bearbeiten Sie damit die dort vorgestellten Simulationsaufgaben! Funktionen Alles aufräumen (Clear All) Aktives Element löschen (Clear Active) Linse einsetzen (Lens) Hohlspiegel einsetzen (Mirror) Blende einsetzen (Aperature) Lichtbündel einsetzen (Beam) Gegenstand einsetzen (Object) Lichtquelle einsetzen (Object) Damit löscht man alle Elemente auf der "optischen Bank" und setzt alle Einstellungen auf Null. dies sollte man vor jeder neuen Simulation machen. Damit löscht man nur das aktivierte Elemente und alle anderen bleiben unverändert. Damit setzt man eine Linse ein, die man mit der Maus verschieben kann und deren Brennweite man mit der Maus an den Brennpunkten verändern kann. Packt man einen Brennpunkt mit der Maus und bewegt ihn durch die Linsenebene, so wird aus der Konvexlinse eine Konkavlinse. Die Brechung von Lichtstrahlen wird nur als Brechung an der Linsenmitte dargestellt. Damit setzt man einen Hohlspiegel ein, den man mit der Maus verschieben kann und dessen Brennweite man mit der Maus am Brennpunkt verändern kann. Die Reflexion von Lichtstrahlen wird allerdings an der rückseitigen Ebene des Spiegels dargestellt. Damit setzt man eine Blende ein, deren Öffnung man mit der Maus verändern kann. Damit setzt man ein Bündel parallelen Lichtes ein, das an den Linsen und Spiegeln den optischen Gesetzen gehorcht. Man kann mit der Maus an den beiden Punkten der Ellipse das Lichtbündel verschieben und die Beleuchtungsrichtung drehen. Damit setzt man einen als Pfeil dargestellten Gegenstand ein, von dessen Spitze die Hauptstrahlen ausgehen und ein Bild zeichnen, wenn zusätzlich ein Spiegel oder eine Linse eingebaut ist. Damit setzt man eine nahezui punktförmige Lichtquelle ein, von der Lichtstrahlen ausgehen, die den optischen Gesetzen gehorchen.

8 Seite 8 von 8 Aufgabe 1: Linse Brennweite, Brennebene (zur Einübung des Umgangs mit dem Applet) 1. Löschen Sie alle Voreinstellungen im Applet (Clear All)! 2. Bringen Sie eine Linse (Lense) in das Arbeitsfenster und setzen die Linse durch Klicken auf deren Mitte und verschieben mit der Maus auf die Koordinaten (3.0/0.0), die links unten eingeblendet sind! 3. Bringen Sie einen Strahl (Beam) in das Arbeitsfenster und setzen Sie ihn (auf Oval klicken) zur Position (0.5/0.0). 4. Wie groß ist die Brennweite f der Linse? 5. Klicken Sie auf den Strahl, nehmen Sie ihn an dem in der Mitte des Ovals befindlichen Punkt und ziehen Sie ihn auf die rechte Linsenseite. Klicke Sie nun auf den neben dem Oval befindlichen Punkt und drehe damit den Strahl um 180 zurück auf die Linse. Wo sammelt sich das Lichtbündel? Bringe den Strahl anschließend wieder in die Ausgangslage zurück. 6. Klicken Sie auf die Linse, die Brennpunkte erscheinen. Ziehen Sie an ihnen und verkürzen Sie die Brennweite! 7. Klicken Sie auf den Strahl und ziehen Sie ihn näher an die Linse! Ändert sich dabei die Brennweite? 8. Klicken Sie auf den beim Strahl rechts vom Oval erscheinenden Punkt und drehe damit die Strahlrichtung etwas nach oben und unten und beobachte dabei den Punkt an dem sich die Strahlen auf der anderen Seite der Linse vereinen. Behalten Sie das Bild im Arbeitsfester bei für die Aufgabe 2! Aufgabe 2: Zerstreuungslinsen 1. Bringen Sie die Strahlrichtung wieder parallel zur optischen Achse. Klicken Sie auf die Linse, so dass die Brennpunkte erscheinen. Ziehen Sie den Brennpunkt mit der Maus auf die andere Seite der Linse, so dass eine Zerstreuungslinse (Konkavlinse) entsteht. In welchem Punkt treffen sich die rückwärtigen Verlängerungen der aus der Zerstreuungslinse austretenden Strahlen? Welche Art von Bildern wird durch eine Zerstreuungslinse erzeugt? Warum? 2. Entfernen Sie nun das Strahlenbündel aus dem Arbeitsfenster (zuerst aktivieren und dann Clear Active) und bringen Sie einen Gegenstand (Object) in das Arbeitsfenster! Erstellen Sie in Ihren Aufzeichnungen eine Skizze, die die Entstehung virtueller Bilder bei der Abbildung durch eine Sammellinse verdeutlicht! Aufgabe 3: Abbildung durch eine Sammellinse 1. Löschen Sie mit Clear All alle Voreinstellungen im Applet. Bringen Sie eine Linse ins Arbeitsfenster und positionieren Sie diese auf die Koordinaten (3.0/0.0). Bringen Sie einen Gegenstand in das Arbeitsfenster! Seine Höhe soll etwas ¼ der Linsenhöhe sein. (Man sieht dabei außer dem "Pfeilgegenstand" auch die Hauptstrahlen, die man im Regelfall zur Bildkonstruktion verwendet und das enstehende Bild.) 2. Schieben Sie den Gegenstand langsam von außerhalb der zweifacher Brennweite auf die Linse zu und betrachte dabei die Bildweite und die Bildgröße im Verhältnis zu Gegenstandsweite und Gegenstandsgröße. Welche Aussagen kann man machen? Überprüfen Sie für je einen Spezialfall aus den Bereichen g > 2f / g=2f / f<g<2f die Gültigkeit der Abbildungsgleichungen G/B = g/b und 1/g + 1/b = 1/f Schieben Sie nun den Gegenstand langsam innerhalb die einfache Brennweite auf die Linse zu und betrachten Sie dabei die Bildentstehung! Welche Aussagen kann man dabei machen?