Bemerkung zu den Texten und Bildern, die in der Vorlesung gezeigt wurden:

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1 Bemerkung zu den Texten und Bildern, die in der Vorlesung gezeigt wurden: Aus urheberrechtlichen Gründen könne die aus Büchern kopierten Abbildungen hier nicht eingeschlossen werden. Sie sind jeweils zitiert und sind aus folgenden Büchern entnommen: Bergmann.Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 1, Walter de Gruyter Berlin 1998 G.S. Campbell An introduction to environmental Biophysics Springer New York, 1977 Denis and Pierson the speech chain D.C. Giancoli, Physics, Principles with applications Prentice Hall, Englewood cliffs, 1980 W. Hoppel et al. Biophysik, Springer Berlin 1978 H. Horvath Biologische Physik, HPT&BV, 2003 J.L. Montheit. Grundzüge der Umweltphysik, Steinkopf, Darmstadt 1978 R.W.Pohl Einführung in die Physik, Band 1, mechanik, Akustik, Wärmelehre Springer Berlin 1941 J. Schreiner Physik I, HPT&BV, Wien, 1982 Scientific American, monatlich erscheinende Zeitschrift P.A. Tipler, Physik. Spektrum Verlag, Heidelberg 1991 H. Vogel, Gehrtsen Physik Springer Berlin, 1995 Die gezeigten Applets können bei angesehen werden

2 AUGE Hornhaut, Kammerwasser Linse bilden ein Linsensystem und erzeugen ein relles Bild auf der Netzhaut. Dort Sehzellen. SCHARFSTELLUNG: Wegen Scharfes Bild nur, wenn diese Bedigung erfüllt Bei gegebener Objektweite SCHARFSTELLUNG durch Variation des Abstandes g,(oh Dia, Mikroskop, Fische) oder Brennweite der Linse (Mensch)

3 EHLSICHTIGKEITEN: Scharfstellen des Bildes auf der etzhaut funktioniert nicht. Kurzsichtigkeit: Die Brechkraft des Auges ist zu groß, das scharfe Bild entsteht vor der Netzhaut Abb Tipler, Physik Abhilfe durch Verringerung der Brechkraft der Augenlinse durch eine Zerstreuunglinse

4 EITSICHTIGKEIT :Brechkraft der Linse ist zu klein.das ild würde hinter der Netzhaut entstehen Sammellinse Abhilfe durch Erhöhung der Brechkraft der Augenlinse durch eine SAmmellinse Abb Tipler, Physik

5 LTERSSICHTIGKEIT: Variationsmoglichkeit der Brechkraft er Augenlinse durch Muskelspannung ist nicht mehr usreichend. Es kann in der Nähe nicht scharf gestellt erden: bhilfe: Brille mit mehreren Linsen: Linse für Sehen in der Ferne Linse für Nahsicht ASTIGMATISMUS. Die Hornhaut ist nicht gleichmäßig gekrümmt, verschiedene Krümmungen der Hornhaut in verschiedenen Ebenen, z.b. in folgender Art: Abb Biologische Physik

6 in scharfes Bild ist überhaupt nicht möglich, Korrektur der erschiedenen Krümmungen durch Zylinderlinsen Abb 10.36, Biologische Physik IRIS regelt die Helligkeit durch Durchmesser der Pupille, allerdings in geringem Maße, etwa 1:5. Zwischen Reizschwelle und Blendung aber 1:10 12!!! erreicht durch verschieden Sehzellen und Pigmente (gebleicht /ungebleicht)

7 FEHLER der optischen SYSTEMS des Auges BILDWÖLBUNG korrigiert durch gekrümmte Netzhaut CHROMATISCHE ABERRATION: tritt auf, wird aber im Gehirn korrigiert. Fällt normalerweise nicht auf. Außer in Extremsituationen: Roter Hintergrund mit tiefblauen Objekt. KLEINSTER ERKENNBARER ABSTAND ergibt sich aus dem Sehzellenabstand. Sehzellendurchmesser ist 3µm. Um zwei Punkte getrennt wahrzunehmen muß eine Zelle dazwischen sein. Bild des ersten Punktes auf der Netzhaut unbelichtete Sehzelle Bild des zweiten Punktes Erscheint als zwei Punkte Erscheint als Strich

8 6 µm Abb Biologische Physik Kleinster Winkelabstand für getrenntes Erkennen zweier Punkte: ψ = 6µm/2cm = rad = 0.3 mrad Kleinster erkennbare Größe in Lesedistanz (25 cm) d min = rad m = 7, m, ca. 0,1 mm

