Physik für Naturwissenschaften. Dr. Andreas Reichert

Transkript

1 Physik für Naturwissenschaften Dr. Andreas Reichert

2 Termine Klausur: 5. Februar?, Uhr, Raum wird noch bekannt gegeben Sprechstunde: Montags ab 13:30-14:30 Uhr Raum MC 244, Campus Duisburg Online-Infos Physik > Service > Physik für Naturwissenschaften Kennwort: PFN2012

3 Physik? Experiment Beobachtung Gesetzmäßigkeit (Formel/Gesetz Modell beschreibt die beobachteten Fälle) Voraussagen

4 Sehen Sehen ist nur möglich, wenn Licht von einem Gegenstand (Sender) direkt in unsere Augen fällt (Empfänger) Aktive Sender erzeugen Licht Passive Sender reflektieren Licht Das Auge ist ein (passiver) Lichtempfänger

5 Warum sieht man Dinge? Man sieht auch Dinge, die nicht selbst leuchten Licht wird von diesen Dingen in charakteristischer Weise reflektiert Wir sehen Dinge, wenn Licht von ihnen direkt in unser Auge reflektiert wird Das Aussehen von Dingen hängt davon ab, welche Farbe des Lichts reflektiert oder absorbiert wird

6 Lichtentstehung Was ist Licht? Energie Elektromagnetische Welle/Lichtteilchen (Photon) Zerlegung von weißem Licht in Spektralfarben

7 Lichtentstehung Was ist Licht? Zerlegung von weißem Licht in Spektralfarben λ = c f λ : Wellenlänge c : Lichtgeschwindigkeit f : Freuqenz

8 Lichtentstehung Was ist Licht? t λ = c f λ : Wellenlänge c : Lichtgeschwindigkeit f : Freuqenz A: Amplitude t : Zeit

9 Lichtentstehung Anregung durch Wärmezufuhr mechanisch durch Licht durch elektrische Energie Energiepaket Photo (Lichtquant) h = planckschen Wirkungsquantum ν = Frequenzdes Lichtes E = hν

10 Lichtentstehung Kontinuierliches Spektrum Ein Ion fängt ein Elektron beliebiger Energie ein. Diese Energie wird als Lichtwelle frei freies Elektron Ion Resultat ist ein kontinuierliches Spektrum (weißes Licht)

11 Wie entsteht Licht Schwarzer Strahler

12 Lichtentstehung Die Farben rechts zeigen nur die Tendenz

13 Lichtausbreitung Farben Hellere und dunklere Körper

14 Lichtausbreitung Farben Farbige Körper

15 Lichtausbreitung Farbe Körperfarben cyan, magenta, yellow Lichtfarben Rot, grün, blau

16 Lichtausbreitung Lichtausbreitung in Medien Atome werden durch die elektromagnetische Welle des Lichtes zum Schwingen angeregt Schwingende Atome senden wieder eine elektromagnetische Welle aus (in alle Richtungen, jeweils etwas verzögert daraus resultiert die Lichtgeschwindigkeit in Medien) Interferenz der Wellen lässt in homogenem Medium nur die sich gradlinig ausbreitende Welle übrig

17 Lichtausbreitung Lichtausbreitung in Medien Atome werden durch die elektromagnetische Welle des Lichtes zum Schwingen angeregt Schwingende Atome senden wieder eine elektromagnetische Welle aus (in alle Richtungen, jeweils etwas verzögert daraus resultiert die Lichtgeschwindigkeit in Medien) Interferenz der Wellen lässt in homogenem Medium nur die sich gradlinig ausbreitende Welle übrig

18 Lichtausbreitung destruktive Interferenz konstruktive Interferenz

19 Lichtausbreitung Lichtgeschwindigkeit erste Messung der Lichtgeschwindigkeit

20 Lichtausbreitung Lichtgeschwindigkeit Erste terrestrische Messung der Lichtgeschwindigkeit 1849 durch die Zahnradmethode nach Armand Fizeau ( )

21 Lichtausbreitung Lichtgeschwindigkeit Foucault veröffentlichte eine Version des Versuchs zur Messung der Lichtgeschwindigkeit. Er verwendete einen drehenden Spiegel. c = km/s

22 Abbildungen

23 Bild Sie werden heute erfahren Was Physiker unter einem Bild verstehen Wie scharfe Abbildungen erzeugt werden können Wie optische Linsen Bilder machen Dass auch unsere Augen mit Linsen funktionieren Weshalb Linsen Licht brechen und bündeln können Wie man Sehfehler mit Brillen korrigiert Dass es auch scheinbare Bilder gibt Beispiele für Geräte mit Linsen

24 Was sind eigentlich Bilder im physikalischen Sinne?

25 Bild Entstehung von Bildern Die Camera Obscura als Hilfsmittel der Malerei

26 Bild Die Entstehung von Bildern In einem idealen Abbild sollte jedem Punkt des abzubildenden Gegenstands genau ein Bildpunkt zugeordnet sein Die relative Lage der Bildpunkte sollte so sein, wie wir sie mit unserem Auge wahrnehmen würden Optische Geräte müssen dem entsprechend das Licht sortieren

27 Bild Bilder an einer Lochkamera Sortieren von Licht durch das Loch einer Lochkamera Je größer das Loch ist, um so heller, aber auch um so unschärfer wird das Bild.

