Vorkurs Physik des MINT-Kollegs

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Gerhardt Wetzel
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Vorkurs Physik des MINT-Kollegs Optik MINT-Kolleg Baden-Württemberg 1 KIT 03.09.2013 Universität desdr.

1 Vorkurs Physik des MINT-Kollegs Optik MINT-Kolleg Baden-Württemberg 1 KIT Universität desdr. Landes Gunther Baden-Württemberg Weyreter - Vorkurs und Physik nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Universität Stuttgart

2 Einführung Klassische Mechanik Elektrizitätslehre Magnetismus Optik Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

3 Licht elektromagnetische Welle Wellenlängen zwischen 380 nm und 760 nm Wahrnehmung durch das Auge Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

4 Geometrische Optik Hindernisse und Öffnungen wesentlich größer als die Wellenlänge Vernachlässigung der Beugung: Scharfe Schatten Lichtbündel: Seitlich begrenzt (z.b. Blende) Lichtstrahl: Sehr schmales Lichtbündel Die geometrische Optik verfolgt Lichtverläufe mit Hilfe von Lichtstrahlen: Die Ausdehnung wird vernachlässigt. Lichtstrahlen verlaufen parallel zur Ausbreitungsrichtung Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

5 Reflexionsgesetz Definition (Reflexionsgesetz) Einfallender Strahl, reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene. Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß: α 1 = α 2. (1) Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

6 Ebener Spiegel Das Auge hat den Eindruck, dass ein reflektierter Gegenstand genau so weit hinter dem Spiegel steht, wie er im Original vom Spiegel entfernt ist: Die Strahlen nach der Reflexion verlaufen gerade vom virtuellen Bild zum Auge. Virtuelle Bilder: Reflektierte Lichtstrahlen (Scheinen sich hinter dem Spiegel zu befinden) Reelle Bilder: Direkte Lichtstrahlen (Scheinen sich vor dem Spiegel zu befinden) Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

7 Aufgaben 20. Aufgabe: Garderobenspiegel Welche Höhe h muss ein Garderobenspiegel mindestens haben, damit sich eine Frau der Größe l =1,78 m und der Augenhöhe a =1,60 m darin vollständig sieht? Tipp: Leiten Sie sich die Formel mit Hilfe einer geeigneten Skizze her. Antworten: a) Der Spiegel muss mindestens eine Höhe von 0,89 m haben. b) Der Spiegel muss mindestens eine Höhe von 0,79 m haben. c) Der Spiegel muss mindestens eine Höhe von 1,29 m haben. d) Der Spiegel muss mindestens eine Höhe von 3,56 m haben Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

8 Sphärische Spiegel konkave Spiegel: Nach innen gewölbt, auch Hohlspiegel 5 Möglichkeiten der Abbildung (später) konvexe Spiegel: Nach außen gewölbt, auch Wölbspiegel aufrechte, verkleinerte Bilder Achsennahe, parallele Strahlen werden im Brennpunkt F gesammelt: Alle Strahlen, die von einem Punkt eines Gegenstandes ausgehen, werden im Bild auf einem Punkt abgebildet. Bild und Gegenstand sind geometrisch ähnlich (können durch Verschiebung, Drehung und Streckung ineinander überführt werden) Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

9 Abbildungsgleichung Definition (Abbildungsgleichung für sphärische Spiegel) Für achsennahe Strahlen gilt: 1 f 1 g + 1 b, (2) { + r wobei f = 2 für konkave Spiegel für konvexe Spiegel r Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

10 Möglichkeiten der Bilderzeugung bei Konkavspiegeln Gegenstandweite g Bildweite b Art und Größe des Bildes 2f < g < f < b < 2f reell, umgekehrt, verkleinert g = 2f b = 2f reell, umgekehrt, größenecht f < g < 2f 2f < b < reell, umgekehrt, vergrößert g = f b 0 < g < f b < 0 virtuell, aufrecht vergrößert Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

11 Aufgaben 21. Aufgabe: Bilder bei konkaven und konvexen Spiegeln Eine Puppe sitzt in einem Abstand von 30 cm vor einem konkaven Spiegel, dessen Krümmungsradius r =0,9 m beträgt. Bestimmen Sie Art und Lage des Bildes! Antworten: a) Das Bild ist reell, umgekehrt und verkleinert. b) Das Bild ist reell, umgekehrt und gleich größentreu. c) Das Bild ist reell, umgekehrt und vergrößert. d) Das Bild ist virtuell, aufrecht und vergrößert. e) Das Bild ist virtuell, aufrecht und verkleinert Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

12 Aufgaben 22. Aufgabe: Bilder bei konkaven und konvexen Spiegeln Eine Puppe sitzt in einem Abstand von 30 cm vor einem konvexen Spiegel, dessen Krümmungsradius r =0,9 m beträgt. Bestimmen Sie Art und Lage des Bildes! Antworten: a) Das Bild ist reell, umgekehrt und verkleinert. b) Das Bild ist reell, umgekehrt und gleich größentreu. c) Das Bild ist reell, umgekehrt und vergrößert. d) Das Bild ist virtuell, aufrecht und vergrößert. e) Das Bild ist virtuell, aufrecht und verkleinert Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