9 n welcher Distanz verschmelzen die Geleise der Eisenbahn (1370 mm) enn wir etwas besser sehen wollen: Objekt wird näher gebracht: Blickwinkel wird vergrößert, Bild fällt auf mehr Sehzellen Abb 32.3 Tipler Physik Geht nicht bei weit entfernten Objekten (z.b. Landschaft) oder sehr kleinen Objekten (z.b. Bakterien) -----> Optische Instrumente ---> vergrößern den Blickwinkel

10 Abb Biologische Physik Ohne optisches Instrument Mit optischem Instrument Bei kleinen Gegenständen: ohne Instrument bedeutet Blickwinkel in deutlicher Sehweite Lupe: Objekt ist im Brennpunkt. Das virtuelle Bild ist im Unendlichen. Abb 32.6 Tipler Physik Der Blickwinkel ergibt sich durch die Mittelpunktsstrahlen

11 s Bis etwa 20 fach verwendbar, dann Probleme mit Abstand, Ausleuchtung MIKROSKOP: stärkere Vergrößerung mit zwei Linsen: Okular, Objektiv

12 Abb Biologische Physik Objektiv erzeugt ein relles Bild vom Objekt. das Okular vergrößert das reelle Bild wie eine Lupe es entsteht ein virtuelles Bild

13 Abb Biologische Physik

14 Vergrößerung des Mikroskopes Vergrößerung nicht beliebig erhöhbar Wegen der starken Vergößerung ist eine Beleuchtungseinrichtung notwendig: Hellfeld Dunkelfeld Abb Biologische Physik

15 RHÖHUNG DES KONTRASTES: Einfärben Dunkelfeld Phasenkontrast Polarisation Auflicht Problem Tiefenscharfe

16 WELLENOPTIK: Licht zeigt Nur möglich bei Wellen INTERFERENZ BEUGUNG POLARISATION OPTISCHES GITTER: eine regelmäßige Anordnung von Öffnungen (Striche, Spalte) VERSTÄRKUNG der gebeugten Wellen wenn d.sin α = n. λ n=1,2,3. Beugung 1.,2.,3., Ordnung

17 alls d bekannt, λ aus dem Winkel α ermittelbar Rot wird am stärksten gebeugt. Beugungsgitter zb bei Schmetterlingsflügel Beugung am Spalt Blende: Aus Parallelstrahl wird divergierender Strahl mit variabler Intensitat Applet Einfachspalt Der größte Teil des Lichts ist zwischen dem 1. Beugungsminimum und der Direktrichtung. Bei kreisförmiger Blende: d.sin φ 1 = 1,22.λ

18 eometrische Optik: egenstadspunkt ---> Bildpunkt Wellenoptik: Gegenstandspunkt ---> Beugungsscheibchen. Ein paralleler Lichtstrahl wird aufgeweitet, bei einer Abbildung mit einer Linse (Umrandung ist kreisförmige Blende!) wird ein Punkt nicht mehr auf einen Punkt, sondern auf eine Scheibe abgebildet. G B G B

19 Bei kreisförmiger Blende: erstes Beugungsminimum wenn d.sin φ 1 = 1,22.λ Großer Durchmesser der Blende --->kleines Beugungsscheibchen Zwei Gegenstände getrennt wahrnehmbar, wenn Beugungsscheibchen getrennt Abb Biologische Physik Z.B. beim Mikroskop

20 Kleinste erkennbare Größe (Auflösungsvermögen) in einem Mikroskop hängt von der Größe der Beugungsscheibchen ab Abb Biologische Phy n Brechungsindex des Mediums Vergrößerung ist dann sinnvoll, wenn die gerade auflösbaren Größen einen Winkelabstand haben, den wir gerade erkennen können

21 Weitere Vergrößerung bringt zwar größeres (unscharfes) Bild aber keine weiteren Details. Auflösungsvermogen des Auges: Beugungsscheibchen durch Iris Winkeldurchmesser des Scheibchens durch Beugung an der Iris sin φ = φ für kleine Winkel Wellenlänge ist 550 nm, in Kammerwasser (n=1.4), Durchmesser der Iris ist 6 mm Größe der Sehzellen ist 3µm

22 Andere Augen: Abb 11.4 Biologische Physik NAUTILUSAUGE: LOCHKAMERA Vorteil: kein Fokussieren Nachteil: lichtschwach INSEKTEN: BIENE am BESTEN UNTERSUCHT. Facettenauge hat viele kleine RICHTUNGSAUGEN, deren Gesichtsfelder sich KAUM UBERDECKEN Einzelaugen liegen auf Kugel (r = 3mm) Abb 11.5 Biologische Physik Je mehr Augen, desto bessere Richtungsauflösung.

