Physik-Vorlesung. Optik.

Transkript

1 Physik Optik 3 Physik-Vorlesung. Optik. SS Sem. B.Sc. Oec. und B.Sc. CH

2 Physik Optik 5 Themen Reflexion Brechung Polarisation Spektroskopie

3 Physik Optik 6 Lehre vom Sehen (1/2) Was ist Sehen physikalisch? Fast alle realen Körper den man mit elektromagnetischen Wellen bestrahlt, strahlt wieder welche ab (u. U. mit anderer Wellenlänge). gerichtet (Spiegel, polierte Flächen) Reflexion diffus d.h. in alle Richtungen (raue Oberflächen) Empfang von elektromagnetischen Wellen durch das Auge Umwandlung in elektrische Nervenimpulse Signalverarbeitung im Gehirn

4 Physik Optik 8 Lehre vom Sehen (2/2) (SP) Sichtbarer Wellenlängenbereich nm (= Licht ) Empfindlichkeit des Auges hängt von der Wellenlänge ab Für Grün am größten (ca. 550 nm)

5 Physik Optik Beispiele 9 Ausweitung des sichtbaren Bereichs Technik erlaubt Ausweitung des sichtbaren Bereichs durch Falschfarbendarstellung Schwarzlicht IR- und UV-Detektoren Röntgenbilder Schnittbilddarstellung und Volumenrendering mittels Magnetresonanztomografie (MRT) (Kernspintomografie)

6 Physik Optik Beispiele 10 Einsatzbereich Oecotrophologie Messgeräte Refraktometer Mikroskop Photometer Spektrometer Optische Produktionsüberwachung Lichtschranken IR-, UV-Messungen Bildgebene Systeme

7 Physik Optik Beispiele 11 Photometer in der Lebensmittelchemie

8 Physik Optik Beispiele 12 UV-Lampen in der Mikrobiologie zur Entkeimung

9 Physik Optik Beispiele 13 Maskieren von Proben in der Sensorik

10 14 REFLEXION

11 Physik Optik Reflexion Diffuse Reflexion An allen Körpern, sonst sähen wir keine Farbe! Besonders intensive Reflexion z.b. an Sicherheitswesten Nummernschildern Lichtquelle erforderlich 15

12 Physik Optik Reflexion 16 Gerichtete Reflexion Modellvorstellung Licht besteht aus Lichtstrahlen, dargestellt durch gerade Linien sie prallen von einem Spiegel ab wie ein Ball von einer Wand. Der Winkel, unter dem der Lichtstrahl auf den Spiegel auftrifft, ist genauso groß wie der, unter dem er sich vom Spiegel entfernt. Reflexionsgesetz Einfallswinkel = Ausfallswinkel

13 Physik Optik Reflexion Spieglein, Spieglein (SP) ebene Spiegel: unverzerrtes Spiegelbild gekrümmte Spiegel Kugelspiegel 18 Quelle: herbst2004_05/bilder_generale/essstoerung.gif

14 Physik Optik Reflexion 19 Reelle und virtuelle Bilder im Spiegel entsteht ein virtuelles (=scheinbares) Bild Projektion direkt auf die Netzhaut Bildinhalt ist abhängig von der Position des Betrachters Änderung der Position des Betrachters verändert das Bild Unterschied zum reellen Bild Projektion auf Pappe, Leinwand möglich Bildinhalt ist unabhängig von der Position des Betrachters

15 Physik Optik Reflexion ebene Spiegel 21 Konstruktion eines punktförmigen virtuellen Bilds (SP) zwei Lichtstrahlen auswählen 1. den ins Auge gelangenden Lichtstrahl a 2. den senkrecht auf den Spiegel fallenden Lichtstrahl b Spiegelung an der Spiegelebene ergibt Schnittpunkt im Virtuellen Schnittpunkt ist Position der virtuellen Lichtquelle

16 Physik Optik Reflexion ebene Spiegel 22 Konstruktion eines ausgedehnten Objekts von jedem Punkt des Objekts gehen Lichtstrahlen aus und treffen auf das Auge für jeden Punkt Konstruktion wie bei punktförmigen Objekt Bild ist aufrecht spiegelverkehrt

17 Physik Optik Reflexion ebene Spiegel 24 mehrere Spiegel (SP) parallele Spiegel erzeugen unendlich viele Spiegelbilder Beispiel Kaleidoskop Quelle: /_img_alt/kaleidoskop/kaleidoskop3.jpg