13 Brechung Definition (Vakuum-Lichtgeschwindigkeit) c = 2, m s. (3) In allen Stoffen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht kleiner als im Vakuum. Brechungsindex: Verhältnis zwischen Vakuum-Lichtgeschwindigkeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium. Definition (Brechungsindex) n := c Vakuum c Medium (4) Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

14 Brechungsindizes: Stoff Brechungsindex Luft 1, Kohlendioxid 1,000 Wasser 1,3330 Ethanol 1,3618 Eis 1,31 Quarzglas 1,4589 Diamant 2, Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

15 Übergänge: Beim Übergang von Licht zwischen zwei Medien wird ein Teil des Lichtes gebrochen und ein Teil reflektiert. Ein Teil wird weder reflektiert noch gebrochen, sondern vom Medium absorbiert. Intensität reflektierter Strahlung R = Reflexionsgrad = Intensität einfallender Strahlung T = Transmissionsgrad Intensität durchlaufender Strahlung = Intensität einfallender Strahlung A = Absorptionsgrad Intensität absorbierter Strahlung = Intensität einfallender Strahlung Es gilt: R + T + A = 1 (5) Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

16 Übergänge: Übergang zwischen zwei transparenten Medien: Abhängig von Einfallswinkel und Brechungsindizes. Bei senkrechtem Lichteinfall (gute Näherung bis etwa 30 ): ( n1 n R = 2 n 1 + n 2 Bsp. Übergang von Luft in Wasser: Hierbei werden 2% der Strahlung reflektiert. Ein Medium heißt optisch dichter als ein anderes Medium, wenn sein Brechungsindex größer ist. Übergang in ein optisch dichteres Medium: Brechung am Einfallslot ) 2 n 1 sin α 1 = n 2 sin α 2 (6) Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

17 Dispersion: Dispersion: Die Brechzahl hängt von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes ab n = n(λ) Gläser: Brechzahl nimmt mit zunehmender Wellenlänge leicht ab. Weißes Licht, das eine Überlagerung von Licht verschiedener Farben ist, wird an einem Glasprisma in seine Bestandteile aufgesplittet: rotes Licht wird nur leicht gebrochen, violettes sehr stark. Bsp: Regenbogen bei regnerisch sonnigem Wetter Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

18 Dünne Linsen: Dünne Linse: Ausdehnung klein im Vergleich zum Linsenkrümmungsradius Vereinfachung: Man betrachtet anstatt zwei Brechungen an beiden Seiten eine Brechung an der Hauptebene. zwei Linsenarten: Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

19 Dünne Linsen: Linsengleichung: Definition (Linsengleichung) Für dünne Linsen in Luft gilt: 1 f ( 1 = (n 1) 1 ), (7) r 1 r 2 wobei n der Brechungsindex des Linsenmaterials und r 1 und r 2 die Radien der beiden Linsenflächen sind. Bsp: Bikonvexe ( Linse mit ) gleichen Radien auf beiden Seiten: 1 f = (n 1) 1r1 r 1 1 = 2 (n 1) 1r 1 f = r 1 2 (n 1) Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

20 Dünne Linsen: konvexe Linsen: Sammellinsen g > f (Bezeichnung wie bei den Spiegeln): reelles (hinter der Linse befindliches), umgekehrtes, vergrößertes Bild g = f : reelles, umgekehrtes, gleich großes Bild g < f : virtuelles, aufrechtes, vergrößertes Bild g > 2f : reelles, umgekehrtes, verkleinertes Bild Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

21 Dünne Linsen: konkave Linsen: Streulinsen Egal, ob sich der Gegenstand vor oder hinter dem Brennpunkt befindet: Es entsteht immer ein virtuelles, aufrechtes, verkleinertes Bild Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

22 Dünne Linsen: Definition (Vergrößerung) Die Vergrößerung (Abbildungsmaßstab) m einer dünnen Linse wird aus dem Verhältnis von Bildgröße B zu Gegenstandgröße G bestimmt. m = B G = b g, (8) Daraus kann die bekanntere Form der Linsengleichung hergeleitet werden: Definition (Linsengleichung) Für dünne Linsen gilt: 1 f = 1 b + 1 g (9) Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

23 Einführung Klassische Mechanik Elektrizitätslehre Magnetismus Optik Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

24 Skript_Optik Seite 1 Optik 1. Strahlenoptik

25 Freitag, 13. September :19 Skript_Optik Seite 2

26 Freitag, 13. September :30 Skript_Optik Seite 3

27 Freitag, 13. September :00 Skript_Optik Seite 4

28 Freitag, 13. September :51 Skript_Optik Seite 5

29 Freitag, 13. September :01 Skript_Optik Seite 6

30 Freitag, 13. September :24 Skript_Optik Seite 7

31 Freitag, 13. September :44 Skript_Optik Seite 8

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