Wirtschaftswissenschaftliche Bücherei für Schule und Praxis Begründet von Handelsschul-Direktor Dipl.-Hdl. Friedrich Hutkap

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1 Wirtschaftswissenschaftliche Bücherei für Schule und Praxis Begründet von Handelsschul-Direktor Dipl.-Hdl. Friedrich Hutkap Der Verfasser: Dr. Jens Kircher, stv. Schulleiter, Kirchberg/Jagst Fast alle in diesem Buch erwähnten Hard- und Softwarebezeichnungen sind eingetragene Warenzeichen. Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis zu 52a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Teile dieses Buchs und einige Abbildungen wurden aus anderen Quellen entnommen. Sollte für diese Teile der obige Urheberrechtsverhalt nicht gelten, ist dies im Anhang vermerkt. * * * * * Die in diesem Buch zitierten Internetseiten wurden vor der Veröffentlichung auf rechtswidrige Inhalte untersucht. Rechtswidrige Inhalte wurden nicht gefunden. Stand: März 2014 Für Schäden durch im Buch genannte Softwareinstallationen wird nicht gehaftet. 1. Auflage by MERKUR VERLAG RINTELN Gesamtherstellung: MERKUR VERLAG RINTELN Hutkap GmbH & Co. KG, Rinteln info@merkur-verlag.de lehrer-service@merkur-verlag.de Internet: ISBN

2 Vorbemerkungen Zielsetzung... 7 Inhalt... 8 Aufbau Optik I: Licht und Farbe 11.1 Was ist Licht? Elektromagnetische Wellen Wellen Longitudinal- und Transversalwellen, Polarisation Licht als elektromagnetische Welle Ausbreitung von Licht Lichtquellen Licht im Vakuum Licht trifft auf einen Gegenstand Licht in einem Material Licht auf einer Oberfläche: Reflexion und Transmission Licht fällt durch eine planparallele Platte Licht fällt durch ein Prisma Platten mit gekrümmten Oberflächen Farbe Augen und Ohren Gegenstände beeinflussen das Spektrum von Licht Farberscheinung undurchsichtiger Gegenstände Farbstoffe und Pigmente Absorbanz und Transmittanz Farberscheinungen teils transparenter Materialien Warum ist Milch weiß? Warum ist der Himmel blau?

3 12 Optik II: Gegenstände und Abbildungen 12.1 Selbstleuchtende und beleuchtete Objekte Schatten Abbildungen Auge und Gegenstandserkennung Was ist eine Abbildung? Abbildung mit einer Sammellinse Das Auge Brille Lupe Fernrohr Mikroskop Fotografie Kleine und große Hindernisse 13.1 Der Schatten kleiner Objekte Der experimentelle Befund: Einzelspalt Erklärung Auswirkungen und Anwendungen Beugung und Interferenz am Doppelspalt Dreifachspalt Mehrfachspalte Beleuchtung eines beugenden Objekts mit weißem Licht Optisches Gitter Beugung und Interferenz an nicht linienförmigen Objekten Interferenz ohne Beugung Interferenzen gleicher Neigung ( Interferenzen an einer plan parallelen Platte) Interferenzen gleicher Dicke (Interferenzen an einer keilförmigen Platte) Newton sche Ringe Der schillernde Ölfleck Röntgenbeugung Das Fresnel sche Biprisma Interferometer

4 13.3 Beugung und Interferenz im Alltag Kohärenz Messung der Kohärenzlänge Messung der Kohärenzbreite Zusammenfassung Licht revolutioniert die Atomphysik 14.1 Der experimentelle Befund Äußerer Photoeffekt Weitere experimentelle Befunde Erklärung des Photoeffekts Stöße mit Licht Stoßvorgänge Impuls eines Photons Compton-Effekt Nicht nur Licht ist eine komische Welle Elektronen sind nicht nur Teilchen Interferenzen mit Elektronen Beugung und Interferenz am Spalt mit Neutronen Beugung und Interferenz am Doppelspalt mit Atomen Beugung und Interferenz am Doppelspalt mit Edelgasclustern Beugung und Interferenz am Doppelspalt mit C Zusammenfassung Teilchen oder Welle? Quantenobjekte Einzelne Elektronen am Doppelspalt Einzelne Photonen am Doppelspalt Einzelne große Moleküle am Doppelspalt Welchen Weg nimmt das Photon? Die mathematische Beschreibung von Quantenobjekten Wiederholung: Wellenfunktion, Wellengleichung Wellenfunktion und Schrödinger-Gleichung Deutung der Wellenfunktion Ort und Impuls einer Welle Die Heisenberg sche Unschärferelation Konsequenzen aus der Heisenberg schen Unschärferelation

5 15 Atome 15.1 Das Thomson sche Atommodell Rutherford sches Atommodell Bohr sches Atommodell Das Planetenmodell und seine Probleme Die Bohr schen Postulate Atomradius Energieniveaus Erfolge und Defizite des Modells Quantenmechanische Behandlung des Wasserstoffatoms Teilchen im Coulomb-Potential einer Punktladung Orbitale Energieniveaus Atome mit mehr als einem Elektron Anhang Formelsammlung Formelzeichen Originalliteratur Stichwortverzeichnis Abbildungsverzeichnis (Mathematische) Exkurse Exkurs: Arcos, Arcsin Exkurs: Komplexe Zahlen Exkurs: Fourier-Reihen Exkurs: Polarkoordinaten