18 Physik Optik Reflexion Kugelspiegel 26 Kugelspiegel (SP) Spiegelfläche ist gleichmäßig gekrümmt konkav (lat. concavus = ausgehöhlt, nach innen gekrümmt = Hohlspiegel) konvex (nach außen gekrümmt = Wölbspiegel) Kugelspiegel besitzen Brennpunkt Brennweite f ( = Abstand Brennpunkt Spiegel = halber Kugelradius) Optische Achse: gedachte Linie, verläuft durch Brennpunkt Objekt virtuelles Bild

19 Physik Optik Reflexion Kugelspiegel 28 Konvexe Spiegel (SP) Quelle: bemelk/images/bilder_aktuelles/ fonatsch3/bilder_fonatsch3/ mike_spiegeljpg.jpg Objekte werden verkleinert Bildfeld vergrößert sich parallel einfallende Lichtstrahlen werden radial reflektiert (divergente Strahlen) Brennpunkt liegt hinter dem Spiegel im Virtuellen Berechnung der Brennweite f = - ½ r

20 Physik Optik Reflexion Kugelspiegel 29 Konkave Spiegel Objekte werden vergrößert Bildfeld verkleinert sich parallel einfallende Lichtstrahlen sammeln sich im Brennpunkt (konvergente Strahlen) Brennpunkt liegt vor dem Spiegel im Reellen Berechnung der Brennweite f=½ r

21 Physik Optik Reflexion Kugelspiegel 31 Anwendungen (SP) Quelle: Wikipedia nach Sun and Ice GmbH

22 Physik Optik Reflexion Kugelspiegel 32 Bild beim konkaven Spiegel konkave Spiegel erzeugen virtuelles Bild, wenn Objektweite p kleiner als Brennweite f (p<f) kein Bild, wenn Objektweite p gleich der Brennweite f (p=f) reelles, auf dem Kopf stehendes Bild, wenn Objektweite p größer als Brennweite f (p>f)

23 Physik Optik Reflexion Kugelspiegel 33 Abbildungsgleichung des Spiegelbilds f i p mit f Brennweite p Objektweite i Bildweite

24 Physik Optik Reflexion Kugelspiegel 34 Abbildungsgleichung des Spiegelbilds (SP)

25 Physik Optik Reflexion Kugelspiegel 36 Lateralvergrößerung (SP) Die Lateralvergrößerung bzw. der Abbildungsmaßstab gibt an, ob das Bild gleich orientiert wie das Objekt ist (m > 0) auf dem Kopf steht (m < 0) größer ( m > 1) oder kleiner ( m < 1) als das Objekt ist

26 Physik Optik Reflexion Kugelspiegel 37 Aufgabe Konkavspiegel Ein Konkavspiegel habe einem Radius r = 100 mm. In 8 cm Entfernung steht ein Gegenstand, der abgebildet wird. a. Was für ein Bild entsteht? b. Wie weit ist das Bild vom Spiegel entfernt? c. Was ergibt sich für die Lateralvergrößerung?

27 Physik Optik Brechung 38 BRECHUNG

28 Physik Optik Brechung Brechungsgesetz 40 Brechung (SP) erforderliche Modellvorstellung Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen im Verhalten große Ähnlichkeit mit mechanischen Wellen (Meereswellen) Brechungsgesetz (Snellius sches Gesetz) mit n 1, n 2 : Brechzahl oder Brechungsindex (Materialkonstante)

29 Physik Optik Brechung Brechungsgesetz 41 Brechung, qualitativ Beim Durchgang eines Lichtstrahl von einem Medium mit kleinem Brechungsindex zu einem mit größerem Brechungsindex wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen ( 2 wird kleiner) Beim Durchgang eines Lichtstrahl von einem Medium mit großem Brechungsindex zu einem mit kleinerem Brechungsindex wird der Lichtstrahl vom Lot weg gebrochen ( 2 wird größer)

30 Physik Optik Brechung Brechungsgesetz 43 Brechungsindex (SP) Die Lichtgeschwindigkeit ist je nach Material unterschiedlich hoch. Definition Brechungsindex n: n 1 n Vakuum = 1 Brechungsindex ist Wellenlängenabhängig (Dispersion) Rotes Licht wird schwächer gebrochen als blaues

31 Physik Optik Brechung Brechungsgesetz 44 Anwendung Brechungsgesetz ist Grundlage für die Optik Prisma Linse Lupe Mikroskop Fernrohr

32 Physik Optik Brechung 45 Prisma Zerlegt Licht in seine Spektralfarben durch die Wirkung der Dispersion Quelle: Wikipedia Quelle: wikipedia