28 Bild Das Lochkameraprinzip in der Natur Das Blasenauge des Nautilus

29 Wie entstehen gute Bilder?

30 Bild Eine einfache Linsenkamera Linse Versuch: Vor das größte Loch der Lochkamera wird eine Linse aus Glas gehalten. Ergebnis: Das Bild ist hell aber trotzdem scharf

31 Das Auge - eine Linsenkamera der Natur

32 Bild Verbesserung des Sehens durch Linsenaugen Vorteile von Linsenaugen: Helligkeit des Bildes durch eine große Augenöffnung Gleichzeitig Schärfe des Bildes durch eine Linse Schutz des Augeninneren in einem geschlossenen System

33 Bild Das menschliche Auge Glaskörper Pupille Sehnerv

34 Abbildungen mit Linsen

35 Bild Verschiedene Linsen Sammellinsen können Lichtbündel in einem Punkt zusammenführen. Zerstreuungslinsen lassen Lichtbündel auseinander laufen. Licht scheint von einem Punkt auszugehen

36 Bild Brennweite und Brennpunkt Im Brennpunkt F einer Sammellinse wird das parallele Licht einer sehr weit entfernten Lichtquelle (z.b. der Licht von der Sonne Sonne) zusammengeführt. F F Brennebene Brennweite f Brennweite f Die Brennweite f misst die Entfernung des Brennpunkts von der Linsenmitte Die Brennweite ist die wichtigste Größe, die die Abbildungseigenschaften einer Linse charakterisiert.

37 Bild Brennweite und Brennpunkt Auch Zerstreuungslinsen besitzen Brennpunkte, obwohl in ihnen kein Licht gebündelt wird Paralleles Licht wird so gebrochen, dass es von einem Punkt, dem Brennpunkt auszugehen scheint Die Brennweite von Zerstreuungslinsen wird als negativer Wert angegeben.

38 Abbildung mit einer Sammellinse Bild Alles Licht, das von einem Punkt durch die Sammellinse geht, wird wieder in einem Bildpunkt gebündelt. Linse Gesamtheit der Bildpunkte

39 Bild Wo liegen die Bildpunkte? Kann man den Ort des Bildes vorhersagen oder hilft nur ausprobieren? Zum Glück weiß man in drei Fällen, wie sich Licht verhält, das aus bestimmten Richtungen kommt: Parallel einfallendes Licht läuft hinter der Linse durch den Brennpunkt (Definition des Brennpunkts) Licht, das durch den Brennpunkt vor der Linse einfällt, verläuft hinter der Linse parallel (Umkehrbarkeit des Lichtwegs) Licht, das genau durch die Mitte der Linse läuft, behält seine Richtung bei

40 Bild Abbildungen mit Linsen Parallelstrahl Mittelpunktsstrahl Brennstrahl F F Weit entfernte Objekte werden in der Nähe der Brennebene verkleinert abgebildet. Das Bild steht auf dem Kopf. Objekte in der Nähe der Brennebene werden vergrößert abgebildet.

41 Bild Abbildungen mit Linsen Im Prinzip reichen auch schon zwei der besonderen Strahlen F F Weit entfernte Objekte werden in der Nähe der Brennebene verkleinert abgebildet. Objekte in der Nähe der Brennebene werden vergrößert abgebildet.

42 Linsengleichungen Bild

43 Bild Optische Messgrößen Zur Berechnung der Bildgröße Beschreibung der optischen Eigenschaften einer Linse durch die Dioptrien-Zahl

44 Warum bündeln Linsen Licht? Brechung an Grenzflächen zweier durchsichtiger Stoffe

45 Bild Das Fermatsche Prinzip Der Weg des Lichts zwischen zwei Punkten ist so, dass die Laufzeit Minimale Strecke minimal ist. Minimale Zeit In Wasser ist Licht langsamer als in Luft

46 Bild Das Fermatsche Prinzip Minimale Strecke Minimale Zeit Beispiel Strand: der Startpunkt liegt auf einem Parkplatz der Endpunkt am Wasser. Dazwischen liegt die Hälfte des Weges Parkplatz und die andere Hälfte weicher Sandstrand. Wenn man das Gehen möglichst leicht hinter sich bringen will, ist es sinnig, den Weg auf dem Sand zu verringern.