6 Vorbemerkungen Zielsetzung Der vorliegende Band ergänzt Merkur Band 348 zu einem Physikkurs für die Sekundarstufe II des beruflichen Schulwesens (Technische Oberschule, sowie berufliche Gymnasien ohne TG). Die Relativitätstheorie, die in wenigen Curricula vorgesehen ist, wird in einem Ergänzungsband behandelt. Wie schon bei den vorhergehenden Werken lag Autor und Verlag besonders am Herzen, durch Wahl der Beispiele und eine den Lernenden angemessene Sprache die Zugangsschwelle niedrig zu halten. einen Text zu schaffen, der (fast) alle Formeln herleitet. Dies erfordert mitunter läng ere Rechnungen, aber die Schüler haben dies in der mehrjährigen Erprobungsphase des Manuskripts mehrheitlich im Rückblick als wertvoll bezeichnet. Es ist auch ein wichtiges Lernziel, den Schülern klarzumachen, wo die Physik beobachtet, wo sie definiert und wo sie ableitet. Formelorientiertes Inselwissen befördert dieses Verständnis nicht, auch wenn es (kurzfristig) bequem ist. die Lernenden möglichst stark in die Entwicklung des Lernstoffs einzubinden. Geschah dies im Mechanik-Teil noch durch Multimedia-Anwendungen und Videoanalyse von Bewegungen, so treten hier verstärkt selbst erstellte Simulationen und Rechentabellen in den Vordergrund. Für die Mehrzahl der Schüler dürfte dieser Band die letzte Beschäftigung mit dem Fach Physik vor der Reifeprüfung begleiten. Außerdem liegen zu den Themen dieses Bands gut lesbare Original-Artikel vor und diese sind heutzutage auch einfacher zugänglich als noch vor 10, 20 Jahren. Wir haben deshalb abweichend von den vorhergehenden Bänden und auch von der Praxis der Schulliteratur in einem Anhang die wichtigsten Original-Veröffentlichungen angegeben. Wir hoffen, damit nicht nur interessierten Schülern den Einstieg in die Originalliteratur gewiesen zu haben, sondern auch eine Unterrichtseinheit angeregt zu haben, die von den Originalarbeiten ausgeht. Auch einige der Abbildungen wurden den Originalarbeiten entnommen. Wir haben deren englische Beschriftung und englische Bildunterschrift beibehalten. Deutsche Erklärungen finden sich soweit erforderlich in einer zweiten Bildunterschrift. 7

7 Vorbemerkungen Inhalt Dem Titel entsprechend behandelt der vorliegende Band Optik, Wellen und Quantenphysik. Die grundlegende Phänomenologie von Lichtwellen, Wasserwellen und Schallwellen wurde bereits in Band 348 in einem Kapitel Wellen behandelt. Weil Optik mehr ist als Wellenlehre, steht gleich zu Beginn der Beschäftigung mit Licht die große Frage nach der Natur von Licht. Beim Thema Optik sind wir von der in dieser Buchreihe gepflegten Strategie, uns im Umfang eng am Lehrplan zu orientieren, abgewichen: Farbenlehre steht zwar nicht im Lehrplan, könnte jedoch als Wahlthema an die vom Lehrplan geforderten Themen anknüpfen. Ebenso haben wir ein kurzes Kapitel über geometrische Optik aufgenommen. Schüler, denen das Thema nicht aus der Mittelstufe bekannt ist, müssen es nacharbeiten, denn sonst sind viele experimentelle Aufbauten nicht nachvollziehbar. Die Quantenmechanik wird etwas umfassender behandelt als es die meisten Lehrpläne für das berufliche Schulwesen fordern; wir glauben, damit einen Trend vorwegzunehmen. Beim Compton-Effekt haben wir auf die relativistische Behandlung verzichtet, da die Relativitätstheorie in vielen Bildungsgängen nicht zum Lehrplan gehört. Lösungsheft und Formelsammlung ergänzen das Angebot. Aufbau Beim Aufbau haben wir uns an dem inzwischen bewährten Aufbau orientiert: Der Kerntext befasst sich mit der Entwicklung der Theorie und dem Aufzeigen von Zusammenhängen. Um möglichst flüssiges Lesen zu ermöglichen, sind viele Sachverhalte in Boxen ausgelagert. Deren Funktion bedarf in diesem Band keiner näheren Erläuterung mehr. Die Simulationstabellen, auf die in diesem Buch Bezug genommen wird, können unter heruntergeladen werden. Mitunter ist es aus Zeit- oder Ressourcengründen notwendig darauf zurückzugreifen, aber wir raten dringend dazu, die Befriedigung beim Selbst- Erarbeiten einer Gesetzmäßigkeit nicht zu unterschätzen. Schließlich ist es genau das, was unsere geliebte Wissenschaft so schön macht! Die Kapitelnummerierung in diesem Band beginnt mit der Ziffer 11. Querverweise zu Abschnitten, Abbildungen oder Formeln mit einer niedrigeren Kapitelzahl als 11 beziehen sich auf Bd. I (Merkur 348). Dies gilt auch für die zusätzlich erhältliche Formelsammlung, die die wichtigsten Formeln sowohl des Bd. I als auch des Bd. II umfasst. 8