33 Physik Optik Brechung Filter 46 subtraktive Farbmischung durch Filtereinsatz Blauer Filter Kein Filter Grüner Filter Roter und grüner Filter Roter Filter

34 Physik Optik Brechung Filter 47 Anwendung: Geräteentwicklung im CAVE

35 Physik Optik Brechung Linsen 48 Linsen Bestehen aus transparentem Material (z.b. Glas) Besitzen eine Brechzahl n > 1 Lichtstrahlen, die nicht senkrecht auf die Linsen treffen, werden gebrochen Brechungsgesetz Auf einer oder beiden Seiten gewölbt Sammellinse (konvexe Linse): Außen dünn, innen dicker Streulinse (konkave Linse): Außen dick, innen dünner

36 Physik Optik Brechung Linsen 50 Konstruktion des Bilds (SP) Brennpunkte, Brennweite bekannt optische Achse bekannt Drei Strahlen zeichnen Parallelstrahl (1) parallel zur opt. Achse bis zur Linse, danach durch Brennpunkt Brennpunktstrahl (2) durch den Brennpunkt bis zur Linse, danach parallel zur opt. Achse Mittelpunktstrahl (3) durch den Schnittpunkt opt. Achse und Linse Schnittpunkt aller Strahlen ergibt Position und Größe des Bilds

37 Physik Optik Brechung Linsen 52 Anwendung Solarkocher(SP)) Fresnel-Linse Phasenwechsel- Material speichert Latente Wärme Quelle: Hedrick, Paul:

38 Physik Optik Brechung Linsen 53 Das menschliche Auge Abbilden der Umwelt auf der Netzhaut: Linse Muskeln können die Krümmung der Linse verändern (Akkommodation) variable Brennweite scharfes Sehen vom Fernpunkt ( ) bis zum Nahpunkt (altersabhängig) deutliche Sehweite oder Bezugssehweite a B = 25 cm Sehen bei Dämmerung/Nacht: s/w Stäbchen (R) Tag: Zapfen Rot: L-Zapfen Grün: M-Zapfen Blau: S-Zapfen Quelle: Talos und Jakov, Wikipedia Quelle: Sakurambo, Wikipedia

39 Physik Optik Brechung Linsen 54 Grenzen des Sehens Ein Objekt kann nur wahr genommen werden, wenn mindestens ein Stäbchen oder Zapfen es registriert Näher an das Objekt gehen Falls a B erreicht, Lupe oder Mikroskop verwenden Falls nicht möglich, Fernrohr verwenden Mehrere Objekte so dicht beieinander, dass sie nicht mehr vom Auge unterschieden werden können Auflösungsvermögen des Auges unterschritten

40 Physik Optik Brechung Linsen 56 Mikroskop (SP) System aus zwei Konvexlinsen Objektiv = Linse 1 Okular = Linse 2 Funktion Objekt hat einen Abstand größer als die Brennweite des Objektivs Abstand zwischen Bild B und Okular muss etwas kleiner als seine Brennweite sein Lichtstrahlen fallen parallel auf das Auge Objekt scheint sehr groß und weit entfernt Lateralvergrößerung M Vergrößerungen bis ca sinnvoll

41 Physik Optik Brechung Linsen 57 Vergleich Linsen - Spiegel Linsen und Kugelspiegel besitzen Krümmungsmittelpunkte Brennpunkte Für beide gilt die Abbildungsgleichung Bei Konvexlinsen und Konkavspiegel entsteht ein virtuelles Bild, wenn Objektweite p kleiner als Brennweite f (p<f) kein Bild, wenn Objektweite p gleich der Brennweite f (p=f) reelles, auf dem Kopf stehendes Bild, wenn Objektweite p größer als Brennweite f (p>f) Bei Konkavlinsen und Konvexspiegeln virtuelles Bild, wenn Objektweite p größer als Brennweite f (p>f) kein Bild, wenn Objektweite p kleiner gleich der Brennweite f (p f) Unterschied Kugelspiegel: Reflexionsgesetz anwenden Linsen: Brechungsgesetz anwenden

42 Physik Optik Brechung Linsen 58 Aufgabe Konkavlinse Zeichnen Sie den Strahlengang durch eine Konkavlinse für eine Objektweite p, die größer als die Brennweite f ist.