47 Bild Brechungsindizes Der Brechungsindex n ist ein Maß dafür, wie stark Licht an der Grenzfläche zwischen Vakuum und einem durchsichtigen Mediums gebrochen wird. n = c/c m Lichtgeschw. c im Vakuum, c m -im Medium Luft 1,00027 Diamant 2,417 Wasser 1,333 Steinsalz 1,544 Benzol 1,501 Kronglas 1,510 Schwefel- 1,628 Flintglas 1,613 kohlenstoff In Benzol ist ein Glasstab aus Kronglas fast nicht sichtbar! n 2 /n 1 = c 1 /c 2 beim Übergang zwischen Medium 1 und 2

48 Bild Brechung von Licht Beim Übergang zwischen zwei verschiedenen durchsichtigen Medien (z.b. Luft-Glas) ändert Licht seine Richtung, es wird gebrochen. Die Brechung ist um so stärker, je größer der Winkel Alpha ist.

49 Bild Brechung von Licht Ist n 1 < n 2, so wird Licht zum Einfallslot hin, bei n 1 > n 2 vom Einfallslot weg gebrochen. Beispiel n 1 < n 2 (Luft und Wasser)

50 Bild Brechung von Licht Ist n 1 < n 2, so wird Licht zum Einfallslot hin, bei n 1 > n 2 vom Einfallslot weg gebrochen. Sonderfall Totalreflexion für n 1 > n 2 und große Einfallswinkel

51 Bild Brechung von Licht Beim Übergang zwischen zwei verschiedenen durchsichtigen Medien (z.b. Luft-Glas) ändert Licht seine Richtung, es wird gebrochen. Die Brechung ist um so stärker, je größer der Winkel Alpha ist. Ist n 1 < n 2, so wird Licht zum Einfallslot hin, bei n 1 > n 2 vom Einfallslot weg gebrochen. Sonderfall Totalreflexion für n 1 > n 2 und große Einfallswinkel

52 Lichtbrechung an einer Linse Bild

53 Reelle Bilder und virtuelle Bilder Bild

54 Bild Reelle und virtuelle Bilder Reelle (wirkliche) Bilder entstehen im Raum. Sie lassen sich durch einen Bildschirm auffangen. Beispiele: Auge, Kamera, Projektor Virtuelle (scheinbare) Bilder sind nicht wirklich vorhanden. Sie entstehen durch die Art unserer Wahrnehmung und lassen sich nicht auf einem Bildschirm auffangen. Beispiele: Spiegelbilder an ebenen Spiegeln, Bilder in einer Lupe

55 Bild Virtuelle Spiegelbilder Das Bild scheint hinter dem Spiegel zu liegen

56 Bild Reflektion und Fermatsches Prinzip Der kürzeste Weg besteht, wenn der Einfallswinkel des Lichts gleich dem Ausfallswinkel ist.

57 Bild Bildentstehung am Spiegel Das Bild scheint hinter dem Spiegel zu liegen.

58 Bild Virtuelles Bild mit einer Lupe Vergrößerung des Sehwinkels

59 Optische Geräte mit Linsen

60 Bild Die Fotokamera (Spiegelreflex) Prisma Sucher Blende Film Spiegel

61 Bild Das Fernrohr Das verkleinerte Zwischenbild erscheint als stark vergrößert in großer Entfernung.

62 Bild Das Mikroskop Okular Zwischenbild Leeuwenhoek gilt als der Erfinder des Mikroskops Ein Mikroskop erzeugt ein stark vergrößertes Zwischenbild Das Zwischenbild wird mit dem Okular (als Lupe) betrachtet

63 Bild Das Mikroskop Ein Mikroskop erzeugt ein stark vergrößertes Zwischenbild Das Zwischenbild wird mit dem Okular (als Lupe) betrachtet

64 Sehen Was bedeutet das jetzt für das Sehen?

65 Sehen Abbildung auf der Netzhaut Der Abstand der Netzhaut von der Augenlinse entspricht der Brennweite der Linse. Problem: Unterschiedliche Gegenstands-Weiten

66 Veränderung der Augenbrennweite Sehen

67 Sehen Fehlsichtigkeit Beim kurzsichtigen Auge ist der Augapfel verlängert Beim weitsichtigen Auge ist der Augapfel verkürzt. Bei Altersweitsicht kann die Augenlinse nicht mehr genug akkomodieren.

68 Korrektur der Fehlsichtigkeit Halbkugeln aus Glas, Bergkristall oder Halbedelsteinen wurden nach dem Jahr 1000 n. Chr. in arabischen Ländern genutzt. Etwa um 1200 n. Chr. kam das Wissen darüber in europäische Klöster. Die Halbkugeln wurden flacher und leichter geschliffen, es entstanden Linsen, die man vor das Auge halten konnte. Ein häufig genutztes Mineral für Linsen war Beryll oder Brill, bei zwei Linsen sprach man von Berylle oder Brille. Sehen

69 Sehen Korrektur durch Brillen Weitsichtigkeit: Verschiebung der Bildebene nach vorne Kurzsichtigkeit: Verschiebung der Bildebene nach hinten