23 UFLOSUNG GEOMETRISCH OPTISCH kleinere Ommatidien besser!!!! r Abb 11.5 Biologische Physik Aber auch Beugung des Lichts an der Öffnung der Ommatidien: Licht aus den Richtungen kommt in das Auge Größere Ommatidien besser!!!! Gesamtauflösung ist Φ + φ = Beste Auflösung wenn Minimum

24 Biene sieht gut bei 500 nm Ommatidien haben 35µm Durchmesser. Auflösung ist..kleinstes sichtbares Objekt in 10 m, 5mm POLARISATION: nur bei TRANSVERSALWELLEN Eine WELLE ist POLARISIERT wenn die SCHWINGUNG nur in EINER EBENE ERFOLGT

25 Abb 11.6, Biologische Physik

26 OLARISATIONSEBENE: EBENE in der die CHWINGUNG bei der Wellenausbreitung erfolgt. Bei Licht bestimmt der elektrische Vektor die Polarisationsrichtung. LICHT IST NORMALERWEISE UNPOLARISIERT Abb 11.6, Biologische Physik Kurze Wellenzüge mit verschiedenen Schwingungsebenen.

27 POLARISATIONSFILTER: Eine Vorrichtung, die nur Welle einer Polarisationsrichtung hindurchläßt. Abb 11.7, Biologische Physik Richtung der Schwingung und des Filters stimmen überein, Welle wird hindurchgelassen Abb 11.7, Biologische Physik ichtung der Schwingung und des Filters stehen aufeinender normal. Welle wird nicht hindurchgelassen

28 Polarisationsfilter bei Licht sind zb Kristall in bestimmter Orientierung, gedehnte Kunststoffe POLARISATIONSFILTER macht aus unpolarisiertem Licht POLARISIERTES LICHT Bei polarisiertem Licht tritt der Anteil des Lichts in DURCH LASSRICHTUNG des Filters durch. Analog Projektion eines Vektors

29 Eine polarisierte Schwingung/Welle kann als Summe zweier Polarisierten Wellen aufgefaßt werden, bzw in diese zwei Wellen durch Projektion zerlegt werden Abb 11.8 Biologische Physik

30 MIT POLARISATIONSFILTER KANN polarisiertes LICHT FESTGESTELLT WERDEN. Das Polarisationsfilter nennt man dann ANALYSATOR. b Biologische Physik Richtung von Filter und Welle sind identisch --->alles wird durchgelassen Richtung von Filter und Welle schließen einen Winkel ein --->ein Teil wird durchgelassen Polarisationsrichtung von Welle und Filter stehen aufeinander normal --> nichts wird durchgelassen.

31 ERSTELLUNG von POLARISIERTEM LICHT REFLEXION an DURCHSICHTIGEM MEDIUM: Der REFLEKTIERTE STRAHL ist TEILWEISE POLARISIERT. Vollständig wenn gebrochener und reflektierte Strahl aufeinander normal stehen. Abb Biologische Physik

32 DOPPELBRECHUNG, DICHROISMUS ANISOTROPE KRISTALLE mit unsymmetrischer Aufbau aber auch lange Kettenmoleküle zb Muskel haben verschiedene Phasengeschwindigkeiten für Wellen der verschiedenen Polarisationsrichtungen. Dadurch werden die Wellen verschiedener Polarisationsrichtung verschieden gebrochen: Aus einem Strahl werden zwei Strahlen mit aufeinader normal stehenden Polarisationsrichtungen Doppelbrechung. Eventuell Absorption einer Polarisationsrichtung, die wellenlängenabhängig sein kann: Farbeffekte Polarisationsfolie: Nadelförmige Kristalle sind eingelagert oder gezogen

33 Streuung an kleinen Teilchen Molekulen ergibt ebenfalls polarisiertes Licht: Polarisation vollständig wenn der Streuwinkel 90. Dann normal auf Streuebene polarisiert Abb Biologische Physik Streuebene: gebildet von einfalleden Strahl und betrachteten gestreuten Strahl

34 ANWENDUNGEN der Polarisation: olarisationsbrillen: verringern Reflexe, Photographie FlÜssigkristallanzeige: Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird zb Cholesterin zum Polarisator Spannungsoptik: Stoff unter mechanischer Spannung wird doppelbrechend, dichroidisch Polarisationsmikroskop zur Kontrasterhöhung Streuung an kleinen Teilchen: Licht ist polarisiert. Schmettelingsflügel, blaue Augen blaues Licht. blauer Himmel

35 rientierung bei Insekten da Himmelslicht polarisiert ist. mmatidien für verschiedene Polarisationsrichtungen. eht bei bedecktem Himmel nicht. Drehung der Polarisationsebene zb Zucker