43 Physik Optik Polarisation 59 POLARISATION

44 Physik Optik Polarisation 61 Polarisation (SP) Quelle: HALLIDAY 34-15

45 Physik Optik Polarisation 62 Polarisation Modellvorstellung Licht als elektromagnetische Welle Schwingungsterm einer Welle schwingt in einer bestimmten Ebene Lichtwellen aus normalen Lichtquellen (Sonne, Glühbirne) schwingen auf verschiedenen Ebenen Ebenen sind statistisch Verteilt sind unpolarisiert Schwingungsebene einer elektromagnetischen Welle Unpolarisiertes Licht

46 Physik Optik Polarisation 63 Polarisiertes Licht Polarisation entsteht durch Polarisationsfilter Brechung bei bestimmten Winkeln (Brewster-Winkel) Polarisationsfilter lassen nur Lichtwellen durch, die in der Polarisationsrichtung schwingen Anwendung: Pol-Filter an Kameras können richtig eingestellt Reflexe von Glasscheiben aufheben Ideal polarisiertes Licht Polarisiertes Licht in der Realität

47 64 Polfilter im Einsatz

48 Physik Optik Polarisation 66 Zwei Polarisatoren nacheinander (SP) Bezeichnung 1. Polarisator 2. Analysator beide Polarisationsrichtungen stehen parallel zueinander polarisiertes Licht kommt durch beide Filter senkrecht zueinander (fast) kein Licht kommt durch beide Filter Quelle: HALLIDAY 34-15

49 Physik Optik Polarisation 68 Anwendung: Rechtsdrehende Milchsäurebakterien (SP) optisch aktive Substanzen drehen Polarisationsebene Nachweis der Substanzen möglich z.b. Joghurt L. acidophilus Bifidobacterium Quelle: Fritsche: Die Macht der Formeln

50 Physik Optik Polarisation 69 Anwendung: Geräteentwicklung am 3D-Arbeitsplatz Quellen: HS Bochum, IMT

51 Physik Optik Spektroskopie 70 SPEKTROSKOPIE

52 Physik Optik Spektroskopie 71 Farbmessung Bisherige Erkenntnisse (Folien 12 und 44) Weißes Licht hinterlässt für unsere Augen den richtigen Farbeindruck, weil alle Farbtöne darin enthalten sind Das reflektierte Licht unterscheidet sich vom transmittierten Licht in der Farbe Welche Farbe ein Gegenstand hat, hängt von der Lichtfarbe der Beleuchtungsquelle ab

53 Physik Optik Spektroskopie 72 Spektroskopie Statt Licht mit allen Farben gleichzeitig auf die Probe zu strahlen, wird die Probe nacheinander mit Licht aller Farben einzeln bestrahlt Ergebnisse als Funktion der Wellenlänge auftragen Bei Festkörpern das reflektierte Licht (Remissionsdiagramm) Bei Flüssigkeiten das transmittierte Licht (Transmissionsdiagramm)

54 Physik Optik Spektroskopie 73 Spektroskopie Was ist drin? Spektren können für Analyse und Identifikation der Festkörper bzw. Flüssigkeiten benutzt werden Spektren ausweiten: Ersetze Farben durch Wellenlängen z.b. Mikrowellenstrahlung Röntgenstrahlung Mikrobiologie Infrarotstrahlung NADH in Wasser: Ein Maximum bei = 340 nm (UV)

55 Physik Optik Spektroskopie 74 Spektroskopie - Wie viel ist drin? Qualitativ Betrachte Flüssigkeit mit gelöstem Stoff (z.b. NADH in Wasser) Je höher die Konzentration von NADH im Wasser ist, desto mehr Strahlung der Wellenlänge = 340 nm wird absorbiert weniger Strahlung der Wellenlänge = 340 nm wird transmittiert Quantitativ Lambert-Beersches-Gesetz

56 Physik Optik Spektroskopie 76 Lambert-Beersches-Gesetz (SP) I trans lg c d I0 mit I I trans 0 c d Intensität des transmittierten Wellenlänge in W/m Intensität der eingestrahlten Wellenlänge in W/m dekadischer molarer Extinktionskoeffizient in L/(mol cm) Konzentration in mol/l Dicke der durchstrahlten Flüssigkeit in cm 2 2

57 Physik Optik Spektroskopie 77 Aufgabe Lambert-Beersches- Gesetz In einer Küvette befindet sich eine unbekannte Konzentration eines gelösten Stoffs. Die Messung ergab folgende Werte I 0 = 10 W/m 2 I trans = 5 W/m 2 = 2 L/(mol cm) d = 10 mm Berechnen Sie die Konzentration des Stoffs

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